Instrumentista de Si..
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1. An lises tafico 40 R y AOne _ tae A Dre o Figura 3 5 Gr fico das Vari veis da Planta Telas de Alarmes neste tipo de tela aprecem geralmente em forma de listas linhas com as informa es de data e hora da ocorr ncia do alarme ou data e hora do momento em que findou a condi o de alarme ainda aparecem nestas listas quais s o as vari veis que foram alarmadas Tamb m poss vel definir n veis de prioridade entre as condi es de alarme para que determinada condi o se destaque visualmente na lista das demais e deste modo mesmo que uma determinada condi o seja a causadora de uma sequ ncia de outros alarmes o operador consegue identificar qual foi a condi o alarmada que ocasionou as outras e classificar o problema mais facilmente Outros efeitos visuais podem ser utilizados para mostrar ao operador que existe uma ocorr ncia de alarme at que ele a identifique O sin tico da Figura 3 4 mostrou uma lista de alarmes com apenas uma ocorr ncia BIBLIOGRAFIA Bega E A Delm e J Cohn P E Bulgarelli R Koch R Finkel V S Instrumenta o Industrial Editora Interci ncia Rio de Janeiro 2003 Foundation Fieldbus Technical Overview www fieldbus org Acesso em 20 11 2006 HART http www hartcomm org Acesso em 20 11 2006 HART http www thehartbo2. Prominp gt 4 INSTRUMENTISTA SISTEMAS INFORM TICA INDUSTRIAL GOVERNO FEDERAL INSTRUMENTISTA DE SISTEMAS INFORM TICA INDUSTRIAL O PETROBRAS Petr leo Brasileiro S A Todos os direitos reservados e protegidos pela Lei 9 610 de 19 2 1998 proibida a reprodu o total ou parcial por quaisquer meios bem como a produ o de apostilas sem autoriza o pr via por escrito da Petr leo Brasileiro S A PETROBRAS Direitos exclusivos da PETROBRAS Petr leo Brasileiro S A SCHNEIDER Guilherme Alceu STEBEL Sergio Leandro Universidade Tecnol gica Federal do Paran UTFPR 2006 46 p il PETROBRAS Petr leo Brasileiro S A Av Almirante Barroso 81 17 andar Centro CEP 20030 003 Rio de Janeiro RJ Brasil NDICE ld ld do do do a gt Princ pio de comunica o de dados ira rra 5 amp 6 51 ha ESA DAS ESCORRE 5 Meio f sico de transmiss o nana nana ranma 6 E 6 aadi aaa iaaa raaa ada na apa 6 TN 7 Transmiss o de dados non nnn cnc 8 Comunica o SiMpleX ooocnccnnnnccnnccn
3. cnamado de half duplex Na comunica o half duplex um nico canal usado e a comunica o feita nos dois sentidos por m somente em um sentido em um determinado tempo Nesta configura o o receptor e o transmissor alternam as fun es de modo que a comunica o ocorre em um sentido em um tempo e em um nico canal Exemplo de comunica o half duplex o r dio walkie talkie apertando um bot o se fala e n o se escuta sem apertar o bot o escuta se e n o se fala conforme a Figura 1 5 1 3 3 Comunica o Full duplex A comunica o em dois sentidos onde os dados podem fluir em ambas as dire es ao mesmo tempo chamada de comunica o full duplex Neste caso h dois canais de modo que a informa o pode fluir em ambos os sentidos simultaneamente Exemplo de comunica o full duplex o telefone onde se pode falar e escutar simultaneamente conforme a Figura 1 5 A 1 l SIMPLEX HALF DUPLEX FULL DUPLEX Figura 1 5 Transmiss o de dados 1 4 Tipos de redes de computadores As redes podem ser classificadas de v rias formas A mais comum quanto sua rea de abrang ncia Dessa forma podem ser LAN Local rea Networks redes locais de computadores como o pr prio nome sugere s o redes que est o restritas a uma nica localidade dist ncias geogr ficas pequenas como por exemplo um escrit rio f brica ou pr dio Em geral as LANs caracterizam se pela alta taxa de transmis
4. o faz se o uso de padr es como o ODBC open database connectivity que permite a escolha da base de dados que se deseja trocar informa es por exemplo como planilhas ou banco de dados fazendo o uso de outros aplicativos e Comunica o com Equipamentos Cada software de supervis o oferece diversos drivers de comunica o para os variados tipos de unidades inteligentes CLP s placas controladoras Estes drivers t m uma configura o espec fica que deve ser implementada para que a comunica o entre software de supervis o e unidades inteligentes funcione e permita que o processo seja monitorado e controlado corretamente Dentre as implementa es que devem ser realizadas est o tamb m o correto endere amento das vari veis envolvidas vari veis de campo discretas e anal gicas vari veis internas de controle etc A comunica o entre o software de supervis o e os equipamentos de campo pode ocorrer tamb m por meio da tecnologia OPC que se trata de uma comunica o padr o entre os equipamentos e o software Deste modo permita se a comunica o entre o software e as unidades inteligentes transmissores etc por meio de drivers de servidor OPC para as unidades inteligentes e de drivers de cliente OPC para o software 3 3 Exemplos de sin ticos Os sin ticos desenvolvidos nos sistemas de supervis o s o a substitui o aos pain is sin ticos tradicionais na tela do computador fazendo o uso de anima es gr f
5. o quanto a camada de interface de rede n o possuem uma norma definida devendo a camada de aplica o utilizar servi os da camada de transporte a ser definida adiante e a camada de interface de rede prover a interface dos diversos tipos de rede com o protocolo e Protocolos orientados a conex o necess rio que se fa a uma chamada e conex o antes de cada transmiss o Nesse tipo de transmiss o os pacotes n o precisam possuir overheads como ocorre nas transmiss es n o orientadas conex o Isso poss vel pois logo no in cio da conex o a origem e o destino trocam todas as informa es necess rias transmiss o mais seguro pois possui mecanismos de reenvio de pacotes mal transmitidos bem como mensagens de reconhecimento e Protocolos n o orientados conex o A origem e o destino necessitam ter um pr vio acerto de como ser a comunica o Esse modo de transmiss o associa a cada pacote um endere o global que identifica a origem e o destino do pacote Nesse modo de transmiss o os sucessivos pacotes transferidos podem n o ter qualquer rela o pois s o considerados independentes uns dos outros N o d import ncia a controles de fluxo nem realiza qualquer reconhecimento ou reenvio de pacotes Atrav s desse modo pode se fazer uma comunicac o com qualquer m quina sem precisar realizar uma conex o sendo assim mais r pido Em compensa o n o se tem a certeza do sucesso da transmiss o e o
6. as instru es baseado nas identifica es do gateway Na identifica o dos fragmentos o gateway cria um cabe alho para cada fragmento O cabe alho cont m os endere os iniciais das redes e uma identifica o referente mensagem a qual faz parte Os endere os IP s o divididos em 5 classes A B C D e E conforme a Figura 2 7 4 8 Classe Classe Classe Classe D Classe E Figura 2 7 Classes de endere os IP O roteador ent o verifica o endereco de destino do pacote Comeca ent o uma viagem por roteadores de v rias redes onde o pacote vai sendo mandado para roteadores mais pr ximos do endere o final at que chegue m quina de destino conforme pode ser observado na Figura 2 8 200 1 2 0 200 1 2 1 200 1 2 20 200 1 2 35 a 139 82 5 14 139 82 5 3 139 82 5 0 139 82 5 15 139 82 5 129 mE PEN 210 200 4 3 PA 210 200 4 0 200 1 3 2 210 201 0 1 210 201 0 0 210 200 4 57 N 210 200 4 56 200191 210 201 0 3 10 0 0 1 10 0 0 2 Figura 2 8 Exemplo de roteamento 2 5 2 TCP Esse protocolo tem como principal objetivo realizar a comunica o entre aplica es de dois equipamentos diferentes O protocolo TCP um protocolo de n vel de transporte muito utilizado que trabalha com mensagens de reconhecimento especifica o do formato da informa o e mecanismos de seguran a Ele garante que todos os
7. de comunica o destinat rio A nica decis o necess ria em cada n de comunicac o a capacidade de reconhecer o seu pr prio endere o nas mensagens que circulam pelo e copiar as que lhe s o destinadas conforme a Figura 1 7 Entre as caracter sticas dessa topologia est o e N s de comunica o ativos repetidores e Canal de transmiss o fechado Vantagens e rela o topologia em estrela permite uma redu o consider vel quanto ao custo e complexidade de instala o do meio f sico de transmiss o pois na topologia em anel esses suportes s o constitu dos de v rios segmentos ponto a ponto entre pares de n s de comunica o adjacentes e Sea esta o de monitora o falha a rede permanece em opera o j que poss vel designar outra esta o de trabalho para executar essa tarefa e Outras redes em anel podem ser interligadas atrav s de pontes que trocam os dados entre um anel e outro Desvantagens e relativamente mais dif cil acrescentar novas esta es de trabalho e fato de cada n de comunica o participar do processo de transmiss o coloca a confiabilidade da rede dependente da confiabilidade individual dos elementos repetidores distribu dos pelos n s de comunica o Interface do Anel Figura 1 7 Topologia em anel 1 5 3 Barramento Nesta topologia o meio f sico de comunicac o composto por um nico segmento de transmiss o multiponto
