PROFIBUS: Rede de Automação Industrial

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PROFIBUS
 Etapa 04
Curso de Eletrônica
Professor: Francisco Rios
Aluno: Uendel Fagundes
 
Setembro/2015
SÚMARIO
1 INTRODUÇÃO………………………………………......…………………………….... 3 
2 CLASSIFICAÇÃO GERAL DAS REDES INDUSTRIAIS......................................... 4 
3 PROFIBUS.......................................................................................................... ....4
3.1 VANTAGENS DA REDE PROFIBUS....................................................................5
3.2 ARQUITETURA PROFIBUS..................................................................................5
3.2.1 PROFIBUS DP...................................................................................................7
3.2.2 PROFIBUS FMS.................................................................................................7
3.3.1 MEIOS DE TRANSMISSÃO...............................................................................8
3.3.2 IEC-61158-2.......................................................................................................9
3.3.3 FIBRA ÓTICA ...................................................................................................10
4 FOUNDATION FULDBUS.......................................................................................10
5 AS-INTERFACE................................................................................................... ..10
6 DEVICENET.................................................................................................. .........11
7 HART/4-20Ma..........................................................................................................12
8 CONCLUSÃO..........................................................................................................13
9 REFERÊNCIAS.......................................................................................................14
1. INTRODUÇÃO
A necessidade de automação industrial esta diretamente associada a necessidade do aumento de velocidade de processamento de dados uma vez que os processos atuais estão cada vez mais complexos e variáveis o que necessita de um grande numero de controle e mecanismos de regulação. Esta autonomia traz consigo redução de custos como energia elétrica, mão de obra matéria prima, além de melhoria no controle da qualidade maior eficiência no uso da planta aumento da produtividade e segurança operacional ou seja a automação permite aproximar ao máximo a produção real com a nominal da produção.
O PROFIBUS é um padrão de rede de campo aberto e independente de fornecedores, onde a interface entre eles permite uma ampla aplicação em processos, manufatura e automação predial. Esse padrão é garantido segundo as normas EN 50170 e EN 50254. Desde janeiro de 2000, o PROFIBUS foi firmemente estabelecido com a IEC 61158, ao lado de mais sete outros fieldbuses. A IEC 61158 está dividida em sete partes, nomeadas 61158-1 a 61158-6, nas quais estão as especificações segundo o modelo OSI. Nessa versão houve a expansão que incluiu o DPV-2. Mundialmente, os usuários podem agora se referenciar a um padrão internacional de protocolo, cujo desenvolvimento procurou e procura a redução de custos, flexibilidade, confiança, orientação ao futuro, atendimento as mais diversas aplicações, interoperabilidade e múltiplos fornecedores. 
O PROFIBUS esta disponível em três versões de trabalho FMS, DP e PA dependendo de sua aplicação no setor industrial e predial, com meio de transmissão RS 485, IEC 61158-2 e fibra ótica.
O FMS (Field Message Specification, ou Especificações de mensagens de campo). Para comunicação entre plantas, com topologias complexas e alta velocidade. Destina-se a comunicação ao nível de células (nível onde se encontram os PLCs). O FMS é tão poderoso que pode suportar o volume de dados até o nível gerencial.
O DP (Decentrallised Periphery, ou Periferia Descentralizada), indicado para o chão de fábrica, onde há um volume de informações grande e há a necessidade de uma alta velocidade de comunicação para que os eventos sejam tratados num tempo adequado.
O PA (Process Automation, ou automação de processo) é o mais baixo nível do PROFIBUS. Orientado para automação de processos, permitindo que sensores e atuadores sejam conectados no mesmo barramento. Sua performance é semelhante ao DP.
 
 
2. CLASSIFICAÇÃO GERAL DAS REDES INDUSTRIAIS
De acordo com o quadro a seguir, podemos ter várias classificações das redes industriais.
Um ponto importante é diferenciar entre a rede de informação, a rede de controle e rede de campo.
A rede de informação representa o nível mais elevado dentro de uma arquitetura. Em grandes corporações é natural a escolha de um backbone de grande capacidade para interligação dos sistemas ERP (Enterprise Resource Planning), Supply Chain (gerenciamento da cadeia de suprimentos) e EPS (Enterprise Production Systems).
