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Abstract— In industrial automation, the use of fieldbuses has been increased to have improvements in the monitoring and control actions. The use of optical fibers in fieldbuses provides longer distances, and immunity against EMI (Electromagnetic Interference), very common in an industrial environment, which can act negatively on the data that travels on the bus. This article discusses the operation, use, advantages, and disadvantages of using optical fibers for communication in a fieldbus. Index Terms— industrial automation, optical fiber, fieldbus, communication, immunity. Resumo— Na automação industrial, cada vez mais tem sido importante o uso de redes de comunicação para se ter melhorias no monitoramento e nas ações de controle. A utilização de fibra óptica nestas redes proporciona uma melhor comodidade com relação ao alcance de grandes distâncias, além de possuir imunidades contra diversas grandezas presentes em um ambiente industrial, que possam agir negativamente sobre os dados que trafegam na rede. Este artigo aborda o seu funcionamento, utilização, vantagens e desvantagens de se utilizar fibras ópticas para comunicação em uma rede industrial. Palavras chave— automação industrial, fibra óptica, rede, comunicação, imunidade. I. INTRODUÇÃO Atualmente, a automação industrial é um requisito que permite às indústrias competir de maneira eficaz no mercado globalizado. A busca por vantagens tecnológicas se faz necessária para se alcançar um nível de competição adequado no mercado. No ramo da indústria de petróleo e gás, por exemplo, é imprescindível a otimização de processos e recursos, além da redução de custos de produção. A necessidade de se ter informações disponíveis em diversos locais ao mesmo tempo, mostrando resultados confiáveis a cerca do processo produtivo, faz com que as redes de comunicação de dados sejam cada vez mais necessárias e presentes no ambiente industrial. Consequentemente há uma busca constante por novas técnicas e meios para estabelecer estas comunicações. Com a evolução das comunicações ópticas, motivadas pela necessidade de aumento da capacidade de tráfego de dados em alta velocidade, tem sido observado um crescente uso desta tecnologia em ambientes industriais. Trabalho de conclusão de curso apresentado ao Instituto Nacional de Telecomunicações, como parte dos requisitos para obtenção do Certificado de Pós-Graduação em Engenharia de Sistemas Eletrônicos, Automação, e Controle Industrial. Orientador: Prof. Julio Arlindo Pinto Azevedo. Trabalho aprovado em 06/2013. II. A FIBRA ÓPTICA A. Descrição A fibra óptica é um meio de transmissão composto por um filamento extremamente fino e flexível, com a capacidade de transmitir luz. Tal filamento pode apresentar diâmetros variáveis, dependendo da aplicação, desde alguns micrometros até milímetros. O material utilizado em sua composição pode ser feito de vidro, plástico ou outro isolante elétrico que tenha alta resistência ao fluxo de corrente elétrica, mas baixa resistência à propagação da luz. A fibra óptica possui uma estrutura simples, composta por capa protetora ou revestimento, casca e núcleo. Fig. 1. Estrutura básica da fibra óptica. Fonte: ICMC USP (http://wiki.icmc.usp.br/images/8/84/Pratica_Fibras.pdf) A transmissão da luz na fibra segue o mesmo princípio, independentemente do material utilizado em sua composição, onde um feixe de luz é lançado em uma extremidade da fibra, e de acordo com as características ópticas do meio, este feixe percorre toda a extensão da fibra através de sucessivas reflexões. Fig. 2. Reflexões sucessivas dentro da fibra óptica. Fonte: ICMC USP (http://wiki.icmc.usp.br/images/8/84/Pratica_Fibras.pdf) A fibra óptica é totalmente imune a interferências eletromagnéticas, o que significa que os dados que trafegam em seu meio não sofrerão perdas ou distorções ao longo da transmissão. Uso de Fibras Ópticas em Automação William Costa Schumann de Melo & Julio Arlindo Pinto Azevedo B. Tipos de fibras As fibras ópticas são geralmente classificadas em função do número de modos guiados. Com base nesta classificação, existem dois tipos de fibras ópticas, a monomodo e a multimodo. A diferença básica entre elas está no diâmetro do seu núcleo. A fibra monomodo permite apenas um sinal de luz pela fibra. Possui diâmetros menores, de ordem inferior a 10 µm, apresenta maior banda passante devido sua menor dispersão, e geralmente utiliza-se um laser como fonte de geração de sinal [1]. Pode ser utilizada para aplicações de grandes distâncias. A fibra monomodo possui algumas desvantagens. O diâmetro menor do núcleo faz com que o acoplamento de luz no núcleo seja mais difícil. As tolerâncias para conectores e emendas também se tornam muito exigentes [2]. Fig. 3. Fibra monomodo. Fonte: ICMC USP (http://wiki.icmc.usp.br/images/8/84/Pratica_Fibras.pdf) A fibra multimodo permite o uso de fontes luminosas que possibilitam a transmissão do sinal de luz pela fibra em vários modos de propagação. Possui diâmetros maiores, da ordem de 50 µm ou até maiores dependendo da aplicação. Este tipo de fibra é muito utilizado para curtas distâncias devido ao custo reduzido e a facilidade de implementação. Em longas distâncias apresenta muitas perdas. Fig. 4. Fibra multimodo. Fonte: ICMC USP (http://wiki.icmc.usp.br/images/8/84/Pratica_Fibras.pdf) C. Estrutura da fibra óptica Devido à fragilidade da fibra óptica, a mesma é revestida por materiais que lhe dão sustentação, permitindo-lhe maior flexibilidade e facilitando o seu manuseio. O material mais utilizado para esta finalidade é o acrilato, e o diâmetro deste revestimento é de 250 µm [3]. Fig. 5. Revestimento da fibra óptica. Fonte: ICMC USP (http://wiki.icmc.usp.br/images/8/84/Pratica_Fibras.pdf) A “Unidade Óptica Básica” abriga várias fibras, onde se tem uma capa de plástico superposta a um material denominado aramida, que é altamente resistente. Por sua vez, reveste o tubete