8. acompanhamento do processo precisa ser mais eficaz 2 5 1 IP A principal fun o do protocolo IP transportar os datagramas de uma rede a outra na Internet Ele um protocolo de transmiss o n o orientado conex o e por ser mais b sico n o apresenta muitas caracter sticas do TCP Pode se dizer que o IP gt possui mecanismos de retransmiss o gt d garantia de uma transmiss o ntegra ou ordenada gt Utiliza os endere os IP como base para o direcionamento dos datagramas gt Descarta um datagrama se ele n o for entregue ou se passar muito tempo trafegando na Internet Embora o protocolo IP n o possua essas caracter sticas elas n o deixam de ser importantes Por isso toda essa parte de consist ncia para a integridade dos dados transmitidos fica por conta do TCP O envio de datagramas via IP passa por algumas etapas b sicas onde se pode destacar gt gt Fragmenta o dos datagramas gt Endere os IP gt Roteamento Ao realizar trocas de pacotes os aplicativos da Internet deparam com um problema a diferen a do tamanho das mensagens nas diversas redes Nesse caso o protocolo IP suporta o processo de fragmenta o onde os datagramas s o divididos em unidades menores O procedimento de fragmenta o realizado por um gateway onde as mensagens s o partidas em unidades menores e adequadamente identificadas O equipamento de destino ent o reagrupar
9. associadas ocorr ncia de algum tipo de evento por exemplo o acionamento de uma tecla especial a varia o de um dado no processo o atendimento a uma condi o especial entre outros Alguns sistemas de supervis o possuem bibliotecas de blocos de fun es que permitem desenvolver procedimentos de controle de forma gr fica estes blocos podem representar fun es l gicas matem ticas e at fun es mais espec ficas para controle como fun es de controle PID e Relat rios Os sistemas de supervis o possuem a capacidade de executar a gera o de relat rios Criam relat rios em diferentes formatos registrando os dados referentes ao processo Estes relat rios s o baseados no hist rico dos valores das vari veis que est o sendo monitoradas e podem ser arquivados ou impressos Demonstram em quanto foi a produ o da planta e quanto consumiu para tal produ o tamb m fazem o monitoramento da planta relatando quando o equipamento parou por quanto tempo ficou parado etc Deve ser definido quais s o as vari veis presentes no relat rio e Comunica o com Aplicativos O sistema de supervis o deve ser capaz de compartilhar dados com outros aplicativos Por exemplo por meio do protocolo DDE dynamic data exchange o sistema de supervis o pode fazer o uso de vari veis que permitam a troca de informa o com outros programas Em geral os supervis rios possuem conectividade com banco de dados para esta troca de informa
10. cabo de par trancado e imune ao ru do el trico e n o oferece nenhum perigo adicional quando usado em reas classificadas O custo do cabo de fibra ptica da mesma ordem de grandeza que o do cabo coaxial por m os conectores s o muito caros Uma desvantagem dos cabos de fibra ptica ainda a falta de normas industriais o Figura 1 4 Cabo de fibra ptica 1 3 Transmiss o de dados A comunica o pode ser descrita pelo n mero de canais usados para efetuar o fluxo de informac o Os tr s m todos mais comuns de transmiss o de dados s o e Simplex e Half duplex e Full duplex 1 3 1 Comunica o simplex Na comunica o simplex um nico canal usado e h somente um sentido de comunica o do transmissor para o receptor O receptor apenas recebe e n o pode transmitir e o transmissor apenas transmite e n o pode receber Na transmiss o simplex n o poss vel enviar sinais de erro ou de controle do receptor porque o transmissor e o receptor s o dedicados a somente uma fun o Um exemplo t pico de comunica o simplex a transmiss o de r dio Outro exemplo industrial um sistema de aquisi o de dados onde os dados do processo s o enviados para um computador em um nico sentido conforme a Figura 1 5 1 3 2 Comunica o Half duplex A comunica o em dois sentidos permite o receptor verificar que os dados foram recebidos Um tipo de comunica o de dois sentidos
11. chamado backbone compartilhado pelas diversas esta es interconectadas ao backbone usando conectores em forma de T O backbone terminado nas extremidades terminador circuito RC Na topologia em barramento tamb m n o h a necessidade de decis es de roteamento e armazenamentos intermedi rios conforme a Figura 1 8 Vantagens e f cil acrescentar novas esta es de trabalho ou novos n s de comunica o e a topologia que necessita da menor quantidade de cabos suportes de transmiss o e Afalha de uma esta o de trabalho ou n de comunica o n o paralisa a rede Desvantagens e Geralmente deve existir uma dist ncia m nima entre os ramais das esta es de trabalho para evitar a interfer ncia de sinais e Existem dificuldades para a realiza o de diagn sticos da rede e A seguran a da rede pode ser comprometida por um usu rio n o autorizado pois todas as mensagens s o enviadas ao longo de uma pista comum de dados E DRE RPE MEA arames a A Figura 1 8 Topologia em barramento 1 5 4 Configura es h bridas Resultam da associa o de caracter sticas das topologias b sicas anel barramento estrela com o prop sito de superar certas limita es destas ltimas tais como e Incompatibilidade tecnol gica com o meio de transmiss o e Dificuldades de opera o e manuten o e Limita es no n mero de esta es e no alcance das redes e Confiabilidade Algumas dessas redes podem
12. de alta resolu o e livre de distor es assegura precis o do sinal recebido aumentando a confiabilidade do sistema de automa o A rede Foundation Fieldbus H1 tem como principais concorrentes as redes Profibus PA e o protocolo HART Uma das grandes revolu es da rede FF H1 foi estender a vis o da rea de processo at o instrumento e n o at o ltimo elemento inteligente ent o existente que era o CLP ou remota do SDCD A outra revolu o da rede FF H1 foi permitir a migra o das estrat gias de controle do controlador antes representado por uma remota ou CLP para o elemento de campo representados pelos transmissores de temperatura press o etc e pelos atuadores em sua maior parte v lvulas de controle Isto ir permitir que dois ou mais instrumentos estabele am malhas de controle que uma vez configuradas remotamente ir o operar de forma completamente independente do controlador externo Estas estrat gias de controle constituem os chamados blocos de controle Os blocos mais conhecidos s o os de Analog Input Al Analog Output AO Controlador PID PID Digital Input DI e Digital Output DO Outra vantagem da rede FF a redu o de equipamentos necess rios para instalar os instrumentos em uma rea classificada A tecnologia Fieldbus H1 foi baseada no modelo OSI O sistema H1 formado de tr s camadas a camada f sica o stack de comunica o e a camada de usu rio Fazendo a correspond ncia com o modelo OSI
13. de dados Seguran a Intr nseca Eex ia ib e encapsula o Eex d m p q Topologia Barramento ou rvore ou combinadas N mero de Esta es At 32 esta es por segmento m ximo de126 Repetidores At 4 repetidores Classe Prote o Explos o e Meio de transmiss o com fibra ptica Fibra ptica pode ser utilizada pelo PROFIBUS para aplica es em ambientes com alta interfer ncia eletromagn tica ou mesmo com o objetivo de aumentar o comprimento m ximo com taxas de transmiss o elevadas V rios tipos de fibra est o dispon veis com diferentes caracter sticas conforme a Tabela 2 3 tais como dist ncia m xima pre o e aplica o Os segmentos PROFIBUS que utilizam fibra normalmente s o em estrela ou em anel Alguns fabricantes de componentes para fibra ptica permitem o uso de links redundantes com meios f sico alternativo cuja transfer ncia autom tica quando ocorre uma falha Tabela 2 3 Propriedades das fibras ptica Tipo de Fibra Propriedades M dia dist ncia 2a3km Fibra de vidro monomode Longa dist ncia gt 15 km Fibra de vidro multimode Longa dist ncia Fibra sint tica gt 80 km Curta dist ncia gt 500m Fibra PCS HCS Atualmente est o sendo feitos desenvolvimentos para uso de componentes comerciais de 10 e 100 Mbit s como camada f sica para PROFIBUS Links gateway e acopladores s o dispon veis para acoplamen
14. do meio de transmiss o ou seja como os equipamentos est o fisicamente conectados J a estrutura l gica descreve a maneira como a rede transmite a informa o de um equipamento aos demais Os equipamentos de interliga o de redes podem fazem com que a topologia f sica seja diferente da l gica por exemplo quando se utiliza um Hub a topologia f sica em estrela por m a l gica em barramento 1 5 1 Estrela uma das estruturas mais tradicionais Consiste num n de comunica o central que toma todas as decis es de roteamento e por esta es ou n s de comunica o secund rios ligados fisicamente ponto a ponto ao n central conforme a Figura 1 6 Este tipo de topologia pode ser utilizado em outras estrelas para formar topologias de rede hier rquica ou em forma de rvore Vantagens e Facilita o acr scimo de novas esta es de trabalho e Fornece an lises detalhadas da rede f cil realiza o de diagn sticos pois todas as mensagens passam pelo n central o Desvantagens e Uma falha no n de comunica o central resulta em falha geral da rede e A complexidade do n central aumenta com o n mero de n s que est o interconectados ou seja o processador central tem que ser relativamente grande Figura 1 6 Topologia em estrela 1 5 2 Anel Nesta topologia n o h a necessidade de decis es de roteamento As mensagens geradas s o transmitidas de n a n ponto a ponto at atingir o n
