Instrumentação em Rede: Fundamentos e Aplicação em Redes Foundation Fieldbus, Notas de estudo de Cultura

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AS REDES DE CAMPO EM

INSTRUMENTAÇÃO E

CONTROLO INDUSTRIAL

Gustavo Vitorino Monteiro da Silva

Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Março de 2004

FICHA TÉCNICA

Título

AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Copyrigth © 2004 do autor

Autor

Gustavo Monteiro da Silva e-mail: [email protected]

Edição

Escola Superior de Tecnologia de Setúbal R. do Vale de Chaves, Estefanilha 2914-508-SETÚBAL Portugal Tel. 265 790 000 Fax 265 721 869

ISBN: 972-98624-7-

Depósito Legal Nº: 1

Lisboa, Março de 2004

À memória da minha mãe

RESUMO

Apresenta-se o conceito de Rede de Campo como um novo marco no desenvolvimento da

Instrumentação de Medida. Analisam-se as potencialidades da instrumentação ligada em rede

e faz-se uma apreciação comparativa com a forma clássica de utilizar a instrumentação.

Indicam-se diversas formas de ligar a instrumentação em rede, bem como os procedimentos a

utilizar para efectuar uma instalação correcta. Faz-se um estudo sobre a configuração de

diversos constituintes de um sistema. Mostram-se quais os cuidados a observar para ter uma

rede fiável e rápida.

Finalmente apresentam-se os resultados de um trabalho experimental em que se utiliza

instrumentação em rede para controlar, num tanque fechado, a temperatura, o caudal o nível e

a pressão.

PALAVRAS CHAVE

Redes de Campo, “Fieldbus”, Instrumentação de Medida, Sensores Digitais, Controlo

Distribuído, Controlo Industrial.

AGRADECIMENTOS

Quero agradecer,

• Ao Professor João Catarino, pelo estímulo que me deu para que este projecto se realizasse, e pelo agrado com que seguiu a sua execução.
• Ao Professor Dias Pereira, pela forma interessada como soube acompanhar este trabalho, e pela preocupação que sempre revelou com todos os detalhes, quer de caracter teórico ou experimental.
• Ao encarregado do Laboratório de Instrumentação e Medida, Sr. António Silva, pelo grande auxílio que deu na construção do caudalímetro, na calibração dos instrumentos analógicos e na montagem do equipamento, e sem o qual não teria sido fácil a execução do trabalho.
• Ao encarregado de trabalhos do Laboratório de Instrumentação e Medida, Renato Bito, pelo valioso auxílio que deu na execução de pequenos dispositivos de interface e na montagem e acompanhamento dos trabalhos experimentais.
• À minha mulher e ao meu pai, que tiveram a minha companhia mais reduzida mas mais uma vez compreenderam que me dediquei a esta causa com gosto e entusiasmo.

1. AS REDES DE CAMPO

1.1. Introdução

As redes de campo , designadas na literatura anglosaxónica por " fieldbuses ", são redes locais de comunicação, bidireccionais, projectadas e utilizadas para interligar entre si instrumentação industrial de medida, dispositivos de controlo e sistemas de operação industriais.

Uma vez que nas redes de campo transitam sinais de controlo, os dados têm que fluir na rede em “tempo real”. Além disso a interligação de instrumentos entre si é bidireccional, característica que para os instrumentos que são apenas de medida praticamente não existe na tecnologia convencional, mesmo na que utiliza sistemas de controlo distribuído, onde, no caso dos sensores, a informação apenas flui dos dispositivos de campo, para o sistema de operação.

De um modo bastante geral, consideram-se instrumentos de campo todos os instrumentos de medida ou sensores, os actuadores e os posicionadores, correntemente acoplados às válvulas de controlo, e os controladores lógicos programáveis (PLC) de uma instalação. Ligados às redes de campo estão também os sistemas de operação , correntemente designados por consolas de operação, através dos quais os operadores das instalações industriais podem acompanhar, controlar e decidir sobre a evolução das variáveis de processo da instalação.

A instrumentação em rede constitui um conceito novo no domínio da instrumentação industrial, na medida em que permite que todos os algoritmos de cálculo, incluindo os de controlo, se encontrem distribuídos pelos diversos instrumentos que estão ligados à rede. Por esta razão também se dá o nome de FCS (“ fieldbus control system ”) aos sistemas de controlo industrial com este tipo de arquitectura.