A função da rede de controle é interligar os sistemas industriais de nível 2 ou sistemas SCADA aos sistemas de nível 1, representados por CLPs e remotas de aquisição de dados. É possível também que equipamentos de nível 3, tais como, sistemas PIMS e MES estejam ligados a este barramento. 
As redes de campo são sistemas de comunicação industrial que usam uma ampla variedade de meios físicos, como cabos de cobre, fibras ópticas ou sem fio, para acoplar os dispositivos de campo a um sistema de controle ou um sistema de gerenciamento.
Visando a minimização de custos e aumentar a operacionalidade de uma aplicação introduziu-se o conceito de rede industrial para interligar os vários equipamentos de uma aplicação. A utilização de redes e protocolos digitais prevê um significativo avanço nas seguintes áreas:
Custos de instalação, operação e manutenção;
Procedimentos de manutenção com gerenciamento de ativos;
Fácil expansão e upgrades;
Informação de controle e qualidade;
Determinismo(Permite determinar com precisão o tempo necessário para a transferência de informações entre os integrantes da rede);
Baixos tempos de ciclos;
Várias topologias;
Padrões abertos;
Redundância em diversos níveis;
Menor variabilidade nas medições com a melhoria das exatidões;
Medições multivariáveis, etc.
3. PROFIBUS
A história do PROFIBUS começa na aventura de um projeto da associação apoiado por autoridades públicas, que iniciou em 1987 na Alemanha. Dentro do contexto desta aventura, 21 companhias e institutos uniram forças e criaram um projeto estratégico em fieldbus. O objetivo era a realização e estabilização de um barramento de campo bitserial, sendo o requisito básico a padronização da interface de dispositivo de campo. Por esta razão, os membros relevantes das companhias do ZVEI (Associação Central da Indústria Elétrica) concordaram em apoiar um conceito técnico mútuo para manufatura e automação de processos.
Um primeiro passo foi a especificação do protocolo de comunicações complexas PROFIBUS FMS (Especificação de Mensagens Fieldbus), que foi preparado para exigência de tarefas de comunicação.
Um passo mais adiante em 1993 foi a conclusão da especificação para uma variante mais simples e com comunicação mais rápida, o PROFIBUS-DP (Periferia Descentralizada). Este protocolo está disponível agora em três versões funcionais, o DP-V0, DP-V1 e DP-V2.
Baseado nestes dois protocolos de comunicação, acoplado com o desenvolvimento de numerosos perfis de aplicações orientadas e um número de dispositivos de crescimento rápido, o PROFIBUS começou seu avanço inicialmente na automação manufatura e desde 1995 na automação de processos com a introdução do PROFIBUS-PA. Hoje, o PROFIBUS é o barramento de campo líder no mercado mundial.
O PROFIBUS é um padrão de rede de campo aberto e independente de fornecedores, onde a interface entre eles permite uma ampla aplicação em processos, manufatura e automaçãopredial. Esse padrão é garantido segundo as normas EN 50170 e EN 50254. Desde janeiro de 2000, o PROFIBUS foi firmemente estabelecido com a IEC 61158, ao lado de mais sete outros fieldbuses. A IEC 61158 está dividida em sete partes, nomeadas 61158-1 a 61158-6, nas quais estão as especificações segundo o modelo OSI. Nessa versão houve a expansão que incluiu o DPV-2. Mundialmente, os usuários podem agora se referenciar a um padrão internacional de protocolo aberto, cujo desenvolvimento procurou e procura a redução de custos, flexibilidade, confiabilidade, segurança, orientação ao futuro, atendimento as mais diversas aplicações, interoperabilidade e múltiplos fornecedores. 
Hoje, estima-se próximo de 30 milhões de nós instalados com tecnologia PROFIBUS e mais de 1000 plantas com tecnologia PROFIBUS-PA. São 24 organizações regionais (RPAs) e 35 Centros de Competência em PROFIBUS (PCCs), localizados estrategicamente em diversos países, de modo a oferecer suporte aos seus usuários, inclusive no Brasil, em parceria com a FIPAI na Escola de Engenharia de São Carlos-USP, existe o único PCC da América Latina.