15. o A n o ser que um nico protocolo se torne padr o e isso n o vai acontecer necess rio que os fabricantes forne am interfaces para os diversos protocolos em uso Atualmente comum o protocolo se tornar aberto deixando de ser propriet rio Os pontos chave da comunicac o entre dois equipamentos digitais s o 1 Intercambiabilidade 2 Interoperabilidade Intercambiabilidade significa que um transmissor de um fabricante pode ser substitu do por um transmissor de outro fabricante sem qualquer reconfigurac o do sistema Isto desej vel para o usu rio que quer manter no m nimo o custo dos componentes padr o e quer evitar de fazer retreinamento do seu pessoal de manutenc o Por m os usu rios com necessidades al m das caracter sticas da norma podem ter dificuldade de satisfazer estas exig ncias com os componentes padr o dispon veis comercialmente Interoperabilidade significa que um transmissor de um fabricante pode ser usado para substituir um transmissor de outro fabricante mas com alguma reconfigura o do sistema Para haver interoperabilidade o sistema deve ser informado automaticamente do tipo de equipamento que est em uso de modo a se comunicar com o outro com sucesso havendo necessidade de alguma reconfigura o Deste modo a intercambiabilidade vira um subconjunto da interoperabilidade A interoperabilidade permite um fabricante competir no mercado na base de caracter sticas exclusivas para seu
16. para identific lo O TCP foi constru do sobre a abstra o de CONEX O na qual os objetos a serem identificados s o conex es de circuitos virtuais e n o portas individuais As conex es s o identificadas por um par de endpoints Uma conex o consiste de um circuito virtual entre dois programas de aplica o O TCP define um endpoint como um par de inteiros host port onde host o endere o IP para um equipamento e port uma porta TCP nesse computador Exemplo 128 10 2 3 25 especifica a porta TCP n mero 25 na m quina como o endere o 128 10 2 3 Uma conex o est definida por dois endpoints de modo que se h uma conex o entre as m quinas 192 107 104 12 na Universidade Nacional de Ingenieria Nicar gua e 143 54 2 99 na Universidade Federal do Rio Grande do Sul Brasil a conex o deve ser definida pelos endpoints seguintes 192 107 104 12 25 e 143 54 2 99 25 J que TCP identifica uma conex o por um par de endpoints um n mero de porta pode ser compartilhado por m ltiplas conex es na mesma m quina Uma porta pode ser vista como um canal de comunica es para uma m quina Pacotes de informa es chegando a uma m quina n o s o apenas endere adas quela m quina e sim m quina em uma determinada porta CAP TULO III 3 Sistemas supervis rios 3 1 Defini es Atualmente os sistemas de supervis o s o considerados interfaces homem m quina interface entre o operador e o sistema que
17. produto e do conte do do valor agregado ao seu equipamento em vez de simplesmente do custo inicial do equipamento Por m os usu rios sabem que isto complica a situa o e que se uma caracter stica especial est presente ela pode ser usada em qualquer est gio e pode deixar os usu rios sujeitos ao monop lio do fornecedor CAP TULO II 2 Redes industriais A estrutura da automa o industrial baseia se na pir mide organizacional conforme a Figura 2 1 em que s o criadas ilhas restritas de informa es Essas ilhas de informa es caracterizam se por sistemas onde o hardware e o software utilizados s o propriet rios isto na maioria das vezes s o fornecidos por apenas um fabricante fazendo com que o cliente fique vinculado a esse fornecedor Esse tipo de solu o causa enormes preju zos s empresas uma vez que a conectividade e a integra o com outros equipamentos que n o os do pr prio fornecedor tornam se muito complicadas e muitas vezes imposs veis de serem realizadas seja pelo alto custo da solu o ou por uma simples incompatibilidade t cnica A cria o dos chamados gargalos de informa es tamb m uma das complica es geradas por essa estrutura Muitas vezes a informa o necess ria para uma total integra o j existe na f brica e o problema ocorre quando os diversos sistemas devem ser integrados Uma tend ncia nos sistemas atuais a integra o destas ilhas de informa o tanto
18. rie com um capacitor de 1uF atendendo ao padr o resulta em uma imped ncia de linha puramente resistiva para uma ampla faixa de frequ ncia Estes m dulos n o podem ser utilizados em reas que exigem especifica es de seguran a intr nseca O terminador de barramento um elemento passivo formado por um resistor de 1000hms em s rie com um capacitor de 1uF acondicionado em um inv lucro vedado 2 4 Tecnologia Ethernet Ethernet a tecnologia de rede mais utilizada O m todo de acesso Ethernet utiliza o CSMA CD Acesso M ltiplo Sens vel ao Portador com Detec o de Colis o Neste m todo m ltiplas esta es de trabalho acessam o meio de transmiss o Acesso M ltiplo ouvindo at que nenhum sinal seja detectado Sensor de Portadora Ent o elas transmitem e verificam se mais de um sinal est presente Detec o de Colis o Cada esta o tenta transmitir quando ela acredita que a rede est livre Se houver uma colis o cada esta o tenta retransmitir ap s uma espera de tempo predefinida que diferente para cada esta o de trabalho Detec o de Colis o uma parte essencial do m todo de acesso CSMA CD Cada esta o de trabalho transmissora precisa ser capaz de detectar quais transmiss es simult neas e portanto perda de dados est ocorrendo Uma esta o de trabalho pode dizer que ocorreu uma colis o se ela n o receber a sua transmiss o de volta ap s um certo intervalo de tempo fra es
19. se deu na dire o de uma topologia estrela com par tran ado No entanto a velocidade da rede e o tipo da aplica o podem minimizar ou solucionar este problema V se a seguir como estes problemas podem ser superados com as novas defini es para a rede Ethernet Aumento da velocidade a velocidade original da rede Ethernet era de 10 Mbit s por m velocidades como 100 Mbit s hoje s o facilmente encontradas al m disso a GigaBit Ethernet uma tecnologia emergente e j definida na especifica o 802 3z da IEEE Estabelecimento de prioridades para envio de dados aos equipamentos poss vel definir a prioridade das mensagens dentro da rede garantindo assim o recebimento de dados de modo determin stico Este mecanismo definido dentro da norma como IEEE 802 1p Transmiss o e recep o bidirecional a norma IEEE 802 3x permite a transmiss o e recep o simult nea bidirecional atrav s dos cabos que suportem este tipo de comunica o conhecido como Full Duplex Uso de Switches em redund ncia na troca de dados entre switches em redund ncia a comunica o realizada em full duplex sem CSMA CD isto significa que n o ser o transferidas nem colis es nem pacotes defeituosos Isto faz com que a rede se torne determin stica e reduzem a probabilidade de colis o de dados 2 5 TCP IP O modelo TCP IP constitu do basicamente por duas 2 camadas a camada de rede e a camada de transporte Tanto a camada de aplica
20. ser anel estrela barramento estrela multianel rvore de barramentos entre outras 1 6 Equipamentos de interligac o de redes Repetidor Dispositivo n o inteligente que simplesmente copia dados de uma rede para outra fazendo com que as duas redes se comportem logicamente como uma rede nica S o usados para satisfazer restri es quanto ao comprimento do cabo por exemplo Hubs Servem para conectar os equipamentos que comp em uma LAN Os equipamentos interligados a um hub pertencem a um mesmo segmento de rede Se tivermos 10 usu rios em um segmento de 100Mbps cada usu rio usufruir em m dia de 10Mbps Cada hub possui de 4 a 24 portas 10Base T com conectores RJ 45 Ponte Bridge Segmenta uma rede local em sub redes com o objetivo de reduzir tr fego ou converter diferentes padr es de camadas de enlace Ethernet para Token Ring por exemplo Switch S o os dispositivos de mais amplo espectro de utiliza o para segmentar a rede a baixo custo sem necessidade de roteamento Sua maior limita o est em n o permitir broadcasting entre segmentos Roteador Usado para interligar duas redes que possuem a mesma camada de transporte mas camadas de rede diferentes Os roteadores decidem sobre qual caminho o tr fego de informa es controle e dados deve seguir Gateway Usado para dar acesso rede a um dispositivo n o OSI na realidade um conversor de protocolos 1 7 M todos de acesso ao meio Acesso ao m
21. tran ado STP O cabo coaxial consiste de um fio condutor el trico envolvido por material isolante el trico e por uma blindagem met lica condutora r gida em forma de tubo conforme a Figura 1 3 Em muitos casos o cabo inteiro coberto por um isolante O condutor central e o tubo circular externo s o coaxiais ou seja ambos compartilham o mesmo eixo central O cabo coaxial usado nos sistemas r og ta gt e 7 de comunica o Os cabos coaxiais s o usados em aplica es de automa o de processo onde h grandes dist ncias envolvidas para melhorar a imunidade aos ru dos eletromagn ticos Coaxial Cable Plastic Insulation BNG Connector Speed and throughput 10 100 Mbps Average per node Inexpensive Media and connector size Medium Maximum cable length 500m medium Figura 1 3 Cabo coaxial 1 2 3 Cabo de fibra ptica O cabo de fibra ptica consiste de pequenas fibras de vidro ou pl stico conforme a Figura 1 4 Em uma extremidade pulsos el tricos s o convertidos em luz por um foto diodo e enviados atrav s do cabo ptico de fibra Na outra extremidade do cabo um detector de luz converte os pulsos de luz de volta para pulsos el tricos Os sinais de luz podem viajar somente em uma dire o de modo que uma transmiss o de dois sentidos requer dois cabos de fibra separados Um cabo de fibra ptica tem normalmente o mesmo di metro que o