Há actualmente um grande número de tipos de redes para utilização com instrumentação de campo, cada uma delas com as suas características próprias e para aplicações concretas. Assim, há redes para utilização específica com a instrumentação de processos de controlo, redes para utilização em domótica, para utilização com autómatos, redes para a indústria automóvel, etc.

Uma característica muito importante em muitas destas redes é a sua interoperabilidade , ou seja, a possibilidade de os instrumentos de um fabricante poderem ser substituídos por outro de qualquer fabricante, com conservação de todas as características funcionais.

Na Fig. 1, na página seguinte, representa-se de uma forma esquemática, a interligação de instrumentos numa rede de campo.

AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva

Página 2 Capítulo 1 – Introdução às Redes de Campo Março de 2004

Fig. 1 – Interligação de instrumentos em rede de campo

Um sistema em rede de campo industrial, para ser utilizado ao nível da instrumentação de medida e controlo, deve apresentar algumas características essenciais, nomeadamente:

• Deve haver vários instrumentos suportados pelo mesmo cabo de rede.
• Os cabos de rede deverão servir simultaneamente para efectuar a alimentação dos instrumentos e para a transmissão da informação.
• Não deverá haver equipamento intermediário entre a operação e o campo.
• Os sinais na rede devem ser exclusivamente digitais.
• A comunicação deverá ser bidireccional.
• O sistema deverá poder funcionar mesmo na situação anómala de não ter o sistema de operação a funcionar.

O cabo de ligação da rede é usualmente um par entrançado blindado, de secção inferior a 1 mm^2. Deste modo há uma redução nos custos da cablagem comparativamente com os sistemas convencionais de 4-20 mA, redução que tem um significado apreciável se a instalação contiver um grande número de instrumentos em rede.

O facto dos cabos de rede servirem simultaneamente para as comunicações e para alimentar os instrumentos conduz a uma simplificação da instalação e a uma redução acrescentada nos custos de instalação.

Ao não existir equipamento intermediário entre as redes de campo e as estações de operação está-se a efectuar uma redução na quantidade de equipamento, com nova redução nos custos.

Sistema de operação

Instrumentação de campo

Rede FieldBus

Fonte de alimentação Terminação

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(“ distributed control systems ”); corria o ano de 1975. Foi por esta altura que também apareceram os controladores lógicos programáveis, vulgarmente conhecidos por PLCs. Nestes sistemas DCS são utilizadas unidades de campo independentes, com microprocessador e memória, às quais se encontra ligada apenas a instrumentação de uma determinada área. Estes módulos estão ligados a a um computador central, a um “ bus” comum ou então a uma rede de comunicação.

Por volta de 1980 surgiu a primeira instrumentação inteligente. Esta é caracterizada por conter um microprocessador, que lhe permite aumentar enormemente a potencialidade. É possível nomeadamente efectuar diagnósticos, usar um indicador local digital em que se pode mostrar o nome da cadeia de medida, as unidades utilizadas na apresentação das grandezas, a validade da medida e efectuar a calibração numericamente. No entanto um dos passos importantes na evolução da instrumentação inteligente foi a utilização de um sinal digital, sobreposto ao sinal analógico, podendo comunicar-se com o instrumento através de um pequeno “calibrador” portátil, que permite reconfigurar e calibrar o dispositivo sem ter que retirá-lo de serviço. Este método é utilizados nos sistemas híbridos do tipo “HART”.

Com o aumento do número de instalações de grande porte, em que o custo dos cabos de ligação dos instrumentos constitui uma fracção significativa do custo de um sistema de controlo, houve necessidade de diminuir a quantidade de cablagem numa instalação. Está-se assim a enveredar pelo caminho de sistemas com a instrumentação ligada em rede (sensores, válvulas, actuadores). Pare isto tem também contribuído o desenvolvimento e a miniaturização da electrónica digital. Um sistema deste tipo é designado na literatura anglo-saxónica por “Fieldbus Control System” – FCS. Na Fig. 2 representa-se, de uma forma aproximada não à escala, a evolução no número de sistemas de cada um destes tipos e na Fig. 3 representa-se de uma forma esquemática a configuração de cada um dos tipos de sistemas que acaba de se referir.