No nível de célula, os controladores programáveis, como os CLPs e os PCs, comunicam-se entre si, requerendo, dessa maneira, que grandes pacotes de dados sejam transferidos em inúmeras e poderosas funções de comunicação. Além disso, a integração eficiente aos sistemas de comunicação corporativos existentes, tais como: Intranet, Internet e Ethernet são requisitos absolutamente obrigatórios. Essa necessidade é suprida pelos protocolos PROFIBUS FMS e PROFINet.
3.1 VANTAGENS DE UMA REDE PROFIBUS
 As maiores vantagens de uma rede do tipo PROFIBUS são: 
1. Fim da massa de cabos para instalação entre os controladores e os elementos de campo (sensores e atuadores); 
2. Redução dos módulos de entrada e saída dos CLP’s; 
3. Padronização elétrica e mecânica, tornando a instalação independente do fabricante;
4. Curto tempo de resposta; 
5. Instalação simples, rápida e com o mínimo de possibilidade de erros; 
6. Possibilidade de ampliação rápida e simples de uma linha, caso haja necessidade; 7. Alto grau de proteção (grau de proteção IP67); 
8. Transmissão segura de dados;
3.2 ARQUITETURA PROFIBUS
PROFIBUS (Process Field Bus) é um protocolo desenvolvido pela Siemens, que se utiliza de cartões de controle, para conectar os CLP’s, computadores e outros aparelhos ao barramento de sensores e atuadores. Hoje, ele é um padrão aberto de rede. Em outras palavras, ele é livre e independente de fabricantes, podendo ser usado por todos. Sendo assim, ele tem sido amplamente utilizado para automação industrial, de processos e manufatura, e também em automação predial. Atualmente é o segundo tipo mais popular de sistema de comunicação FIELDBUS, perdendo apenas para o protocolo MODBUS. O PROFIBUS foi definido entre os anos de 1991 e 1993 na norma DIN19245, movida para EN50170 no ano de 1996, e desde o ano de 1999 está incluída nas normas IEC 61158/IEC 61784. As normas EN50170 e EN50254 garantem sua padronização, tornando possível sua interface com qualquer produto que se utiliza dessa tecnologia, sem haver necessidade de adaptações ou de dispositivos adicionais que permitam sua interface. De acordo com BARBIERI, 2005, o PROFIBUS é o sistema de comunicação mais preparado para o futuro, pelo fato de a Organização de Usuários PROFIBUS estarem atualmente trabalhando na implementação de conceitos universais para integração vertical baseada no TCP/IP.
Figura 1- Arquitetura PROFIBUS
Os protocolos de aplicação mais comuns no PROFIBUS são o PROFIBUS DP, PROFIBUS FMS e o PROFIBUS PA. Seus meios de transmissão mais comuns são os padrões RS-485, IEC 61158 e, em alguns casos especiais, a fibra ótica.
3.2.1 PROFIBUS DP
 O PROFIBUS DP (Decentralized Periphery,ou Periferia Descentralizada) é o protocolo de aplicação mais amplamente utilizado. Tem a função de integrar o nível de campo ou processo o qual é formado por sensores e atuadores. É feito para possibilitar uma alta velocidade de transmissão e um baixo custo de instalação. Este tipo de rede possui um rápido ciclo de comunicação para pequenos volumes de dados, fazendo a união entre os componentes do sistema de I/O distribuído e outros dispositivos de campo com o nível de PLC e outros dispositivos da programação.
Para a ligação de um CLP através de uma rede PROFIBUS DP aos módulos de sensores e atuadores de um sistema, é necessário uma placa processadora no rack do CLP. Esse protocolo foi o primeiro a ser desenvolvido e é indicado para processos de manufatura e controle no chão de fábrica, para substituição dos comandos 24V e sinais de 4 a 20mA. 