22. ISO a camada f sica corresponde camada f sica do modelo OSI O stack de comunica o cont m a camada de acesso ao meio a camada de aplica o que o Fieldbus Message Specification FMS e o Fieldbus Access Sublayer FAS que mapeia o FMS nas fun es da DLL A camada de usu rio do fieldbus inexistente no modelo OSI A camada de aplica o utiliza o conceito de blocos para realizar todas suas fun es Existem tr s tipos de blocos b sicos blocos de recursos e blocos de transdutores utilizados para configurar os dispositivos e blocos de fun o utilizados para construir a estrat gia de controle Os blocos de transdutor servem para desacoplar os blocos de fun o das fun es de interface com o sensor de campo Eles podem executar a uma frequ ncia superior dos blocos de fun o Apesar de vis veis eles n o podem ser conectados via ferramenta de configura o Os blocos de recurso descrevem as caracter sticas f sicas do dispositivo Alguns de seus par metros s o ID do fornecedor vers o do dispositivo caracter sticas capacidade de mem ria etc Os blocos de fun o determinam o comportamento do sistema As entradas e sa das dos blocos de fun o podem ser interligadas para configurar uma estrat gia de controle A execu o de cada bloco de fun o pode ser precisamente escalonada pelo sistema Os dez principais blocos de fun o est o na Tabela 2 4 Tabela 2 4 Blocos de fun o Entrada Anal gi
23. a n vel horizontal quanto vertical Nesse sentido a utiliza o de Ethernet e um protocolo padr o como o TCP IP facilita em muito a integra o desses dados A outros n veis N VEL DE PLANTA Planta Rede de Controle N VEL DE y A 1 contro N VEL DE Rede de CAMPO Campo Figura 2 1 Estrutura da automa o industrial Em fun o dos dispositivos conectados poss vel dividir as redes industriais em tr s tipos conforme a Figura 2 2 e Redes de Sensores ou Sensorbus s o redes apropriadas para interligar sensores e atuadores discretos tais como chaves limites limit switches contactores S o exemplos de rede Sensorbus ASI Seriplex CAN e LonWorks e Redes de Dispositivos ou Devicebus s o redes capazes de interligar dispositivos mais gen ricos como CLPs outras remotas de aquisi o de dados e controle conversores AC DC rel s de medi o inteligentes drivers dos mais variados Exemplos Profibus DP DeviceNet Interbus S SDS LonWorks CAN ControlNet ModbusPlus e Redes de Instrumenta o ou Fieldbus S o redes concebidas para integrar instrumentos anal gicos no ambiente industrial como transmissores de vaz o press o temperatura v lvulas de controle entre outros instrumentos Exemplos Foundation Fieldbus H1 HART e Profibus PA Ethernet Controle de Processo Fieldbus DeviceBus Sensorbus Controle L gico Dispositiv
24. ao meio e a camada 7 application layer define as fun es de aplica o Os perfis de comunica o PROFIBUS Communication Profiles usam um protocolo uniforme de acesso ao meio Este protocolo implementado pela camada 2 do modelo de refer ncia da OSI Isto inclui tamb m a seguran a de dados e a manipula o dos protocolo de transmiss o e mensagens No PROFIBUS a camada 2 chamada Fieldbus Data Link FDL O Controle de Acesso ao meio MAC especifica o procedimento quando uma esta o tem a permiss o para transmitir dados O MAC deve assegurar que uma nica esta o tem direito de transmitir dados em um determinado momento O protocolo do PROFIBUS foi projetado para atender os dois requisitos b sicos do Controle de Acesso ao Meio Durante a comunica o entre sistemas complexos de automa o mestres deve ser assegurado que cada uma destas esta es det m tempo suficiente para executar suas tarefas de comunica o dentro de um intervalo definido e preciso de tempo determinismo no tempo Por outro lado a transmiss o c clica de dados em tempo real dever ser implementada t o r pida e simples quanto poss vel para a comunica o entre um controlador program vel complexo e seus pr prios dispositivos de I O s escravos Portanto o protocolo PROFIBUS de acesso ao barramento inclui o procedimento de passagem do Token que utilizado pelas esta es ativas da rede mestres para comunicarem se uns com os outros e o
25. ar esta comunica o h brida s o denominados smart O sinal Hart modulado em FSK Frequency Shift Key e sobreposto ao sinal anal gico de 4 20 mA Para transmitir 1 utilizado um sinal de 1 mA pico a pico na frequ ncia de 1200 Hz e para transmitir O a frequ ncia de 2400 Hz utilizada conforme a Figura 2 4 A comunica o bidirecional Este protocolo permite que al m do valor da PV vari vel de processo outros valores significativos sejam transmitidos como par metros para o instrumento dados de configura o do dispositivo dados de calibra o e diagn stico O sinal FSK cont nuo em fase n o impondo nenhuma interfer ncia sobre o sinal anal gico HART signal 20 q 4200 2200 Analogue signal Command q R Response Time Figura 2 4 Sinal Hart sobreposto ao sinal 4 20 mA A topologia pode ser ponto a ponto ou multiponto O protocolo permite o uso de at dois mestres O mestre prim rio um computador ou CLP ou multiplexador O mestre secund rio geralmente representado por terminais hand held de configura o e calibra o conforme a Figura 2 5 Figura 2 5 Terminais hand held de configura o e calibra o Deve haver uma resist ncia de no m nimo 230 ohms entre a fonte de alimenta o e o instrumento para a rede funcionar O terminal hand held deve ser inserido sempre entre o resistor e o dispositivo de cam
26. atrav s do meio que pode transportar a informa o em somente uma dire o em um determinado momento 1 2 Meio f sico de transmiss o O meio f sico de transmiss o cai em tr s categorias gen ricas e Par tran ado e Cabo coaxial e Cabo de fibra ptica 1 2 1 Par tran ado O par tran ado consiste de dois fios condutores el tricos cada um coberto por isolante Os dois fios s o tran ados juntos para garantir que eles est o igualmente expostos aos mesmos sinais de interfer ncia no ambiente Como os fios transportam corrente em sentidos opostos par tran ado a interfer ncia el trica tende a se cancelar no cabo O par tran ado o cabo mais comum usado em sistemas de automa o Ele o meio mais barato e fornece adequada imunidade interfer ncia eletromagn tica Os dois tipos de cabo de pares tran ados s o e N o revestido comum ou UTP conforme a Figura 1 1 e Revestido comum ou STP conforme a Figura 1 2 Unshielded Twisted Pair UTP Shielded Twisted Pair STP Color Coded Plastic Insulation Erem 0 Speed and throughput 10 100 Mbps Average per node Least Expensive Media and connector size Small Maximum cable length 100m short Figura 1 1 Par tran ado UTP 1 2 2 Cabo coaxial Speed and throughput 10 100 Mbps Average per node Moderately Expensive Media and connector size Medium to Large Maximum cable length 100m short Figura 1 2 Par
27. az Por m a ISO tem tamb m produzido normas para todas as camadas embora elas n o fa am parte deste modelo Cada uma delas foi publicada como uma norma internacional separada 1 Camada de Aplica o Proporciona servi os para os processos dos usu rios finais a camada mais alta do modelo OSI n o oferecendo servi os a nenhuma outra camada Entre os protocolos de aplica o mais importantes para a rea de automa o temos o FTAM e o MMS 2 Camada de Apresentac o Formata os dados de tal forma a compatibiliz los com a camada de aplicac o S o exemplos de fun es implementadas por esta camada convers o de c digos ASCII para EBCDIC exemplo criptografia para seguranca de dados compress o de dados etc Um dos servicos fornecidos o de terminal virtual que fornece um mapeamento dos recursos de um terminal real para outro virtual 3 Camada de Sess o Prov o gerenciamento de di logos sincronizando conversa es quando um n fim mant m mais de uma conex o l gica com outro nodo fim Foi padronizada pela norma ISO 8372 Um exemplo seria quando o estudante A estabelece uma conex o telef nica com o estudante B e v rias pessoas em cada casa desejam participar da conversa o atrav s de extens es telef nicas Os estudantes desejam conferir seus trabalhos de casa as m es querem trocar receitas e os pais falar de neg cios Cada conversa o constitui uma sess o 4 Camada de Transporte a re
28. ca Sa da Anal gica Polariza o Seletor de Controle Entrada Discreta Sa da Discreta Carga Manual Proporcional Derivativo Proporcional Integral Derivativo Raz o Transmissores simples de temperatura press o etc possuem um nico bloco Al Uma v lvula de controle pode conter um bloco PID al m do bloco AO Tanto a FF H1 como a rede Profibus PA tem sua camada f sica padronizada pela norma IEC 61158 2 Os sinais H1 s o codificados utilizando codifica o Manchester Bifase L Trata se de uma comunica o s ncrona que envia os sinais de dados combinados com o rel gio As regras b sicas para valida o de uma rede FF H1 s o gt A rede formada por uma linha tronco com deriva es spurs A linha tronco deve ser terminada por um terminador passivo gt O comprimento m ximo da linha tronco e da soma de todas as deriva es de 1900m gt n mero de instrumentos na rede pode ser de 2 a 32 instrumentos numa conex o n o intrinsecamente segura com fonte de alimentac o separada do sinal de alimenta o de 1 a 12 instrumentos quando a aplica o n o requer Sl e os instrumentos s o alimentados pelo cabo de sinal de 2 a 6 instrumentos para aplica es de SI quando os instrumentos recebem a sua alimenta o diretamente do cabo de comunica o gt Repetidores podem ser utilizados para regenerar o sinal ap s excedida especificac o de dist ncia m xima O n mero m