Fig. 2 – Evolução de cada tipo de sistema

nº de sistemas no mundo

DCS

Pneumático

DDC

| | | | | | | 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 ano

FCS

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Fig. 3 – Configuração básica dos diversos tipos de sistemas

1.3. Tipos de redes

A instrumentação em rede começou a aparecer por volta de 1990/95. Uma vez que se trata de instrumentação exclusivamente digital, surgiu o seguinte problema: qual o protocolo que deve ser utilizado de modo a que haja interoperabilidade , ou seja, um instrumento de um determinado fabricante possa ser substituído por outro de outro fabricante sem que haja qualquer perturbação. Apesar de ter havido um grande esforço com o objectivo de utilizar apenas um tipo de rede, com apenas um protocolo, não tem sido possível alcançar este objectivo, devido a considerações de ordem técnica associadas a interesses económicos e políticos. Surgiram sim diversos tipos de redes, consoante a aplicação a que se destinam e a zona económica em que estão inseridos os fabricantes, nomeadamente a ASI, a CAN, a DEVICENET, a FOUNDATION FIELDBUS, a INTERBUS, a MODBUS a PROFIBUS, a WORLDFIP, etc. Na Fig. 4 representa-se esquematicamente o domínio de aplicação de alguns tipos de redes existentes. A escolha de um determinado tipo de rede depende fundamentalmente do nível de complexidade das cadeias de controlo e do tipo de dispositivos em causa. No caso que interessa mais em instrumentação e controlo, em que se trabalha com um nível de complexidade elevado, ao nível do bloco de bytes e em que se utilizam estratégias de controlo avançadas, são de salientar as redes “PROFIBUS” e “FOUNDATION FIELDBUS”. Esta última, núcleo deste trabalho, é descrita no capítulo seguinte.

DDC

PID

DCS FCS

• Cablagem longa e concentrada num ponto
• Sistema lento
• Cartas de E/S
  • Redução na cablagem
  • Sistema rápido
  • Cartas de E/S
    • Redução adicional na cablagem
    • Sistema rápido
    • Não há cartas de E/S

PID

PID

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Março de 2004 Capítulo 1 – Introdução às Redes de Campo Página 7

Fig. 5 – Visibilidade da instrumentação num sistema em rede

Os sistemas FCS podem ser totalmente configurados pelo utilizador, na instalação industrial, de acordo com a instalação a ser controlada. O utilizador não tem que saber linguagens de programação para operar o sistema, nem sequer para o configurar, uma vez que esta é feita utilizando um interface gráfico apropriado. Ao configurar convirá no entanto efectuar a distribuição de tarefas de um modo racional para não sobrecarregar a rede de campo, deixando para esta as funções críticas e deixando outras funções no servidor, como se recomenda no quadro seguinte:

Tarefas a executar nos dispositivos em rede Tarefas a executar no servidor

• Controlo a nível do campo
• Programação Lógica
• Sequências
• Cálculos locais
• Selecção de variáveis
• Alarmes
• Diagnósticos
  • Imagens e Sinópticos
  • Supervisão e Optimização
  • Lotes e Receitas
  • Tendências
  • Alarmes
  • Relatórios
  • Controlo estatístico
  • Bases de dados
  • Inventário da Instrumentação

FCS

Visibilidade expandida Os instrumentos fazem parte do sistema: diagnósticos e informação.

DCS

Visibilidade limitada Não contém diagnósticos nem outra informação sobre os dispositivos de campo.

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Página 8 Capítulo 1 – Introdução às Redes de Campo Março de 2004

Neste trabalho não são abordadas tarefas executadas no servidor, uma vez que o objectivo consiste em estudar a interligação da aparelhagem em rede. Este estudo é feito nos capítulos que se seguem, para uma rede “Foundation Fieldbus”:

• Estudo sumário da arquitectura da rede e dos sinais, e dos blocos, em particular dos blocos de funções,
• Estudo de alguns instrumentos de medida com protocolo “Foundation Fieldbus”,
• Projecto de uma rede de instrumentação,
• Realização de um trabalho experimental com instrumentação em rede.