onde se encontram as fibras. Tudo isto garante proteção e segurança às mesmas. Ela também é utilizada na numeração dos grupos, através de cores diferentes em seu revestimento. Fig. 6. Unidade óptica básica. Fonte: ICMC USP (http://wiki.icmc.usp.br/images/8/84/Pratica_Fibras.pdf) D. Definições Para conhecer o funcionamento da fibra óptica, é necessário entender algumas definições importantes que proporcionam a transmissão da luz no meio óptico, como abaixo: • Índice de Refração (n): é definido como a razão entre a velocidade da luz no vácuo (c) e a velocidade da luz no material (v). Deste modo, a luz viaja com maior velocidade por um meio que apresente o índice de refração menor, e com menor velocidade em um meio que apresente o índice de refração maior [1]. Este índice é calculado pela equação (1): v c n = (1) Fig. 7. Índice de refração. Fonte: GTA / URFJ (http://www.gta.ufrj.br/grad/01_1/fibrasoticas/fibrasopticas.htm) • Ângulo Crítico (θc): é o ângulo a partir do qual a luz será totalmente refletida para o núcleo. É calculado pela equação (2): 1 2 n n csen =θ (2) A partir desta fórmula, para que ocorra uma reflexão interna total é necessário que n1 seja maior que n2, onde n1 é o índice de refração no núcleo da fibra, e n2 é o índice de refração na casca da fibra [1]. Fig. 8. Ângulo crítico. Fonte: GTA / URFJ (http://www.gta.ufrj.br/grad/01_1/fibrasoticas/fibrasopticas.htm) • Abertura Numérica (NA – Numerical Aperture): é definida como o seno do ângulo máximo de incidência (θi) de um feixe de luz na interface ar/fibra, que será totalmente refletido na interface núcleo/casca [1]. É calculada pela equação (3): isennnNA θ=−= )²2()²1( (3) Fig. 9. Abertura numérica. Fonte: GTA / URFJ (http://www.gta.ufrj.br/grad/01_1/fibrasoticas/fibrasopticas.htm)E. Vantagens Podem-se citar algumas vantagens que a fibra óptica oferece, tais como: • Pequena atenuação: A fibra óptica apresenta uma perda de potência por quilômetro muito menor do que os sistemas que utilizam cabos coaxiais, guias de ondas, ou transmissão pelo espaço livre. • Condutividade elétrica nula: A fibra óptica é constituída de vidro altamente transparente, com uma elevada resistência elétrica. Portanto, não necessita ser alterada, ou protegida contra descargas elétricas. Além do aspecto de segurança no manuseio durante a instalação, manutenção e operação, a fibra é capaz de suportar elevadas diferenças de potencial, sem que forneça riscos ao sistema, operador, ou usuário. • Imunidade às interferências eletromagnéticas: Sendo um meio altamente isolante, não é possível a indução de corrente elétrica na fibra por quaisquer sinais que estiverem próximos [4]. Isto permite sua instalação em ambientes altamente ruidosos do ponto de vista eletromagnético, sem que isto cause qualquer deterioração na qualidade de sua transmissão. • Grande redução nas dimensões e no peso dos cabos: O diâmetro externo da fibra óptica é muito menor do que o dos cabos coaxiais convencionais. Mesmo com a adição de camadas de revestimento e proteção, ainda apresenta diâmetros reduzidos. Com isto, resulta em um peso muito menor, maior flexibilidade mecânica, menor espaço para instalação, menor custo de transporte e armazenagem, etc. F. Desvantagens Algumas desvantagens podem ser citadas abaixo: • Dificuldades nas emendas e conectores: Frequentemente, os cabos de fibras ópticas necessitam ser emendados para a complementação de um determinado enlace. Isto exige uma tecnologia mais avançada comparada a tradicional aplicada nos cabos com condutores de cobre. O sistema mais comum é o que emprega a máquina de fusão por arco voltaico. Porém, seu custo é bastante elevado. Para a ligação dos conectores, encontram-se dificuldades semelhantes. A mecânica deve ser bastante precisa e o componente tem de dispor de recursos que facilitem o alinhamento correto da fibra. • Impossibilidade de conduzir corrente elétrica: Como a fibra óptica é constituída de um material isolante, não permite a transmissão de energia elétrica, o que seria interessante para alimentação remota dos equipamentos de campo. • Absorção de hidrogênio: Pode ocorrer difusão de moléculas de hidrogênio para o interior da sílica, acarretando alterações em suas características de transmissão, afetadando principalmente a potência do sinal guiado. III. REDES INDUSTRIAIS Redes industriais são redes de comunicação desenvolvidas para serem utilizadas em um ambiente industrial. Foram criadas a partir da necessidade de se conectar dispositivos, presentes no meio industrial, com computadores para que fosse possível ler todas as informações geradas durante um processo e também ajudar na tomada de decisão de acordo com a informação recebida. As redes de comunicação industrial são de grande importância para as empresas, pois permitem um compartilhamento de informações de forma segura e em tempo real, o que traz uma série de vantagens como o aperfeiçoamento nos processos de produção, a redução de gastos com perda de matéria-prima e mão de obra, entre outros. Atualmente existe uma série de redes de comunicações industriais sendo utilizadas em diversos níveis de um processo industrial. Dentre elas, as mais comuns são: AS-i, DeviceNet, Profibus-DP-FMS-PA, ProfiNet, CANOpen, ControlNet, Ethernet/IP, Modbus/TCP. A. Redes industriais que utilizam fibra óptica Há diversos meios de comunicação que podem ser utilizados em redes industriais, porém, em algumas redes há limitações em relação ao tipo do meio a ser utilizado devido à tecnologia envolvida em determinadas redes. A fibra óptica é uma opção para utilização em algumas redes industriais, pois oferece grande imunidade a ruídos eletromagnéticos, rápida comunicação, e alcance de grandes distâncias dentro do ambiente industrial sem a necessidade de utilizar repetidores, se comparada a outros meios empregados para comunicação. Abaixo, são citadas as redes em que é permitido o emprego da fibra óptica como meio de comunicação: • Profibus (Process