29. dados ser o enviados com sucesso pois realiza transmiss es orientadas conex o Quando executado utiliza o protocolo IP n o orientado conex o O TCP ent o fica respons vel pelo controle dos procedimentos da transfer ncia segura de dados A confiabilidade nas transmiss es via TCP est baseada no fato de que esse protocolo orientado conex o e trabalha com n meros de reconhecimento sequenciais e positivos O TCP do equipamento de origem transfere os dados em forma de octetos onde a cada octeto v o sendo atribu dos n meros em sequ ncia O TCP do equipamento de destino analisa ent o esses n meros para garantir a ordem e a integridade da mensagem enviada Se a transfer ncia for perfeita o TCP do equipamento destino envia uma mensagem de reconhecimento origem Caso contr rio enviada uma sequ ncia num rica para o TCP do equipamento de origem que informar o tipo do problema bem como ordenar uma nova transmiss o Os n meros em sequ ncia podem ser utilizados ainda para eliminar octetos duplos que por causa da transmiss o n o orientada conex o podem ocorrer O TCP da origem possui um timer para garantir que n o se perca muito tempo entre uma mensagem errada e sua corre o Ent o quando o TCP origem recebe uma mensagem de erro ocorre um time out e o reenvio da mensagem O TCP usa n mero de portas para identificar o ltimo destino em uma m quina A cada porta associado um n mero inteiro pequeno
30. de segundo Se uma colis o detectada um sinal de congestionamento propagado para todos os n s Cada esta o que detectar a colis o dever esperar um certo per odo de tempo rand mico e em seguida tentar novamente No CSMA CD os n s permanecem escutando a rede enquanto enviam dados O emissor escutando a rede capaz de perceber a ocorr ncia de colis es quando uma ocorre ele p ra a transmiss o e envia um sinal de 48 bits notificando as demais esta es da ocorr ncia H um per odo de espera e o n tenta novamente Evita se a ocorr ncia de colis es sucessivas pela t cnica binary exponential backoff onde os tempos de espera s o duplicados por cada colis o ocorrida interessante perceber que para detectar as colis es efetivamente o tamanho dos pacotes deve ser tal que seu tempo de transmiss o seja maior que o dobro do atraso de propaga o Do contr rio um n pode acabar sua transmiss o sem que o sinal de colis o seja recebido em tempo O CSMA CD n o determin stico sendo imposs vel prever com exatid o seu comportamento e Ethernet Industrial A rede Ethernet passou por uma longa evolu o nos ltimos anos constituindo a rede de melhor faixa e desempenho para uma variada gama de aplica es industriais A Ethernet foi inicialmente concebida para ser uma rede de barramento 100Base 5 com conectores do tipo vampiro piercing mas este sistema mostrou se de baixa praticidade A evolu o
31. dem se interconectar desde o n vel de campo at o n vel de c lulas O PROFIBUS um sistema multi mestre e permite a opera o conjunta de diversos sistemas de automa o engenharia ou visualiza o com seus respectivos dispositivos perif ricos por ex 1 0 s O PROFIBUS diferencia seus dispositivos entre mestres e escravos Dispositivos mestres determinam a comunicac o de dados no barramento Um mestre pode enviar mensagens sem uma requisi o externa sempre que possuir o direito de acesso ao barramento o token Os mestres tamb m s o chamados de esta es ativas no protocolo PROFIBUS Os dispositivos escravos s o dispositivos remotos de periferia tais como m dulos de I O v lvulas acionamentos de velocidade vari vel e transdutores Eles n o t m direito de acesso ao barramento e s podem enviar mensagens ao mestre ou reconhecer mensagens recebidas quando solicitados Os escravos tamb m s o chamados esta es passivas J que para executar estas fun es de comunica o somente uma pequena parte do protocolo se faz necess ria sua implementa o particularmente econ mica O PROFIBUS baseado em padr es reconhecidos internacionalmente sendo sua arquitetura de protocolo orientada ao modelo de refer ncia OSI conforme o padr o internacional ISO 7498 Neste modelo a camada 1 n vel f sico define as caracter sticas f sicas de transmiss o a camada 2 data link layer define o protocolo de acesso
32. e o tempo de ciclo do programa do CLP que em muitas aplica es em torno de 10 ms Al m da transmiss o c clica de dados de usu rio PROFIBUS DP proporciona fun es de diagn stico e configura o A comunica o de dados controlada por fun es de monitora o tanto no mestre como no escravo O PROFIBUS DP requer aproximadamente 1 ms a 12 Mbit s para a transmiss o de 512 bits de dados de entrada e 512 bits de dados de sa da distribu dos em 32 esta es e Perfil f sico Physical Profile A aplica o de um sistema de comunica o industrial amplamente influenciada pela escolha do meio de transmiss o dispon vel Assim sendo os requisitos de uso gen rico tais como alta confiabilidade de transmiss o grandes dist ncias a serem cobertas e altas velocidades de transmiss o soma se s exig ncias espec ficas da rea automa o de processos tais como opera o em rea classificada transmiss o de dados e alimenta o no mesmo meio f sico etc Partindo se do princ pio de que n o poss vel atender a todos estes requisitos com um nico meio de transmiss o existem atualmente tr s tipos f sicos de comunica o dispon veis no PROFIBUS e Meio de transmiss o RS 485 O padr o RS 485 a tecnologia de transmiss o mais frequentemente encontrada no PROFIBUS Sua aplica o inclui todas as reas nas quais uma alta taxa de transmiss o aliada a uma instala o simples e barata s o necess rias Um par t
33. e um sistema para outro ou seja o compartilhamento e interconex o de recursos de hardware e software geograficamente dispersos a n vel local Em controle de processo esta informac o chamada de dado do processo ou simplesmente dado Um entendimento da comunicac o de dados essencial para a aplicac o apropriada dos instrumentos digitais 1 1 Tipos de sinais O dados s o transmitidos atrav s de dois tipos de sinais e Banda base e Banda larga BANDA BASE Em um sistema de banda base a transmiss o de dados consiste de uma faixa de sinais enviada no meio de transmiss o sem ser transladada em frequ ncia Uma chamada telef nica um exemplo de transmiss o de banda base Um sinal de voz humana na faixa de 300 a 3000Hz transmitida atrav s da linha telef nica na faixa de 300 a 3000Hz Em um sistema de banda base h somente um conjunto de sinais no meio em um determinado momento BANDA LARGA Uma transmiss o em banda larga consiste de m ltiplos conjuntos de sinais Cada conjunto de sinais convertido para uma faixa de frequ ncia que n o interfere com outros sinais no meio A televis o por cabo um exemplo de transmiss o por banda larga Tr s componentes b sicos s o requeridos em qualquer sistema de comunica o de dados e Transmissor que gera a informa o e Receptor que detecta os dados e Meio para transportar os dados O meio pode ser dividido em mais de um canal Um canal definido como o caminho
34. eio o processo de controle da rede que define as regras que determinam quando os equipamentos da rede podem transmitir Os tr s m todos de acesso ao meio mais utilizados de s o Passagem da Ficha Token Passing um conjunto de dados denominado token transmitido de modo ordenado de um equipamento para outro conforme a Figura 1 9 A passagem do token distribui o controle de acesso entre os dispositivos da rede Cada um deles sabe de qual dispositivo est recebendo o token e para onde deve pass lo Cada equiapamento recebe periodicamente o controle do token realiza suas tarefas e retransmite o token para que outro equipamento o utilize Os protocolos limitam o tempo que cada dispositivo tem para controlar o token Network Device Network Device Figura 1 9 Passagem da ficha e Polling este m todo designa um dispositivo chamado de mestre como um controlador de acesso ao meio de transmiss o conforme a figura 1 10 Este dispositivo consulta cada um dos dispositivos chamados de escravos numa determinada sequ ncia preestabelecida Figura 1 10 Polling e Detec o de Colis o neste m todo o acesso ao meio deve ser permitido para o primeiro que chegar O sistema de disputa projetado para que todos os dispositivos da rede possam transmitir sinais sempre que desejarem conforme a Figura 1 11 Como consequ ncia ocorrem colis es entre mensagens o n mero de colis es aumenta geometricame
35. fornecem informa es qualificadas ao operador As informa es de alarme e de monitoramento dos processos que antes eram vistas em grandes pain is hoje s o mostradas de forma mais sofisticada na tela de um computador A Figura 3 1 ilustra esta situa o A planta que est conectada ao computador monitorada por um software de supervis o capaz de fornecer informa es relevantes sobre o sistema de controle e de sensoriamento do processo Na figura est apresentada a parte f sica e a parte de supervis o Nota se que o controle da planta realizado por um CLP unidade inteligente que est conectado aos circuitos sensores e atuadores O CLP tamb m possui um cabo de comunica o com o supervis rio em destaque na Figura 3 1 Na tela do computador s o apresentadas as anima es gr ficas do processo em quest o que se trata de um processo de extrus o Figura 3 1 Exemplo de Supervis o de Sistema Um sistema de supervis o pode ser caracterizado por duas fun es b sicas a supervis o e a opera o A supervis o o monitoramento do sistema na supervis o as informa es obtidas da planta s o disponibilizadas na tela do computador Tais informa es refletem os valores de vari veis anal gicas e digitais e os eventos de acionamento que possam ocorrer Para esta fun o de supervis o s o utilizadas ferramentas gr ficas que mostram de forma visual os acontecimentos no processo A opera o uma fun o da
