FIELDBUS

O FIELDBUS é um protocolo desenvolvido para automação de Sistemas de Fabricação, elaborado pela FieldBus Foundation e normalizado pela ISA-The International Society for Measurement and Control. Como pode ser observado da figura anterior, o protocolo Fieldbus visa a interligação de instrumentos e equipamentos, possibilitando o controle e monitoração dos processos. Geralmente é utilizado com os chamados Softwares Supervisórios (SCADA, etc.), que permitem a aquisição e visualização desde dados de sensores até status de equipamentos.

Figura 3.1 – Operação conjunta: Softwares Supervisórios+Fieldbus+Instrumentos.

Níveis de Protocolo

Fieldbus foi desenvolvido baseado no padrão ISO/OI, porém não contém todos os seus níveis. A figura 3.2 faz a comparação entre os dois modelos. Como pode ser visto na figura, o protocolo Fieldbus é dividido em dois níveis principais: Nível Físico (interligação entre os instrumentos e equipamentos) e Nível de Software (tratam das formas de comunicação entre os equipamentos).

Figura 3.2 – Níveis de Protocolo

Níveis de Software

Esse nível é transparente ao usuário, sendo tratado, geralmente, pelo software supervisório. Geralmente é dividido em camadas (Layers), como se segue:

Subnível de Enlace – Data Link Layer

A função deste nível é garantir a transmissão da mensagem, de forma íntegra, ao destinatário correto. Também neste nível é feito um controle de utilização da rede e roteamento de mensagens, definindo quem pode transmitir e quando.

Geralmente há a presença de um Buffer de mensagens, de forma que um produtor coloca sua mensagem nesse Buffer, e as outras estações podem acessar os dados. Tal modo de operação permite um tipo de broadcasting, ou seja, com apenas uma transmissão, todos os destinatários podem receber os dados.

As redes industriais geralmente devem suportar aplicações com tempos críticos, de forma que o Scheduler coordena o tempo de cada transação, bem como obedece a ordens de prioridade para cada emissor/receptor de mensagens.

Subnível de Aplicação – Application Layer

Neste nível é definida a sintaxe das mensagens, bem como o modo de transmissão de cada mensagem (cíclica, imediata, apenas uma vez, ou somente quando requisitada). Este nível também faz o monitoramento contínuo do barramento, de maneira a detectar falhas, adição de novos elementos ou ainda a remoção de outros. Essas atividades são necessárias devido à criticidade das operações.

Subnível do Usuário – User Layer

Define a maneira pela qual pode ser feito o acesso a informações dentro de equipamentos

Fieldbus, e de que maneira pode-se distribuir as informações para outros instrumentos da rede.

Há um certo padrão de arquitetura para os equipamentos fieldbus, constituído por blocos funcionais. Esses blocos executam as funções inerentes a cada processo, e tarefas fundamentais, como: aquisição de dados, controle (PID, principalmente), atuação, cálculos, etc.

Nível Físico

O Nível Físico constitui-se dos padrões de ligações, fios, cabos, características elétricas, etc, necessários à formação de uma Rede FieldBus.

A norma que especifica esses padrões é a ANSI/ISA-S50.02 – “Fieldbus Standard for Use in

Industrial Control Systems Part 2 : Physical Layer Specification and Service Definition”. Alguns itens da especificação destacam-se pela sua importância, dentre eles:

• Transmissão de dados apenas de forma digital – oferece a vantagem da ausência de conversores AD/DA, o que possibilita maior confiabilidade dos dados; por outro lado, limita a variabilidade dos dados transmitidos;

• Comunicação Bi-direcional;

• Utilização do Código Manchester;

• Modulação de Voltagem;

• Velocidades de transmissão de 31,25kbps e 100 Mbps;

• Transmissão com ou sem energização.

As duas velocidades determinadas são específicas para cada nível de aparelhagem. No nível de instrumentos, a velocidade é de 31,25kbps, já no nível mais alto, é utilizada a velocidade de 100Mbps.