Field Bus) Profibus é um sistema de comunicação industrial que atua em diversos níveis de um processo industrial, ambiente de fábrica, processos e gerência, e possui uma larga faixa de aplicações em automação industrial. Por conta disto, uma série de derivações foi criada, algumas abaixo: � Profibus DP (Decentralized Peripherals): Esta foi a primeira versão criada, e é o mais utilizado entre os protocolos Profibus. É indicado para o uso em chão de fábrica, onde se tem um enorme volume de informações, e há uma necessidade por alta velocidade de comunicação para que os dados sejam tratados em tempo hábil. É caracterizado por possuir uma alta velocidade, eficiência e baixo custo de conexão [5]. � Profibus FMS (Field Message Specification): é um protocolo destinado a tarefas de comunicações solicitadas, no nível onde se comunicam os PLCs (Programmable Logic Controller), ou seja, os mestres, e PCs (Personal Computer) [5]. � Profibus PA (Process Automation): Esta é a versão mais moderna do protocolo Profibus. Uma característica importante é o fato de os dados trafegarem na mesma linha física que a alimentação DC (Direct Current), ou seja, os pares de fios de dados e alimentação DC estão presentes no mesmo cabo. Esta versão da rede permite alimentar os equipamentos de campo em áreas intrinsecamente seguras, bem como a manutenção e a conexão/desconexão de equipamentos até mesmo durante a operação, sem interferir em outras estações em áreas potencialmente explosivas [5]. Topologia da rede Profibus: Fig. 10. Topologia da rede Profibus. Fonte: SMAR (http://www.smar.com/brasil/profibus.asp) TABELA I COMPARAÇÃO ENTRE VERSÕES PROFIBUS. PROFIBUS DP PROFIBUS FMS PROFIBUS PA Tempo 1 a 5 ms < 60 ms < 60 ms Norma EN50170 EN50170 EN50170 IEC1158-2 Distância 23 km 23 km 2 km Os meios de transmissão mais utilizados são RS-485, RS- 485-IS (Intrinsic Safety), MBP (Manchester Code Bus Powered), e fibra óptica. No caso dos meios RS-485, RS-485-IS, considerados meios elétricos, precisa ser obedecido o padrão de comunicação RS- 485. O RS-485 é o mais empregado utilizando um cabo de par trançado blindado que alcança transmissões de até 12 Mbps. O RS-485-IS utiliza dois pares de fios trançados, e é destinado para uso em áreas explosivas. O meio de transmissão MBP (Manchester Code Bus Powered) é utilizado em aplicações na automação industrial onde necessite de uma alimentação DC através do barramento, e segurança intrínseca dos dispositivos. Fibras óticas são usadas para aplicações fieldbus que tenham alta interferência eletromagnética, ou que cubram uma grande área ou distância. O Profibus inclui fibras multimodo e monomodo de vidro, fibras de plástico, entre outras. Segue abaixo uma tabela comparativa entre os meios de comunicação utilizados em uma rede Profibus. TABELA II MEIOS DE TRANSMISSÃO NA REDE PROFIBUS. RS-485 RS-485-IS MBP Fibra óptica Taxa de transmissão 9,6 a 12.000 kbps 9,6 a 1.500 kbps 31,25 kbps 9,6 a 12.000 kbps Topologia Barramento Barramento Barramento e/ou Árvore Estrela e anel. Barramento é possível. Alimentação Opcional Opcional Opcional (Cabo do Sinal) Opcional (Linha híbrida) Cabeamento STP STP – 4 fios STP Fibra de vidro ou plástico Número de estações 32 por segmento sem repetidor, 126 com repetidor 32 por segmento sem repetidor, 126 com repetidor 32 por segmento, 126 por rede 126 por rede A aplicação de um sistema de comunicação industrial é amplamente influenciada pela escolha do meio de transmissão. Requisitos de uso genérico, como alta confiabilidade, grandes distânciascobertas e alta velocidade de transmissão, somam-se as exigências específicas da área de automação de processos tais como operação em áreas classificadas, transmissão de dados e alimentação no mesmo meio físico, etc [5]. Uma rede Profibus é composta pelos seguintes elementos: � Mestre: responsável pela comunicação do barramento; � Escravos: são dispositivos que se conectam ao barramento; � Acopladores: também conhecidos como Couplers, conectam dois meios físicos diferentes; � Links: são escravos na rede DP, e mestres na rede PA. Possuem seus endereços na rede DP. Pode-se conectar até 30 devices PA no link; � Terminadores: são impedâncias acrescentadas nas redes DP e PA para evitar distorção dos sinais de comunicação. São colocados nas extremidades do barramento. • Interbus-S Interbus-S é uma rede de comunicação de alta velocidade, que permite com que uma grande quantidade de dados seja transferida para os dispositivos atuantes na rede. Foi concebido para uma integração de sensores e atuadores a um elemento de tomada de decisão (PLC (Programmable Logic Controller)), envolvendo um controle determinístico e velocidade otimizada. Sua taxa de transmissão é de 500 kbps [6]. Esta rede é um sistema centralizado, necessitando de um controlador mestre (PLC), que terá a função de controlar todas as comunicações com os dispositivos escravos presentes na rede. O mestre constrói um quadro único contendo campos reservados a cada um dos escravos. Em seguida, o mestre preenche o campo destinado ao escravo em que deseja ler dados do processo ou enviar parâmetros. O quadro é enviado ao primeiro escravo do anel que por sua vez localiza o campo que contém informações destinadas a ele. Em seguida, este quadro é enviado para o próximo escravo que realiza a mesma rotina do escravo anterior. Este processo se repete até que o quadro tenha percorrido todos os escravos e retornado ao mestre. Este processo é conhecido como shift register, e pode ser mostrado através do diagrama abaixo: Fig. 11. Diagrama de comunicação da rede Interbus-S. Fonte: Phoenix Contact (http://www.phoenixcontact.com.au/automation/189_8363.htm) Características da rede Interbus-S: � Camada física RS-485 isolada opticamente; � Utiliza comunicação EIA-485 e topologia anel; � Comprimento do cabo entre os dispositivos até 400 m, expansíveis até 13 km com acopladores e sem repetidores; � Até 32 dispositivos escravos em uma rede de