Redes industriais[1] - DEE

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE-UFRN
CENTRO DE TECNOLOGIA-CT
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA-DEE
REDES INDUSTRIAIS
ALUNO: Edercleyson Lopes da Silva
DISCLIPLINA: Instrumentação Eletrônica
PROFESSOR: Luciano Fontes
Natal-RN, Junho de 2009.
Redes industriais
A estrutura da automação industrial baseia-se na pirâmide organizacional, conforme a Figura
abaixo, em que são criadas ilhas restritas de informações. Essas ilhas de informações
caracterizam-se por sistemas onde o hardware e o software utilizados são proprietários, isto é,
na maioria das vezes são fornecidos por apenas um fabricante, fazendo com que o cliente
fique vinculado a esse fornecedor.
Esse tipo de solução causa enormes prejuízos às empresas, uma vez que a conectividade e
a integração com outros equipamentos, que não os do próprio fornecedor, tornam-se muito
complicadas e, muitas vezes, impossíveis de serem realizadas, seja pelo alto custo da solução
ou por uma simples incompatibilidade técnica.
A criação dos chamados "gargalos de informações" também é uma das complicações geradas
por essa estrutura. Muitas vezes a informação necessária para uma total integração já existe
na fábrica e o problema ocorre quando os diversos sistemas devem ser integrados.
Uma tendência nos sistemas atuais é a integração destas ilhas de informação tanto a nível
horizontal quanto vertical. Nesse sentido a utilização de Ethernet e um protocolo padrão como
o TCP/IP facilita em muito a integração desses dados.
Em função dos dispositivos conectados é possível dividir as redes industriais em três tipos,
conforme acima:
• Redes de Sensores ou Sensorbus - são redes apropriadas para interligar sensores e
atuadores discretos tais como chaves limites (limit switches), contactores. São exemplos de
rede Sensorbus: ASI, Seriplex, CAN e LonWorks.
• Redes de Dispositivos ou Devicebus - são redes capazes de interligar dispositivos mais
genéricos como CLPs, outras remotas de aquisição de dados e controle, conversores AC/DC,
relés de medição inteligentes, drivers dos mais variados.
Exemplos: Profibus-DP, DeviceNet, Interbus-S, SDS, LonWorks, CAN, ControlNet,
ModbusPlus.
• Redes de Instrumentação ou Fieldbus - São redes concebidas para integrar instrumentos
analógicos no ambiente industrial, como transmissores de vazão, pressão, temperatura,
válvulas de controle, entre outros instrumentos. Exemplos: Foundation Fieldbus-H1, HART e
Profibus-PA.
Em relação à faixa de aplicação, a ethernet possui a maior faixa das redes existentes,
conforme pode ser observado na figura anterior. Em função disso, ela tende a ser cada vez
mais utilizada em redes de campo. Embora a Ethernet não tenha sido desenvolvida para ser
uma rede industrial, pela sua característica de ser não determinística no tempo, ela já possui
padrões desenvolvidos para um ambiente industrial.