36. hamada de tela de sintonia e nesta tela que se isola a malha de controle para executar a sintonia de um controle PID por exemplo Para auxiliar esta sintonia ainda pode ocorrer o aux lio de uma tela de registro onde as vari veis de interesse t m seus valores apresentados de forma gr fica Telas de Registro executa o registro de uma determinada vari vel seja vari vel de processo ou vari vel interna do controle Existem dois tipos de telas de registro registro em tempo real e registro hist rico As telas de registro em tempo real t m uma abrang ncia de tempo de segundos ou algumas horas fazendo a aquisi o dos valores e um curto espa o de tempo Enquanto que as telas de registro hist rico t m uma abrang ncia de tempo maior que pode chegar a uma semana e aquisi o dos valores feita em intervalos maiores de tempo A Figura 3 5 mostra um exemplo de tela de registro S o registradas ao mesmo tempo 4 vari veis no gr fico de tend ncia algumas s o vari veis internas do controle e outras s o as pr prias vari veis de processo A an lise destes valores permite ao operador visualizar o hist rico das vari veis conferindo a oportunidade de conhecer melhor o comportamento do processo Tamb m poss vel armazenar as informa es apresentadas em gr ficos deste tipo em forma de um arquivo de hist rico do processo podendo assim gerar relat rios por meio de arquivos salvos em disco ou por meio de impress es Fi
37. icamente os eventos do processo e ainda trocar par metros dos controles conseguindo o operador desta forma fazer o monitoramento e a operac o do processo As Figuras 3 3 e 3 4 mostram o sin tico de uma planta did tica miniaturizada montada sobre uma base esta planta executa um processo de extrus o Na Figura 3 3 observa se a planta fisicamente No painel encontra se a parte el trica e a parte de controle representada pelo CLP Na base encontra se a extrusora miniaturizada que a parte f sica da planta mostrada no sin tico da Figura 3 4 Figura 3 3 Extrusora a ser Supervisionada A Figura 3 4 mostra o sin tico da planta que faz o processo de extrus o Pode ser observado no lado direito da tela o objeto de anima o gr fica que representa a pr pria extrusora Como um dos objetivos da supervis o informar a respeito do processo nota se o rigor com o efeito visual da animac o onde todos os componentes s o representados em detalhes at mesmo com as respectivas simbologias Outros componentes que devem ser observados na tela s o os gr ficos ou telas de tend ncia que mostram os valores das vari veis de processo e tamb m de valores referentes ao controle da planta Podem ser observados ainda bot es de acionamento no canto esquerdo e na parte inferior da tela que mostram a intera o que o operador tem com o processo e que compete ao sistema de supervis o proporcionar Ainda pode ser observada uma janela na parte infe
38. icas a planta representada dinamicamente Cada sin tico representa uma rea de processos e quando o processo muito complexo pode se fazer o uso de sub sin ticos ou sin ticos de hierarquia inferior para representar a planta como um todo A Figura 3 2 mostra um exemplo de sin tico onde mostrado todo o processo de uma planta system VANA VA VA A 8009 a my QQ 2 JE LOGIN HOME SIN TICO 0265 HIST RICO ALARME IMPRIMIR CONSUMO TQ 1 wa AREA n E 31 1 _ 31 mol E E E EE pv RESERVAT RIO te g BOMBA 01 Ea o EE 15 Loca O a REMOTO ono PoR 7 20 41 PM 9 26 2005 Bot o Emerg ncia Emerg ncia Liberada 26 09 05 7 20 41 PM 9 26 2005 Chave de N vel N vel OK DESATIVAR E 102233 Figura 3 2 Sin tico de Planta Adaptada de SMAR No sin tico apresentado na Figura 3 2 podem ser observados os objetos gr ficos referentes parte f sica da planta e os objetos textuais referentes parte de controle Para representar a parte f sica da planta fazem parte do sin tico os objetos gr ficos que representam os tanques reservat rio as v lvulas as bombas os transmissores a conex o hidr ulica Para representar a parte de controle observam se caixas de texto onde est o os valores das vari veis e os par metros de controle Por meio do sin tico desta planta poss vel observar dinam
39. is est o gt O TAG da vari vel que o nome pelo qual a vari vel identificada gt A descri o da vari vel para que fun o se destina a vari vel acionamento de um motor informa o a respeito da temperatura de alguma parte do processo gt O endere o da vari vel na unidade inteligente Como a vari vel reflete a medi o de algum equipamento de campo sensor atuador controle se deve saber qual o endere o desta vari vel na unidade inteligente que faz a aquisi o dos dados e o controle do processo Quando se trata de uma vari vel discreta os valores que podem ser assumidos s o apenas os n veis l gico O zero ou 1 um e neste caso outros atributos podem ser importantes por exemplo como a descri o do estado da vari vel 0 ou 1 aberto ou fechado ligado ou desligado etc Quando se trata de uma vari vel anal gica pode ser assumido qualquer valor dentro de uma faixa de operac o esta informac o em geral digitalizada por um converso anal gico digital na unidade inteligente Atributos que podem ser significativos para este tipo de elemento do supervis rios s o a unidade da vari vel metros m3 h psi bar mmH gt O Hg etc e os limites de opera o faixa superior e inferior da vari vel e Programa o Os sistemas de supervis o possuem fun es que permitem o desenvolvimento de programas tamb m no software de supervis o Permite a cria o de programas que s o
40. ndepend ncia do fabricante A descri o das fun es e o comportamento dos dispositivos est o baseados no internacionalmente reconhecido modelo de Blocos Funcionais Function Block Model As defini es e op es do perfil de aplica o PA tornam o PROFIBUS um conveniente substituto para transmiss o anal gica com 4 a 20 mA ou HART O PROFIBUS tamb m permite medir e controlar em malha fechada processos industriais atrav s de um nico par de cabos al m de efetuar manuten o e conex o desconex o de dispositivos durante a opera o at mesmo em reas perigosas O perfil PROFIBUS PA foi desenvolvido em coopera o conjunta com os usu rios da ind stria de processos NAMUR e possui os seguintes requisitos especiais para trabalho nestas reas de aplica o gt Perfil de aplica o padronizado para automa o e controle de processo e intercambiabilidade de dispositivos de campo entre diferentes fabricantes gt Inser o e remo o de esta es dispositivos mesmo em reas intrinsecamente seguras sem influenciar outras esta es gt Alimenta o dos dispositivos tipo transmissores executada via o pr prio barramento conforme o padr o IEC 61158 2 gt Possibilidade de uso em reas potencialmente explosivas com prote es do tipo intr nseca ou encapsulada O PROFIBUS especifica as caracter sticas t cnica e funcionais de um sistema de comunica o industrial atrav s do qual dispositivos digitais po
41. nnccnnncccccnnnc nn 8 Comunica o Half duplex 8 Comunica o Full duplex erre ereeacareaaaa rea naeaanaa aa aaaa nana naaaana ana 8 Tipos de redes de computadores rear rn 9 9 A E O NN 10 A E E A 10 Baname sa a MARS ada nte en dada du 12 12 Equipamentos de interliga o de 5 13 M todos de acesso 00 MelO iii aca 13 Modelo de refer ncia OS iii nica ds 15 PrOLOCOIOS cocoa adios 17 Redes industnaiS Weir ais 19 Turina aos 21 PROFIBUS Process Field Bus icerisinde 24 Foundation Fl 29 Tecnologia Elio motion aio 33 TOP llPucanors ts 34 Pisa 35 36 Sistemas supervis rios ooononnncccinncnnicinnnncccnnrnn nr 38 SA 38 Elementos de um sistema de supervis o isentar 39 Exemplos de sin ticos nora ttit cnn rr 41 Tipos de 43 CAP TULO 1 Principio de comunicac o de dados O objetivo da comunicac o transferir a informac o de um ponto para outro ou d
42. nte com o aumento dos equipamentos na rede Tempo desperdi ado Tempo desperdi ado Figura 1 11 Detec o de colis o 1 8 Modelo de refer ncia OSI Com o objetivo de uniformizar os padr es e modelos adotados pelos protocolos de rede foi desenvolvido o Modelo de refer ncia OSI Open Systems Interconnection Este modelo baseado na proposta da International Standards Organization ISO como um primeiro passo na dire o da padronizac o internacional dos v rios protocolos O modelo trata dos sistemas abertos de conex o ou seja sistemas que s o abertos para comunicac o com outros sistemas Por comodidade chamado de modelo OSI O sistema OSI tem sete camadas e Uma camada deve ser criada onde um diferente n vel de abstra o necess rio e Cada camada deve fazer uma fun o bem definida e A fun o de cada camada deve ser escolhida tendo em vista os protocolos padr o definidos internacionalmente e Os limites das camadas devem ser escolhidos para minimizar o fluxo de informa o atrav s das interfaces e O n mero de camadas deve ser grande suficiente para distinguir que as fun es necess rias n o sejam lan adas juntas na mesma camada fora da necessidade e pequeno suficiente para a arquitetura n o se tornar grande demais O modelo OSI em si n o uma arquitetura de rede porque ela n o especifica os servi os e protocolos exatos a serem usados em cada camada Ela simplesmente diz o que cada camada f