trabalho; � Temperatura ambiente: - 5° a + 40° C; � Número máximo de entradas e saídas é de 4096; � Sensores e atuadores formam estações escravas que executam operações de entrada/saída; � Temperatura de armazenamento: - 40° a + 50° C; � Diagnóstico de rede de trabalho local; � Comunicações “Ponto a Ponto” ou “Mestre-Escravo” não são aceitas; � Aceita redes de trabalho Interbus-S de 2 (dois) fios com taxa de transmissão de 500 kbps. • Arcnet (Attached Resource Computer Network) É uma rede local LAN (Local Area Network) semelhante à Ethernet ou Token Ring. Desenvolvida pela empresa Datapoint em 1976 e introduzida no mercado em 1977, foi uma alternativa a grandes e caros sistemas de computadores. A Arcnet foi oferecida também como uma alternativa barata na instalação de redes locais [7]. Características da rede Arcnet: � Meios de comunicação: Cabo coaxial, Cabo de par trançado, e fibra óptica; � Número máximo de dispositivos que a rede suporta: 255; � Máxima distância entre dispositivos utilizando cabo coaxial: até 600 m; � Máxima distância entre dispositivos utilizando cabos UTP: até 120 m; � Taxa de transmissão de 2,5 Mbps; Atualmente as redes de comunicação Arcnet estão praticamente em desuso devido à perda de mercado para as redes Ethernet. Embora obsoletas muitos conceitos utilizados nesta rede serviram de base para estabelecer padrões nas redes atuais. • Fieldbus Foundation H1 Uma rede Fieldbus Foundation é composta por diversos barramentos H1. Estes barramentos são meios de comunicação de instrumentos de campo. Geralmente válvulas e transmissores são equipamentos conectados à rede H1. A conexão dos barramentos H1 se dá através de bridges ou linking devices (dispositivos de conexão) Fieldbus Foundation, que por sua vez se conectam às redes HSE. A taxa de transmissão da rede é 31,25 kbps [8]. Os elementos que contemplam a rede Fieldbus Foundation no nível H1 são fontes de energia DC, equipamentos de campo, terminadores, bridges, cabos, caixas de junção/distribuição e repetidores/acopladores (quando necessário). O meio físico é um par trançado blindado. O comprimento da fiação pode chegar a 1.900 m, podendo ser utilizados até 4(quatro) repetidores, chegando até 9.600 m. A alimentação e transmissão de dados são feitas pelo mesmo par, necessitando de no mínimo 9 V no terminal do equipamento para energizá- lo. Ao transmitir, cada dispositivo fieldbus gera uma corrente de 10 mA em uma carga de 50 Ohms, criando uma voltagem pico a pico de 1 V. Este sinal é modulado sobre o sinal DC. Topologia da rede Fieldbus Foundation H1: Fig. 12. Topologia da rede Fieldbus Foundation H1.Fonte: ABB (http://www.abb.com/cawp/gad02181/c1256d71001e0037c1256b5a003158ce .aspx) • Fieldbus Foundation HSE (High Speed Ethernet) HSE é uma solução da Fieldbus Foundation para a rede Ethernet. A rede HSE possibilita o envio de informações da rede H1 para sistemas de supervisão e engenharia [9]. É baseada na rede Ethernet, IP e TCP/UDP, e possui quatro tipos básicos de categorias de dispositivos: � Estação de trabalho, chamada de Host Device (HD); � Nó HSE, chamado de Linking Device(LD), com a função de conectar um ou mais segmentos Fieldbus H1 à HSE; � Nó HSE, chamado de Gateway Device(GD), com a função de conectar uma ou mais redes externas à HSE; � Ethernet Device (ED), ou dispositivo ethernet, que tem a função de prover conexões diretas às aplicações de controle e medição. Topologia da rede Fieldbus Foundation HSE: Fig. 13. Topologia da rede Fieldbus Foundation HSE. Fonte: SMAR (http://www.smar.com/brasil/noticias/conteudo.asp?id_not=302) Características da rede Fieldbus Foundation HSE: � Não possui alimentação pelo barramento; � Não possui segurança intrínseca; � Taxa de transmissão de 10 Mbps ou 100 Mbps, mas também há a possibilidade de os equipamentos se comunicarem à taxas de 1 Gbps ou 10 Gbps; � Distância máxima de 100 m; � Possui determinismo desde que se utilizem switches full duplex. A diferença básica entre a rede HSE e H1 está no determinismo. Com o uso da rede Ethernet na rede HSE é possível construir uma rede industrial com dispositivos que independem de cada fabricante. • IEC/ISA SP50 Fieldbus O padrão SP50 (Standards & Practices 50) reúne propostas da ISA (Instrumentation Society of América), IEC (International Electrotechnical Commission), Profibus (German National Standard) e FIP (French National Standard), que se uniram para a formação deste padrão mundial para o fieldbus. O padrão desenvolvido deveria integrar uma grande variedade de instrumentos de automação e controle, suportar um protocolo de comunicação para os diversos dispositivos e redes de campo, e providenciar interfaces para operação simultânea de vários dispositivos [10]. Este padrão oferece três opções de meios de transmissão: � Par-trançado blindado: - Comunicação em half-duplex; - Clock embutido (Codificação Manchester); - 32 dispositivos por segmento; � RF half-duplex com 4,8 kbps, 31,25 kbps, e 1 Mbps; � Fibra óptica com taxa de transmissão de até 2,5 Mbps. TABELA III RELAÇÕES ENTRE TAXAS DE TRANSMISSÕES E COMPRIMENTOS DOS SEGMENTOS DO PROTOCOLO SP50. TAXA DE TRANSMISSÃO COMPRIMENTO CORRENTE 31,25 kbps 1.900 m - 1 Mbps 750 m - 1 Mbps 500 m - 1 Mbps 750 m a 200 mA 2,5 Mbps 400 m a 1 A Características da rede IEC/ISA SP50 Fieldbus:� Confiabilidade nos dados trafegados em ambientes hostis; � Capacidade de comunicação em situações críticas relacionadas ao tempo; � Barramento multiponto; � Redundância para manutenções; � Baixa potência para uso em ambientes inflamáveis e explosivos; � Camada de usuário, situada acima da camada de aplicação, destinada a oferecer serviços adequados aos diversos tipos de aplicações diferentes. A camada de enlace oferece quatro funções que podem ser implementadas nas estações de acordo com a necessidade. A função “Responder”, onde a estação transmite dados somente em resposta a uma solicitação (estação escrava). A função “Initiator”, onde a estação tem o direito