Algumas especificações quanto ao funcionamento crítico e tolerância a falhas da rede também são determinadas pela norma:

• Uma rede Fieldbus deve continuar operando durante a conexão/desconexão de qualquer instrumento na mesma;

• Na ocorrência de falhas em elementos de transmissão, a comunicação não deve ser prejudicada por mais de 1ms;

• Recomenda-se a utilização de meios físicos redundantes.

A alimentação dos equipamentos presentes na rede pode ser feita de duas maneiras, via condutores de sinal, onde o cabo de sinal fornece a energia necessária ao equipamentos; ou via condutores separados, onde o cabo de sinal transporta apenas dados, e uma rede separada energiza os equipamentos.

A alimentação utilizando redes separadas é a mais comum, pois evita a presença de ruídos na redes, oriundos de sobrecargas de alimentação dos equipamento.

Vantagens do Fieldbus

Diversos benefícios são advindos da utilização de redes Fieldbus, os mais importantes são listados a seguir.

Benefícios Econômicos

As características dos sistemas Fieldbus permitem baixos custos de implantação e manutenção, bem como a fácil expansão da rede (Figura 3.3). Também não é muito difícil a implementação de um sistema Fieldbus em um sistema de automação já implantado, visto que seriam necessárias apenas placas de interface e conversores AD/DA.

Figura 3.3 – Implantação de novas malhas

Benefícios de Performance

Vantagens de customização e de obtenção de informações de mais baixo nível (Figura 3.4), devido à utilização de sistemas abertos; Instrumentação de ponta, no caso de redes novas; transmissão apenas de forma digital; redundância na rede, etc.

Figura 3.4 – Nível de informação obtida em sistemas com e sem Fieldbus.

Projeto de Sistemas Fieldbus

Algumas considerações básicas devem ser feitas quando da construção de projetos

Fieldbus. Aspectos como distâncias entre equipamentos, número de equipamentos a serem ligados, previsões de expansão, fontes de alimentação, topologia, segurança e redundância devem ser levados em conta, visto que mesmo pequenas falhas, em aplicações críticas, podem levar a sérios prejuízos.

Topologias de Rede

Geralmente são utilizadas 4 topologias básicas em sistemas Fieldbus:

1. Barramento: constitue-se de um barramento único onde os equipamentos são ligados de forma direta, ou indireta (via barramentos secundários). 2. Ponto a Ponto: os equipamentos são todos ligados em série. Neste caso é obrigatória a redundância de conexões, de forma a garantir que a remoção/inserção de um equipamento não venha a interromper a comunicação. 3. Árvore: alguns equipamentos denominados Concentradores conectam diversos equipamentos,e interligam-se com outros Concentradores. Esta topologia também é conhecida como “Pé de Galinha”. 4. End-to-end: utilizada quando da conexão direta de apenas dois equipamentos.

Há também a possibilidade de utilizar-se topologias mistas, que baseiam-se na utilização das topologias acima de forma misturada, por motivos diversos, tais como: segurança, otimização, espaçamentos, configuração, etc (Figura 3.5). 

Figura 3.5 – Topologias Fieldbus possíveis: End-to-End; Barramento; Ponto-a-Ponto; Árvore (Pé-de-Galinha).

Um projeto Fieldbus deve levar em consideração o tempo de resposta da rede a determinadas entradas, de forma a não comprometer a dinâmica do sistema. Detalhes como atrasos, interrupções e gargalos devem ser meticulosamente analisados para garantir-se a confiabilidade do sistema.

Normas de Segurança

Ambientes fabris são geralmente hostis e perigosos, com a presença de materiais inflamáveis, gases, produtos químicos, etc, também chamados Áreas Classificadas. Ao elaborar-se projetos para ambientes desse tipo, qualquer projeto que seja, normas de segurança devem ser seguidas rigorosamente, de modo a evitarem-se riscos a pessoas e equipamentos.

As normas que regem os sistemas Fieldbus não fogem à regra, e também determinam algumas características para garantir a segurança do sistema. A classificação das áreas é baseada no tipo de substâncias presentes, e as normas de segurança regem especificações de blindagem, vedação, tipos de instrumentos, faiscamento e auto-extinção de chamas.