43. nvolvido pelo instituto alem o PTB Physikalisch Technische Bundesanstalt Instituto Tecnol gico de F sica e hoje internacionalmente reconhecida como o modelo b sico para barramentos em reas classificadas A transmiss o baseada nos seguintes princ pios e frequentemente referida como H1 cada segmento possui somente uma fonte de energia a fonte de alimenta o gt Alimenta o n o fornecida ao barramento enquanto uma esta o est enviando gt Os dispositivos de campo consomem uma corrente b sica constante quando em estado de repouso gt Os dispositivos de campo agem como consumidores passivos de corrente sink gt Uma termina o passiva de linha necess ria em ambos fins da linha principal do barramento gt Topologia linear rvore e estrela s o permitidas No caso da modula o sup e se que uma corrente b sica de pelo menos 10 mA seja consumida por cada dispositivo no barramento Atrav s da energiza o do barramento esta corrente alimenta os dispositivos de campo Os sinais de comunica o s o ent o gerados pelo dispositivo que os envia por modula o de 9 mA sobre a corrente b sica Tabela 2 2 Caracter sticas da 61158 2 Transmiss o de Dados Digital sincronizado a bit c digo Manchester Taxa de Transmiss o 31 25 Kbit s modo tens o Seguran a de Dados Pre amble error proof start e end limiter Cabos Par tran ado blindado Alimenta o Remota Opcional via linha
44. ok com technical htm Acesso em 14 11 2006 Lopez A Sistemas de Redes para Controle e Automa o Book Express Rio de Janeiro 2000 OPC www opcfoundation org Acesso em 05 12 2006 PROFIBUS www profibus com Acesso em 20 11 2006 Ros rio Jo o Maur cio Princ pios de Mecatr nica Prentice Hall S o Paulo 2005 Tanenbaum Andrew S Redes de Computadores Campus Rio de Janeiro 1997
45. os Na comunica o de dados digitais as coisas acontecem de modo mais complicado que na comunica o anal gica pois se quer usar a capacidade digital de comunica o de e Transmitir v rios sinais simultaneamente e modo bidirecional e Em um nico meio fio tran ado cabo coaxial cabo de fibra ptica e De modo compartilhado por todos os sinais de informa o Em vez de sinal fala se de protocolo Protocolo um conjunto de regras sem nticas e sint ticas que determina o comportamento de instrumentos funcionais que devem ser interligados para se ter uma comunica o entre eles Na arquitetura OSI protocolo o conjunto de regras que determina o comportamento de entidades na mesma camada para se comunicarem Muitos protocolos s o propriet rios ou seja o protocolo foi desenvolvido por determinado fabricante isolado ou em conjunto com outros fabricantes Somente o fabricante pode legalmente fabricar e usar o equipamento com este protocolo A n o ser que sejam desenvolvidas interfaces especiais instrumentos com diferentes protocolos n o podem ser interligados para uso em uma mesma rede A raz o mais bvia para a variedade de protocolos que eles t m sido projetados para diferentes aplica es em mente e otimizados para caracter sticas espec ficas tais como seguran a baixo custo alto n mero de dispositivos conectados Portanto cada protocolo pode ter vantagens para atender prioridades de uma determinada aplica
46. os Simples Dispositivos Complexos Bit Byte Bloco Tipo de Mensagem Figura 2 2 Tipos de redes de campo Em rela o faixa de aplica o a ethernet possui a maior faixa das redes existentes conforme pode ser observado na Figura 2 3 Em fun o disso ela tende a ser cada vez mais utilizada em redes de campo Embora a Ethernet n o tenha sido desenvolvida para ser uma rede industrial pela sua caracter stica de ser n o determin stica no tempo ela j possui padr es desenvolvidos para um ambiente industrial conforme ser visto mais adiante Faixa de Aplicac o de Redes 2 H E amp e 2 ba m E E Q A o 5 a E Z H 2 2 D n 3 q B A E E H H 3 4 2 A os 2 gt H D E H 3 a 58 E H E a Discreto Aplica es Processo Figura 2 3 Faixa de atua o das redes de campo O protocolo Hart Highway Addressable Remote Transducer foi introduzido pela Fisher Rosemount em 1980 Em 1990 o protocolo foi aberto comunidade e um grupo de usu rios foi fundado A grande vantagem oferecida por este protocolo possibilitar o uso de instrumentos inteligentes em cima dos cabos 4 20 mA tradicionais Como a velocidade baixa os cabos normalmente usados em instrumenta o podem ser mantidos Os dispositivos capazes de execut
47. po conforme mostrado na Figura 2 6 O resistor em s rie em geral j parte integral de cart es de entrada de controladores single loop e cart es de entrada de remotas e portanto n o necessita ser adicionado Outros dispositivos de medi o s o inseridos em s rie no loop de corrente o que causa uma queda de tens o em cada dispositivo Para a liga o de dispositivos de sa da a uma sa da anal gica n o necess rio um resistor de shunt Fonte de Alimenta o Terminal Port til Figura 2 6 Exemplo de liga o da rede O protocolo HART pode utilizar diversos modos de comunica o O modo b sico o mecanismo mestre escravo Cada ciclo de pedido e recebimento de valor dura cerca de 500 ms o que implica na leitura de dois valores por segundo Na topologia ponto a ponto um segundo mecanismo de transfer ncia de dados poss vel O instrumento pode enviar de forma aut noma e peri dica o valor de uma vari vel por exemplo a No intervalo entre estes envios o mestre pode executar um ciclo de pergunta e resposta A taxa de transmiss o neste caso se eleva para 3 ou 4 por segundo Este modo denominado burst ou broadcast mode O mestre pode enviar uma mensagem para interromper este envio cont nuo de mensagens de reply segundo sua conveni ncia Cada mensagem pode comunicar o valor de at quatro vari veis Cada dispositivo HART pode ter at 256 vari veis Quando utilizada a topologia do
48. procedimento de mestre escravo que usado por esta es ativas para se comunicarem com as esta es passivas escravos 2 3 Foundation Fieldbus A rede Foundation Fieldbus FF uma rede digital cuja padroniza o levou mais de dez anos para ser conclu da Existem duas redes FF uma de baixa velocidade concebida para interliga o de instrumentos H1 31 25 kbps e outra de alta velocidade utilizada para integra o das demais redes e para a liga o de dispositivos de alta velocidade como CLPs HSE 100 Mpbs A rede H1 possui velocidade de 31 25 kbps e proporciona grandes vantagens para substituir a instrumenta o convencional de 4 20 gt Redu o do cabeamento pain is borneiras fontes de alimenta o gt Conversores e espa o na sala de controle Alimentac o do instrumento pelo mesmo cabo de sinal Op es de seguran a intr nseca Grande capacidade de diagn stico dos instrumentos V V V Y Suporte para asset management capacidade de realizar fun es de diagn stico configurac o calibrac o via rede permitindo minerar dados de instrumentac o em tempo real Estas fun es ir o permitir a implementa o da manuten o proativa centrando os recursos onde eles s o mais necess rios gt Capacidade de auto sensing auto reconhecimento do instrumento permitindo f cil instala o e download de par metros gt Redu o dos custos de engenharia instala o e manuten o gt Sinal
49. ran ado de cobre blindado shield com um nico par condutor o suficiente neste caso A tecnologia de transmiss o RS 485 muito f cil de manusear O uso de par tran ado n o requer nenhum conhecimento ou habilidade especial A topologia por sua vez permite a adi o e remo o de esta es bem como uma coloca o em funcionamento do tipo passo a passo sem afetar outras esta es Expans es futuras portanto podem ser implementadas sem afetar as esta es j em opera o As taxas de transmiss o est o entre 9 6 kbit sec e 12 Mbit sec conforme a Tabela 2 1 por m uma nica taxa de transmiss o selecionada para todos dispositivos no barramento quando o sistema inicializado Tabela 2 1 Dist ncias baseadas em velocidade de transmiss o Baud rate kbits s Dist ncia m e Meio de transmiss o IEC 61158 2 Transmiss o s ncrona em conformidade norma 61158 2 com uma taxa de transmiss o definida em 31 25 kbits s veio atender aos requisitos das ind strias qu micas e petroqu micas Permite al m de seguranca intr nseca que os dispositivos de campo sejam energizados pelo pr prio barramento Assim o PROFIBUS pode ser utilizado em reas classificadas As op es e limites do PROFIBUS com tecnologia de transmiss o IEC61158 2 conforme a Tabela 2 2 para uso em reas potencialmente explosivas s o definidas pelo modelo FISCO Fieldbus Intrinsically Safe Concept O modelo FISCO foi dese
50. rior da tela trata se de uma tela de alarmes que mostra a exist ncia de alguma situac o de alerta que ocorreu no processo por exemplo como uma varia o indesejada de uma vari vel de processo Extrusora Miniaturizada de Pol meros rr Controle e Supervis o PIO TICA Y 55 A FM VI mos A A ELE m rage na maut gt PESE AS ASIAN CIAS CEM RSS Es Figura 3 4 Sin tico da Extrusora 3 4 Tipos de telas Uma classifica o importante a respeito das informa es apresentadas pelo sistema de supervis o se refere aos tipos de telas Dentre elas podem ser destacadas as telas de vis o geral telas de malhas individuais telas de registro e telas de alarme Telas de Vis o Geral s o telas onde pode ser observado um n mero elevado de malhas de controle em alguns sistemas o n mero de malhas de controle representadas na tela pode chegar a ordem de centenas Para cada representac o de malha de controle presente na tela existe um m nimo de informac o a respeito do controle Este tipo de tela apresenta a possibilidade de navegac o para que se consiga operar em sub n veis em cada um destes sub n veis aparece um grupo de equipamentos executando o controle de um determinado processo semelhante a um painel Telas de Malhas Individuais esta tela mostra todos os aspectos a respeito de determinada malha de controle tamb m c