HART
Introdução
O protocolo de comunicação HART® é mundialmente reconhecido como um padrão da
indústria para comunicação de instrumentos de campo inteligentes 4-20mA, microprocessados.
O uso dessa tecnologia vem crescendo rapidamente e hoje virtualmente todos os maiores
fabricantes de instrumentação mundiais oferecem produtos dotados de comunicação HART®.
O protocolo HART® permite a sobreposição do sinal de comunicação digital aos sinais
analógicos de 4-20mA, sem interferência, na mesma fiação. O HART® proporciona alguns dos
benefícios apontados pelo fieldbus, mantendo ainda a compatibilidade com a instrumentação
analógica e aproveitando o conhecimento já dominado sobre os sistemas 4-20mA existentes.
Comunicação Analógica + Digital
Há vários anos, a comunicação de campo padrão usada pelos equipamentos de controle de
processos tem sido o sinal analógico de corrente, o miliampére (mA). Na maioria das
aplicações, esse sinal de corrente varia dentro da faixa de 4-20mA proporcionalmente à
variável de processo representada. Virtualmente todos os sistemas de controle de processos
de plantas usam esse padrão internacional para transmitir a informação da variável de
processo.
Comunicação Digital + Sinal Analógico Simultâneo
O protocolo de comunicação de campo HART® estende o padrão 4-20mA ao permitir também
a medição de processos de forma mais inteligente que a instrumentação de controle analógica,
proporcionando um salto na evolução do controle de processos. O protocolo HART® promove
uma significativa inovação na instrumentação de processos. As características dos
instrumentos podem ser vistas via comunicação digital que são refletidas na denominação do
protocolo, HART®, que significa “Highway Addressable Remote Transducer”.
O Protocolo HART® possibilita a comunicação digital bidirecional em instrumentos de campo
inteligentes sem interferir no sinal analógico de 4-20mA. Tanto o sinal analógico 4-20mA como
o sinal digital de comunicação HART®, podem ser transmitidos simultaneamente na mesma
fiação. A variável primária e a informação do sinal de controle podem ser transmitidos pelo 4-
20mA, se desejado, enquanto que as medições adicionais, parâmetros de processo,
configuração do instrumento, calibração e as informações de diagnóstico são disponibilizadas
na mesma fiação e ao mesmo tempo. Ao contrário das demais tecnologias de comunicação
digitais “abertas” para instrumentação de processos, o HART® é compatível com os sistemas
existentes.
A Tecnologia HART®
O Protocolo HART® usa o padrão Bell 202, de chaveamento por deslocamentos de frequência
(FSK) para sobrepor os sinais de comunicação digital ao de 4-20mA. Por ser o sinal digital FSK
simétrico em relação ao zero, não existe nível DC associado ao sinal e portanto ele não
interfere no sinal de 4-20mA. A lógica “1” é representada por uma frequência de 1200Hz e a
lógica “0” é representada por uma frequência de 2200Hz.
Comunicação Digital + Sinal Analógico Simultâneo
O HART usa a tecnologia FSK para codificar a informação digital de comunicação sobre o sinal de corrente 4 a 20 mA.
O HART sobrepõe o sinal de comunicação digital ao sinal de corrente 4 a 20 mA.
Flexibilidade de Aplicação
O HART® é um protocolo do tipo mestre/escravo, o que significa que um instrumento de
campo (escravo) somente “responde” quando “perguntado” por um mestre. Dois mestres
(primário e secundário) podem se comunicar com um instrumento escravo em uma rede
HART®. Os mestres secundários, como os terminais portáteis de configuração, podem ser
conectados normalmente em qualquer ponto da rede e se comunicar com os instrumentos de
campo sem provocar distúrbios na comunicação com o mestre primário. O mestre primário é
tipicamente um SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído), um CLP (Controlador Lógico
Programável), um controle central baseado em computador ou um sistema de monitoração.
Uma instalação típica com dois mestres é mostrada na figura abaixo:
O Protocolo HART permite que dois equipamentos Mestres acessem informação de um mesmo equipamento de
campo (escravo).
A topologia pode ser ponto a ponto ou multiponto. O protocolo permite o uso de até dois
mestres. O mestre primário é um computador ou CLP ou multiplexador. O mestre secundário é
geralmente representado por terminais hand-held de configuração e calibração, conforme a
Figura anterior.
Deve haver uma resistência de, no mínimo, 230 ohms entre a fonte de alimentação e o
instrumento para a rede funcionar. O terminal hand-held deve ser inserido sempre entre o
resistor e o dispositivo de campo.O resistor em série em geral já é parte integral de cartões de
entrada de controladores single loop e cartões de entrada de remotas e, portanto, não
necessita ser adicionado. Outros dispositivos de medição são inseridos em série no loop de
corrente, o que causa uma queda de tensão em cada dispositivo. Para a ligação de dispositivos
de saída a uma saída analógica, não é necessário um resistor de shunt.