de acesso ao meio (token), podendo enviar e requisitar dados a outras estações por iniciativa própria. A função “Linkmaster”, onde as funções “Responder” e “Initiator” estão inclusas, a estação pode administrar o token e gerenciar o tempo interno do sistema. E a função “Ponte” (Bridge), onde a estação é capaz de interligar outras de enlaces diferentes. • WorldFIP (World Factory Instrumentation) WordlFIP foi desenvolvido a partir da norma francesa NFC 46-600. Atualmente, é um padrão europeu especificado no volume 3 da norma européia EN 50170. A proposta deste protocolo procurou levar em consideração as restrições de tempo real impostas por um número grande de aplicações em nível de chão de fábrica. Este protocolo é especificado em três camadas do modelo OSI (Open Systems Interconnection (Modelo de referência para interconexão de sistemas abertos que possui mecanismos que impedem a modificação acidental ou intencional)): física, enlace de dados, e aplicação. O WorldFIP suporta as topologias em barramento, e transmissões por par-trançado e fibra óptica. Para o meio físico utilizando o par-trançado têm-se três velocidades de transmissão [11]: � S1: 31,25 kbps. Distância de até 1.900 m; � S2: 1 Mbps. Distância de até 750 m, utilizando par- trançado blindado; � S3: 2,5 Mbps. Distância de até 500 m, utilizando par- trançado blindado. A taxa de transmissão padrão utilizada é 1 Mbps [11]. As taxas de 31,25 kbps e 2,5 Mbps são utilizadas somente para aplicações especiais. Para o uso de fibra óptica, a velocidade permitida é de 5 Mbps. Os bits transmitidos são codificados em Manchester, o qual permite o envio simultâneo do sinal de sincronização e dos dados. O barramento principal pode ser decomposto em segmentos, que são interligados por repetidores. Cada segmento pode ter até 32 dispositivos. O número total de dispositivos suportados é 256. Segundo WorldFIP, nas redes industriais, uma informação gerada em um determinado ponto pode ser importante para vários outros dispositivos, que poderão recebê-la e realizar alguma ação. Isto mostra como é realizado o método de acesso ao meio, que é feito por difusão (broadcasting). A difusão é organizada por uma estação de controle denominada “árbitro do barramento”. Devido ao uso da difusão, os endereços de transmissores e receptores não necessitam ser conhecidos pelas aplicações. Topologia da rede WorldFIP: Fig. 14. Topologia da rede WorldFIP. Fonte: WorldFIP (http://www.worldfip.org/) • LONWorks O protocolo LONWorks foi criado para dar fim a soluções de controle baseado em sistemas lógicos hierárquicos com ligações ponto a ponto, onde existia um controlador principal (mestre), como um PLC, que controlava os demais dispositivos (escravos). Este tipo de sistema resultava em algo caro e difícil de manter, expandir e instalar [12]. O nome LON é uma sigla para Local Operating Network. Na rede LONWorks, todos os dispositivos possuem um chip onde é executado o protocolo de comunicação e as aplicações atribuídas a cada dispositivo. Esta tecnologia possui um protocolo chamado LonTalk que implementa as 7 camadas do modelo OSI [12]. A troca de informações entre dispositivos LONWorks em uma rede é feita através de variáveis de rede de nome SNVT (Standard Network Variable Type). Existem também variáveis de configuração chamadas SCPT (Standard Configuration Parameter Types), responsáveis pela configuração de propriedades da aplicação. Este protocolo possui características como: prioridade na transmissão, retransmissão automática, detecção e correção de erros, funções de reconhecimento e comunicação, padronização e identificação dos dados. O meio físico utilizado pode ser o par-trançado ou fibra óptica, e a comunicação por linha de energia. Uma rede LONWorks permite um domínio com 32.385 dispositivos. Cada um destes pode subdividir-se em 256 grupos ou subdomínios. É possível interligar dispositivos LONWorks a redes TCP/IP através de uma plataforma que utiliza um processo chamado tunelamento IP (ANSI/CEA-852), permitindo a integração dos dispositivos com a rede TCP/IP e a internet. Características da rede LONWorks [12]: � Não necessita de um computador central; � Cada dispositivo é um ponto na rede; � Processamento de informação é feito localmente; � Não necessita de gateways; � Pode apresentar topologia estrela, anel, linear, e árvore; � Cada dispositivo pode comunicar diretamente utilizando formatos de dados SNVT e SCPT; � Baseada em rede dedicada, opera em 78 kbps utilizando Manchester diferencial; � Utilizando rede de energia elétrica, opera em 5,4 ou 3,6 kbps; � Flexibilidade máxima em termos de expansibilidade. Topologia da rede LONWorks: Fig. 15. Topologia da rede LONWorks. Fonte: Contimetra (http://www.contimetra.com/paginas/arcondicionado/segcontraincendios/doc umentacaocontimetra/lON-conceito.pdf) • ControlNet É uma rede de controle aberta que atende às exigências de aplicações que requerem uma alta taxa de transmissão (throughput) em tempo real [13]. Foi desenvolvida para atuar no nível de controle, com transferência de dados críticos em tempo real, upload e download de programação e configuração de dispositivos. A rede opera de forma determinista, permitindo que diversos dispositivos e controladores presentes na rede possam se comunicar em instantes de tempo precisos e pré- determinados. Apesar de ser um sistema de transmissão serial de alta velocidade, sendo o mais comum a utilização do cabo coaxial RG 6/U 75 ohms com conector BNC, pode ser utilizada também a fibra óptica como opção de meio de transmissão. Características da rede ControlNet: � Taxa de transmissão de 5 Mbps; � A alimentação dos dispositivos é feita de forma externa, ou seja, não é feita através do barramento, ou meio físico de comunicação; � Comprimento da rede: 1.000 m com cabo coaxial para dois nós, 500 m para 30 nós, 250 m para 48 nós, e até 30 km com repetidor e fibra óptica. Cada nó na rede consiste na conexão de diferentes dispositivos; � Número