51. s o acima de 1 Mbps baixo ndice de erros tempo de atraso pequenos uso de suportes de transmiss o baratos e todos computadores ligados diretamente rede As topologias mais utilizadas s o estrela anel e barramento MAN Metropolitan Area Networks redes metropolitanas s o redes que abrangem a rea de uma cidade Utiliza se de enlaces urbanos para a interconex o das redes que a comp em As Redes Metropolitanas s o intermedi rias s LANs e WANs apresentando caracter sticas semelhantes s redes locais e em geral cobrem dist ncias maiores que as LANs Um bom exemplo de MAN s o as redes de TV a cabo Empregam normalmente meios de transmiss o como cabos pticos e coaxiais operando com taxas t picas de 10Mbps WAN Wide Area Networks surgiram da necessidade de se compartilhar recursos por uma comunidade de usu rios geograficamente dispersos S o portanto redes distribu das em reas amplas dist ncias geogr ficas grandes como um estado um pa s ou mesmo conectando pa ses A comunica o para o constitui o das WANs pode se dar via sat lite linhas telef nicas sistemas de microondas ou seja o acesso se d atrav s de n s de rede Normalmente caracterizam se por terem tempos de atraso grandes baixas velocidades de transmiss o dezenas de kilobits podendo chegar a Megabits segundo sendo redes de propriedade p blica 1 5 Topologia f sica e l gica A topologia f sica representa a estrutura f sica
52. spons vel pela transfer ncia de dados livre de erros entre as entidades fim a fim Entre as fun es implementadas neste n vel temos e Segmenta o da mensagem em unidades menores controle do sequenciamento dos pacotes e reagrupamento das mensagens e Controle de fluxo de informa o e Detec o e corre o de erros e Multiplexac o e Demultiplexa o de conex es e Mapeamento dos endere os de n vel de transporte para o n vel de rede 5 Camada de Rede respons vel pelo roteamento e transfer ncia dos dados aqui denominados de pacotes de um n da rede para outro via o sub sistema de transmiss o As principais fun es s o e Controle de fluxo e Sequenciamento de pacotes e Detec o e corre o de erros de pacotes O servi o t pico oferecido o de circuito virtual que corresponde a um canal de comunica o dedicado entre as duas esta es comunicantes 6 Camada de Enlace Fornece um canal de comunicac o entre duas entidades comunicantes Os dados s o organizados em unidades denominadas quadros Outra fun o importante desta camada o controle de acesso ao meio de transmiss o compartilhado 7 Camada F sica Respons vel pela transfer ncia de bits pelo meio f sico de transmiss o Se preocupa com as caracter sticas mec nicas e el tricas da transmiss o Os meios f sicos mais utilizados em automa o industrial s o o cabo coaxial o par tran ado e a fibra ptica 1 9 Protocol
53. supervis o que substitui os pain is de acionamento e as mesas de controle A fun o de opera o do supervis rio quem permite por meio de telas gr ficas que o operador atue no sistema ligando e desligando equipamentos e alterando par metros nas malhas de controle Permite tamb m atuar na malhas de controle alterando valores de set point e de par metros do controlador Em um sistema de supervis o para que seja poss vel monitorar e operar o processo uma das tarefas essenciais o conhecimento do valor das vari veis envolvidas vari vel a ser controlada vari vel manipulada par metros do controle vari veis de status do processo valores limites entre outros que se fa am necess rio Neste contexto os sensores atuadores e controladores devem estar sendo monitorados pelo software de supervis o portanto devem estar conectados para que este gerenciamento de informa o possa ser executado 3 2 Elementos de um sistema de supervis o A seguir s o descritos alguns dos elementos de um sistema de supervis o dentre estes elementos est o as vari veis envolvidas a programa o em um sistema de supervis o a comunica o com outros aplicativos a comunica o com equipamentos de campo Vari veis as vari veis envolvidas em um sistema de supervis o podem ser basicamente divididas em anal gica e discreta Quando se est programando estas vari veis para ambos os tipos alguns atributos devem ser definidos entre os qua
54. temas de automa o em controle de processo e Fibra tica para aplica es em sistemas que demandam grande imunidade a interfer ncias e grandes dist ncias e Perfil da Aplica o Application Profile Define as op es do protocolo e da tecnologia de transmiss o requerida nas respectivas reas de aplica o e para os v rios tipos de dispositivos Estes perfis tamb m definem o comportamento do dispositivo e Perfil de Comunica o Communication Profile O perfil de comunica o PROFIBUS define como os dados ser o transmitidos serialmente atrav s do meio de comunica o PROFIBUS DP Periferia Descentralizada Decentralized Periphery O DP o perfil mais freq entemente utilizado Otimizado para alta velocidade e conex o de baixo custo foi projetado especialmente para a comunica o entre sistemas de controle de automa o controladores centrais por exemplo CLP s PC s e seus dispositivos de campo distribu dos 1 O s acionamentos drivers via um link serial A maior parte desta comunica o de dados com os dispositivos distribu dos feita de uma maneira c clica As fun es necess rias para estas comunica es s o especificadas pelas fun es b sicas do PROFIBUS DP conforme EN 50 170 O controlador central mestre l ciclicamente a informa o de entrada dos escravos e escreve tamb m ciclicamente a informa o de sa da nos escravos O tempo de ciclo do barramento geralmente mais curto qu
55. tipo multiponto a rede HART suporta at 15 instrumentos de campo Apenas o modo mestre escravo pode ser utilizado Neste caso o valor da corrente mantido no seu n vel m nimo de 4 mA e o valor da PV deve ser lido atrav s de uma mensagem expl cita A grande defici ncia da topologia multiponto que o tempo de ciclo para leitura de cada dispositivo de cerca de meio segundo podendo alcan ar um segundo Neste caso para 15 dispositivos o tempo ser de 7 5 a 15 segundos o que muito lento para grande parte das aplica es 2 2 PROFIBUS Process Field Bus O PROFIBUS um padr o aberto de rede de comunicac o industrial utilizado em um amplo espectro de aplica es em automa o da manufatura de processos e predial Sua independ ncia de fabricantes e sua padroniza o s o garantidas pelas normas EN50170 e EN50254 Com o PROFIBUS dispositivos de diferentes fabricantes podem comunicar se sem a necessidade de qualquer adapta o na interface O PROFIBUS pode ser usado tanto em aplica es com transmiss o de dados em alta velocidade como em tarefas complexas e extensas de comunica o Ele oferece diferentes protocolos de comunica o Communication Profile e DP e FMS De acordo com a aplica o pode se utilizar como meio de transmiss o Physical Profile qualquer um dos seguintes padr es e RS 485 uso universal em especial em sistemas de automa o da manufatura e IEC 61158 2 para aplica es em sis
56. to entre os v rios meios de transmiss o Enquanto o termo Acoplador Couplers aplica se dispositivos que implementam o protocolo somente no que se refere ao meio f sico de transmiss o o termo Link se aplica aos dispositivos inteligentes que oferecem maiores op es na opera o entre subredes e Perfil de Aplica o Aplication Profile O perfil de Aplica o descreve a intera o do protocolo de comunica o com o meio de transmiss o que est sendo utilizado al m de definir o comportamento do dispositivo durante a comunica o O mais importante perfil de aplica o PROFIBUS atualmente o perfil PA que define os par metros e blocos de fun o para dispositivos de automa o de processo tais como transmissores v lvulas e posicionadores Existem ainda alguns outros perfis dispon veis tais como Acionamentos Drives Interface Homem M quina e Encoders etc os quais definem a comunica o e o comportamento destes equipamentos de uma maneira independente do fabricante e Automa o de processo PA O uso do PROFIBUS em dispositivos e aplica es t picas de automa o e controle de processos definido por perfil PA Ele baseado no perfil de comunicac o DP O perfil PA define os par metros dos dispositivos e o comportamento de dispositivos t picos tais como transmissores de vari veis posicionadores etc independente do fabricante facilitando assim a intercambiabilidade do dispositivo e a total i
57. ximo de repetidores quatro e a dist ncia m xima entre dois instrumentos quaisquer n o deve exceder 9500m gt O cabo fieldbus polarizado Inverter a polariza o pode causar danos a todos os instrumentos conectados rede por m alguns fornecedores garantem instrumentos livres de polarizac o gt comprimento dos spurs devem ser calculados obedecendo aos dados presentes Tabela 2 5 Tabela 5 Comprimento dos cabos Total de Um Dois Tr s Quatro Comprim dispositivos disp por disp por disp por disp por M x total por rede spur m spur m spur m spur m m Os principais elementos na rede fieldbus s o gt A fonte de alimenta o gt m dulo condicionador de pot ncia gt Oterminador de barramento A liga o de dispositivos rede pode se dar atrav s de conectores Ts ou de caixas de jun o A fonte de alimenta o um equipamento de seguran a n o intr nsica com uma entrada AC universal uma sa da de 24Vdc isolada com prote o contra sobrecorrente e curto circuito ripple e indica o de falha apropriada para alimentar os elementos do Fieldbus Exemplo Fonte DF52 da Smar O m dulo condicionador de pot ncia um equipamento de controle de imped ncia ativo n o isolado de acordo com o padr o IEC 1158 2 Este equipamento apresenta uma imped ncia de sa da que em paralelo com os dois terminadores de barramento um resistor de 1000hms em s
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