PROFIBUS (Process Field Bus)
O PROFIBUS é um padrão aberto de rede de comunicação industrial, utilizado em um amplo
espectro de aplicações em automação da manufatura, de processos e predial. Sua
independência de fabricantes e sua padronização são garantidas pelas normas EN50170 e
EN50254. Com o PROFIBUS, dispositivos de diferentes fabricantes podem comunicar-se sem
a necessidade de qualquer adaptação na interface.O PROFIBUS pode ser usado tanto em
aplicações com transmissão de dados em alta velocidade como em tarefas complexas e
extensas de comunicação.
Ele oferece diferentes protocolos de comunicação (Communication Profile):
• DP
PROFIBUS DP é uma rede (barramento) aberta, usada para várias aplicações em automação
e processos de fabricação. Profibus-DP trabalha com dispositivos de campo como medidores
de energia, dispositivos de proteção de motores, disjuntores e controle de iluminação.
• FMS
O PROFIBUS-FMS provê ao usuário uma ampla seleção de funções quando comparado com
as outras variantes. Essa variante suporta a comunicação entre sistemas de automação, assim
como a troca de dados entre equipamentos inteligentes, e é geralmente utilizada em nível de
controle. Recentemente, pelo fato de ter como função primária a comunicação mestre-mestre
(peer-to-peer), vem sendo substituída por aplicações em Ethernet.
• PROFIBUS-PA
O PROFIBUS PA é a solução PROFIBUS que atende os requisitos da automação de
processos, onde se tem a conexão de sistemas de automação e sistemas de controle de
processo com equipamentos de campo, tais como: transmissores de pressão, temperatura,
conversores, posicionadores, etc. Pode ser usada em substituição ao padrão 4 a 20 mA.
O PROFIBUS PA permite a medição e controle por uma linha a dois fios simples. Também
permite alimentar os equipamentos de campo em áreas intrinsecamente seguras. O
PROFIBUS PA permite a manutenção e a conexão/desconexão de equipamentos até mesmo
durante a operação sem interferir em outras estações em áreas potencialmente explosivas e
foi desenvolvido em cooperação com os usuários da Indústria de Controle e Processo,
satisfazendo as exigências especiais dessa área de aplicação:


O perfil original da aplicação para a automação do processo e interoperabilidade dos
equipamentos de campo dos diferentes fabricantes.
Adição e remoção de estações de barramentos mesmo em áreas intrinsecamente
seguras sem influência para outras estações.




Uma comunicação transparente através dos acopladores do segmento entre o
barramento de automação do processo PROFIBUS PA e do barramento de automação
industrial PROFIBUS-DP.
Alimentação e transmissão de dados sobre o mesmo par de fios baseado na tecnologia
IEC 61158-2.
Uso em áreas potencialmente explosivas com blindagem explosiva tipo
“intrinsecamente segura” ou “sem segurança intrínseca”.
Foundation Fieldbus
A rede Foundation Fieldbus (FF) é uma rede digital cuja padronização levou mais de dez anos
para ser concluída. Existem duas redes FF, uma de baixa velocidade concebida para
interligação de instrumentos (H1 - 31,25 kbps) e outra de alta velocidade utilizada para
integração das demais redes e para a ligação 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
instrumentação convencional de 4..20mA:
 Redução do cabeamento, painéis, borneiras, fontes de alimentação,
 Conversores e espaço na sala de controle;
 Alimentação do instrumento pelo mesmo cabo de sinal;
 Opções de segurança intrínseca;
 Grande capacidade de diagnóstico dos instrumentos;
 Suporte para asset management: capacidade de realizar funções de diagnóstico,
configuração, calibração via rede permitindo minerar dados de instrumentação em tempo real.
Estas funções irão permitir a implementação da manutenção proativa, centrando os recursos
onde eles são mais necessários;