de nós: até 99 nós; � Tamanho do pacote de dados: 0 a 510 bytes; � Topologia: Barramento, árvore, estrela, e anel; � Configuração de comunicação: Mestre e escravo, múltiplos mestres e peer-to-peer; � Modelo de comunicação: Produtor/Consumidor; � Pode-se remover ou adicionar dispositivos com a rede energizada; � Capacidade de detecção de duplicidade de dispositivos. Em relação ao modo de envio de dados, existem dois tipos de conexões: � Não agendadas (Unscheduled): Os dados são enviados pelo usuário do software, ou através da interface homem/máquina. Esta conexão é encerrada quando não utilizada por um determinado período de tempo; � Agendadas (Scheduled): Os dados são enviados de forma programada em intervalos de tempo pré- determinados. Esta conexão permanece ativa enquanto a fonte geradora de dados estiver ativa. ControlNet utiliza o protocolo de acesso ao meio denominado de Concurrent Time Domain Multiple Access (CTDMA), onde as informações criticas são enviadas durante a parte agendada do intervalo da rede. • Ethernet Industrial A rede Ethernet é a tecnologia mais utilizada em escritórios de empresasno mundo todo. Devido ao baixo custo, a grande variedade de produtos, e a ausência de um padrão para redes industriais, a Ethernet acabou migrando para o ambiente industrial. Atualmente, há quatorze redes Ethernet Industriais, e podem ser citadas como exemplo: ProfiNet, Ethernet IP e Fieldbus Foundation HSE. Ela é capaz de conectar o chão de fábrica com o ambiente de escritório. Fig. 16. Topologia da rede Ethernet Industrial. Fonte: Rockwell Automation (http://www.rockwellautomation.com/news/the-journal/exclusive/2011/ march3.page) A rede Ethernet Industrial segue o mesmo padrão de encapsulamento das informações que a Ethernet comum, porém, há uma preocupação com o tráfego de informações na rede, pois em alguns ambientes há grande interferência por parte de processos industriais que podem ocasionar perda de informações durante a comunicação. A vantagem em se usar a rede Ethernet na indústria faz com que se tenha uma estrutura de rede uniformizada, tendo com isso uma redução de interfaces, continuidade até o chão de fábrica, e engenharia em qualquer ponto da rede. Em relação aos sistemas hoje já existentes, a rede Ethernet traria um alto desempenho, quantidades ilimitadas, e operação mais simples. Em relação à camada física da rede, podem-se citar os meios de transmissão na tabela abaixo: TABELA IV CAMADA FÍSICA DA REDE ETHERNET INDUSTRIAL [15]. TIPO DE CABO VELOCIDADE DISTÂNCIA Cabo coaxial fino – 10BASE2 10 Mbps 185 m Cabo coaxial grosso – 10BASE5 10 Mbps 500 m Par trançado – 10BASE-T 10 Mbps 100 m Par trançado – 100BASE-TX 100 Mbps 100 m Par trançado – 1000BASE-X 1000 Mbps 100 m Fibra óptica – 10BASE-FL 10 Mbps 2000 m Fibra óptica – 100BASE-FX 100 Mbps 2000 m Fibra óptica – 1000BASE-FX 1000 Mbps 500 m Características da rede Ethernet Industrial: � Alimentação 24 VDC; � Taxa de transmissão de 10 Mbps e 100 Mbps; � Flexibilidade e confiabilidade; � Topologia em linha, árvore ou estrela, e redundância em anel com configuração em tempo real; � Mais eficiência no equipamento e processo; � Comunicações TCP/IP padrão junto com recursos de comunicação industrial, em conformidade com a norma IEEE 802.3; � Mesma quantidade de dispositivos, ou mais, se comparado a outras redes; � Número de protocolos e interfaces reduzidos; � Tempo de ciclo mais rápido; � Mais eficiência na manutenção; � Distância de 100 m entre dispositivos para fiação de par trançado de cobre, sendo que para utilização de fibra óptica a distância pode ser na ordem de quilômetros, dependendo do projeto. IV. FIBRAS ÓPTICAS EM REDES INDUSTRIAIS A utilização de fibra óptica para transmissão de dados em automação industrial e controle de processos tornou-se cada vez mais popular nos últimos anos. Um sistema que utiliza fibra óptica oferece uma série de vantagens que não são encontradas em sistemas tradicionais que utilizam condutores de cobre. A maioria das plantas de processo em indústrias tem requisitos específicos para redes, que diferem das redes comerciais. Elementos presentes em uma rede industrial devem suportar severas condições ambientais que podem incluir temperaturas extremas, interferências eletromagnéticas, e em muitos casos, funcionar em locais de áreas perigosas com riscos de incêndio e/ou até mesmo explosão. O rápido crescimento do uso de fibras ópticas em mercados industriais foi conduzido pelas vantagens oferecidas por esta tecnologia. Como dito anteriormente, quanto ao número de modos guiados, existem dois tipos de fibra óptica, a monomodo e a multimodo. Em determinada aplicação, deve-se ficar atento ao tipo de fibra que será empregado, pois existem conversores de meio físico que funcionam de acordo com cada tipo de fibra óptica. A maioria das aplicações industriais que utilizam a tecnologia de fibra óptica requer uma construção específica de um sistema para garantir a funcionalidade adequada. A. Conversores ópticos Atualmente existem conversores de diversos meios físicos para o meio físico que utiliza fibras ópticas. Dentre eles, podem-se citar alguns: � Conversor Ethernet – Fibra Óptica: converte o meio elétrico par trançado para o meio óptico (fibra óptica); Fig. 17. Conversor Ethernet x Fibra Óptica. Fonte: D-Link (http://www.dlink.com.br/produtos-detalhes/items/dmc-530sc.html). � Conversor Serial – Fibra Óptica: converte meios seriais elétricos, como RS-232, RS-485, RS-422 para meio óptico; � Conversor Profibus – Fibra Óptica: converte sinais de interfaces Profibus em sinais para cabos duplos de fibra óptica; Fig. 18. Conversor de fibra óptica para Profibus. Fonte: Phoenix Contact (http://www.phoenixcontact.com.br/combinacao-de-sinais/242_69355.htm). Fig. 19. Conversor de fibra óptica para Profibus. Fonte:Siemens (http://www.automation.siemens.com/mcms/industrial-communication/ en/profibus/network-components/optical-networks/olm/Pages/olm.aspx). � Conversor ControlNet – Fibra Óptica: converte meio físico de cobre para meio óptico utilizando protocolo transparente; Fig. 20. Conversor de fibra óptica para ControlNet. Fonte: Phoenix Contact (http://www.phoenixcontact.com.br/combinacao-de-sinais/242_69355.htm). � Conversor Interbus – Fibra Óptica: converte o meio elétrico do protocolo Interbus para meio óptico. Fig. 21. Conversor de fibra óptica para Interbus. Fonte: Phoenix Contact (http://www.phoenixcontact.com.br/combinacao-de-sinais/242_69355.htm). Acima foram mostrados alguns exemplos de conversores de meio físico metálico para meio físico óptico existentes no mercado. Empresas como a Rockwell Automation, Phoenix Contact, Siemens, entre outras, são fabricantes de diversos produtos para ambientes industriais, e facilmente consegue-se encontrar conversores para diversas aplicações. B. Materiais empregados na fabricação de fibras ópticas Quanto ao material empregado na fabricação da fibra óptica, têm-se os seguintes tipos: � Fibra de Vidro: é o material mais empregado na fabricação de fibras ópticas. Possui baixas perdas e podem alcançar grandes distâncias utilizando este material. � Fibra de Sílica: apresenta perdas ópticas internas muito baixas, porém, apresenta índice de refração menor que o do vidro ou outros materiais que deverão envolvê-la, dificultando sua utilização na prática. Devido a este fato, foram desenvolvidos processos de fabricação que fizeram com que fosse possível se obter menores perdas por atenuação ao longo da fibra [16]. � Fibra PCS (Polymer Clad Silica): são formadas por um núcleo de sílica pura onde é aplicada uma camada de resina plástica, geralmente de silicone com um índice de refração menor. Esta técnica permite a fabricação de fibras com diâmetros maiores. Fibras PCS, em geral, têm desempenho significativamente mais baixo, as perdas de transmissão são particularmente altas, e possuem larguras de banda menores do que as fibras de vidro [17]. � Fibra Polimérica (ou fibra plástica): são fabricadas com material transparente, e apresentam características como maior diâmetro, flexibilidade, facilidade na preparação de acoplamentos, e melhor resistência mecânica. Apesar disto, apresentam perdas significativas, fazendo com que seu uso fique limitado, pois os sinais não podem alcançar grandes distâncias, porém atendendo muitas aplicações industriais [18]. Dentre as fibras citadas acima, a mais utilizada no ambiente industrial é a fibra polimérica, ou conhecida como fibra plástica, pois possui uma tecnologia barata, de fácil conectorização e manutenção. Fibras ópticas poliméricas (FOP) são muito úteis para aplicações de curta distância tais como: redes locais, eletrônica de veículos, automação industrial, sensores (na medicina e indústria), iluminação, sinais. Embora apresentem maior atenuação do sinal transmitido elas oferecem grandes benefícios técnico-ecônomicos comparadas às fibras de vidro,devido à flexibilidade, tenacidade, maiores diâmetros, maior abertura numérica, fácil manuseio e baixo custo com conectores e junções [19]. Fibras de vidro do tipo multimodo são utilizadas em um ambiente industrial quando se deseja trafegar dados a uma distância onde nem o cabo de cobre consegue alcançar. Já a fibra de vidro do tipo monomodo, apesar de ser melhor que a fibra de vidro multimodo em termos de alcance, é pouco utilizada no ambiente industrial devido ao custo mais elevado. C. Aplicações na indústria Em um primeiro momento, o uso de fibras ópticas em um ambiente industrial para sistemas de telemetria e supervisão de controle de processos pode se restringir apenas à substituição dos cabos metálicos que formam o meio de transmissão. Com isto, consegue-se aumentar a confiabilidade do sistema melhorando-se a transmissão de dados. Porém, em um segundo momento, as fibras ópticas podem trazer uma solução global para o sistema, incluindo não só a transmissão, mas também os sensores, acoplados de forma direta ao meio de transmissão. Com isto, elimina-se a necessidade de transdutores elétricos, vulneráveis a interferências e problemas elétricos. Dentre os tipos de sensores com fibras ópticas empregados em um ambiente industrial, destacam-se os seguintes [18]: � Pressão: são usados para medição de pressão em áreas críticas como poços de petróleo, usinas nucleares e navios petroleiros; � Temperatura: são usados para monitorar temperaturas em fornos e caldeiras industriais, turbinas a gás, entre outros; � Nível de Líquidos: seu funcionamento se dá através da variação do índice de refração. Um exemplo de aplicação é no monitoramento de vazamento de óleo em oleodutos; D. Instalação, cuidados e manuseio A fibra óptica oferece algumas vantagens em relação ao cabo metálico, pois alcança grandes distâncias, mantendo o sinal original imune à interferências eletromagnéticas e ruídos, e trabalha a altas taxas de transmissão. Deste modo, pode ser instalada em ambientes que seriam hostis para a transmissão em cabos metálicos. Devido à tecnologia envolvida, a fibra óptica tem um custo maior de instalação, implantação, e manutenção em relação ao cabo metálico, porém é extremamente necessária em ambientes onde requer uma transmissão de dados de forma segura. Ao instalar uma rede de fibra óptica, deve-se ficar atento a alguns pontos principais, como abaixo: � Evitar torção do cabo ao lançá-los em um ambiente; � Não pisar, ou colocar algum objeto de peso, sobre a fibra óptica; � Evitar a passagem de fibras ópticas em canaletas que tenham sobras de cabos elétricos que possam fazer com que as fibras sejam dobradas além do valor permitido em seu raio mínimo de curvatura, de acordo com a especificação de cada tipo de cabo; � Instalar os cabos de fibra óptica em canaletas ou conduites separados. Este procedimento minimiza esforços mecânicos na fibra provenientes da movimentação de outros cabos; � Evitar o uso de abraçadeiras muito apertadas. Isto pode causar microfissuras na fibra; � Ao realizar curva no cabo, utilizar abraçadeiras para garantir o raio mínimo de curvatura; � Utilizar um tubo protetor sempre que for instalar a fibra óptica em portas ou em partes móveis. � Utilizar proteção para curvas quando a fibra óptica sair de algum painel elétrico. V. CONCLUSÕES A fibra óptica se destaca em diversas aplicações pelas inúmeras vantagens que proporciona. Não poderia ser diferente em um ambiente industrial, que apresenta condições adversas que podem prejudicar a comunicação de dados. Em casos como este, a fibra óptica, que é totalmente imune a interferências eletromagnéticas, ou seja, os dados que trafegam em seu meio não sofrerão perdas ou distorções, é uma opção que garante confiabilidade e segurança ao sistema. O uso da fibra óptica oferece várias vantagens tais como: velocidade, pequena atenuação em relação a outros meios de transmissão, grande distância, imunidade a interferências eletromagnéticas, largura de banda, manutenção, pequena dimensão e menor peso do cabo, dentre outros. As fibras ópticas de vidro possuem maior alcance, o que é interessante em instalações industriais onde se tem um grande espaço físico. Já as fibras ópticas plásticas, ou poliméricas, são interessantes em locais onde as instalações se concentram em um espaço físico reduzido, com níveis altos de ruído e interferências eletromagnéticas, e também, quando se quer reduzir o custo com a instalação, o que é mais importante no meio industrial. Em um sistema de automação industrial, quanto mais segura e rápida for a transmissão de dados e quanto menos a equipe de manutenção for solicitada para fazer algum reparo na rede, menos tempo e dinheiro são perdidos. Estes fatores justificam a utilização de fibras ópticas em ambientes industriais. REFERÊNCIAS [1] Ribeiro, J. A. J. Características da Propagação em Fibras Ópticas. Revista Científica Periódica, vol. 2, no. 1, pp. 4-6, Março de 1999. [2] Types of Optical Fiber (on-line). Disponível na Internet. URL: http://www.fiber-optics.info/articles/types_of_optical_fiber (acesso em 2012). [3] Peres, R. L. R. Tecnologia de Fibras Ópticas (on-line). Disponível na Internet. URL: http://xa.yimg.com/kq/groups/19828166/1372566939/ name/RedesI-6-+Cabeamento+%C3%93ptico.pdf (acesso em 2012). [4] BARCELOS, Diego Gomes, RODRIGUES, Guilherme da Cunha. Fibra Óptica (on-line). Disponível na internet. URL: http://www.al.urcamp.tche.br/infocamp/edicoes/ago05/Fibra%20aptica. pdf (acesso em 2012). [5] SOUZA, Rafaela Castelhano de. Dissertação de Mestrado. Universidade de São Paulo – Escola de Engenharia de São Carlos. São Carlos. 2012. [6] BORGES, Fátima. 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Dissertação de Mestrado. Universidade Federal de Santa Catarina. Florianópolis. 2003. [12] CHERMONT, Marlon Gripp, CANOVAS, Sergio Roberto de Mello. Sistema Supervisório para Redes LonWorks (on-line). Disponível na internet. URL: http://www.p2s.com.br/team/scanovas/files/ sist_superv_lonworks.pdf (acesso em 2012). [13] SOUZA, Fábio Luiz Vale de. Avaliação do desempenho de redes com foco na aplicação em sistemas de controle digitais. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal do Espírito Santo. Vitória. 2006. [14] Protocolos Industriais Ethernet/IP (on-line). Disponível na internet. URL: http://www.feng.pucrs.br/professores/tergolina/ Redes_e_Protocolos_Industriais/APRESENTACAO_- _Aula_10_Protocolos_Industriais_EthernetIP.pdf (acesso em 2012). [15] MOURA, Alex Soares de. Gigabit Ethernet: Um novo horizonte (on- line). Disponível na internet. URL: http://www.rnp.br/newsgen/9802/gbe-intr.html (acesso em 2012). [16] Fibra Óptica (on-line). Disponível na internet. URL: http://www.jsl- online.net/Imgs/content/page_180/Fibra_optica.pdf (acesso em 2012). [17] Fibra óptica de plástico para comunicaciones de datos (on-line). Disponível na internet. URL: http://www.ercoasl.com/index.php/id/2/ objeto/8/claves/Fibra-optica-de-plastico-para-comunicaciones-de-datos(acesso em 2012). [18] GUALTIERI, Carlos Eduardo. Técnicas de caracterização para avaliação das propriedades mecânicas dos revestimentos de poliuretano acrilado de fibra óptica. Dissertação de Mestrado. Universidade de São Paulo. São Carlos. 2002. [19] BARTOLI, J.R., COSTA, R. A., VERDONCK, P., MANSANO, R. D., CARREÑO, M. N., Filmes Ópticos Poliméricos Fluorados com Índice de Refração Gradual. Revista Polímeros, vol. 9, no. 4, Dezembro de 1999. William Costa Schumann de Melo nasceu em Itajubá, MG, em 11 de maio de 1984. Recebeu os títulos de Engenheiro Eletricista (Inatel, 2009), e Especialista em Engenharia de Sistemas Eletrônicos, Automação e Controle Industrial (Inatel, 2013). Em 2012, matriculou-se no curso de Engenharia Civil (Fepi), ramo onde possui grande interesse, assim como no segmento de exploração de óleo e gás. Júlio Arlindo Pinto Azevedo nasceu em Belo Horizonte, MG, em 27 de fevereiro de 1969. Possui os títulos: Técnico em Eletrônica (ETE “FMC”', 1987), Engenheiro Eletricista (Inatel, 1994), Mestre em Engenharia Elétrica (Unifei,2001). De 1995 a 1998 atuou como engenheiro em telecomunicações na implantação de sistemas de transmissão para operadoras de telefonia fixa e móvel. De 1998 a 2004 atuou como professor substituto do Departamento de Eletrônica da Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI, ministrando várias disciplinas nas áreas de eletrônica e telecomunicações. Desde 2006 atua como engenheiro de certificações de produto e validação de desenvolvimento de equipamentos de automação. Desde 2008 atua como professor da disciplina de redes industriais na Escola Técnica de Eletrônica FMC ministrando aulas teóricas e práticas com equipamentos do laboratório de automação. Atua como Coordenador da Comissão de Estudos do COBEI ( Comitê Brasileiro de Eletricidade, Eletrônica, Telecomunicações e Iluminação) - CE 03:031.04 para criação de normas ABNT NBR IEC na área de produtos eletrônicos para áreas classificadas.
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