3.2.2 PROFIBUS FMS 
O PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification) é uma evolução do PROFIBUS DP e é empregado em comunicações ao nível de células (nível onde se encontram os CLP’s), permitindo troca de informações entre elas. De acordo com BARBIERI, 2007, é o perfil de comunicação universal para tarefas de comunicação complexas. É poderoso o suficiente para suportar comunicação entre sistemas de automação, podendo chegar até ao nível gerencial, apesar de não ser indicado. Atualmente, devido à utilização das aplicações via Ethernet, esse protocolo tem sido substituído e está caindo em desuso. 
3.2.3 PROFIBUS PA 
É a versão mais recente o PROFIBUS e talvez a mais difundida atualmente. É a solução para conexão e comunicação com equipamentos de campo e chão de fábrica, como por exemplo: comando de válvulas, leitores e transdutores de pressão, temperatura, tensão, posicionadores, sensores etc. e tem sido muito utilizado para substituição dos sinais de 4 a 20mA. A grande vantagem da sua utilização é a confiabilidade da transmissão das informações, e também as inúmeras possibilidades, como o acompanhamento da situação de cada componente, desativação ou substituição de um componente por outro sem a parada completa do sistema, dispositivos que dão o próprio diagnóstico, e principalmente a versatilidade, por poder ser usado em qualquer segmento de automação e controle. Geralmente a medição e controle através do PROFIBUS PA são feitos através de um par de fios simples, de preferência trançado, pois esse modelo de cabo diminui a incidência de correntes de auto-indução. O emprego de um par de fios significa uma redução significativa do custo de instalação, reparos e um ganho no tempo de startup.
Figura 2- Exemplo de par de fio trançado.
O PROFIBUS PA também atende elevadas exigências no quesito segurança, podendo ser utilizado em áreas intrinsecamente seguras (áreas com potencial explosivo, por exemplo).
3.3.1 MEIOS DE TRANSMISSÃO
 Basicamente, os três meios físicos de transmissão mais utilizados na instalação de uma rede PROFIBUS são os mesmos, podendo variar o tipo de cabo e o tipo de conexão, de acordo com a necessidade de cada aplicação. Como os mais comuns e mais difundidos, serão citados os conectores padrão RS-485, o IEC 61158-2 e a fibra ótica. 3.4.1 RS-485 É o meio o meio mais utilizado, sendo considerado o meio universal. Nesse tipo de instalação, os dispositivos são ligados a uma estrutura de tipo barramento linear. Apenas um fio composto de um par trançado de fios de cobre blindados, também conhecido como cabo shield é necessário como meio de transmissão, por isso é o meio mais barato disponível, quando não é necessária nenhuma medida de segurança adicional.
Figura 3- RS 485 fêmea e macho.
3.3.2 IEC-61158-2 
Desenvolvido para atender os requisitos de segurança exigido por petrolíferas e indústrias químicas, o meio de comunicação IEC-61158-2 permite instalação em áreas de segurança intrínseca, e que os dispositivos sejam energizados pelo próprio barramento. Hoje é internacionalmente reconhecido como modelo básico para barramentos em áreas classificadas. Cada segmento do circuito possui apenas uma fonte de alimentação, e enquanto uma estação está enviando informações, a energia não é fornecida ao BUS. Quandoem estado de repouso, os dispositivos de campo consomem uma corrente quase que insignificante. As opções e os limites de trabalho em áreas potencialmente explosivas foram definidos segundo o modelo FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept).(CASSIOLATO,2010); A tabela a seguir mostra algumas características do IEC 61158- 2(CASSIOLATO,2010):
3.3.3 FIBRA ÓTICA 
É o meio de transmissão menos utilizado, apenas em ocasiões especiais, quando se necessita de um comprimento elevado de rede, ou quando o meio de transmissão está sujeito a grandes interferências eletromagnéticas, ou até mesmo para elevar as taxas de transmissão. A topologia da rede que se utiliza da fibra ótica geralmente é em estrela ou em anel. Uma grande vantagem da utilização da fibra ótica é a possibilidade de redundância, ou seja, meios físicos alternativos que impedem o corte das informações transferindo automaticamente os dados para outro meio quando detectada a falha.
4 FOUNDATION FIELDBUS
Este é um protocolo de comunicação digital bidirecional que permite a interligação em rede de vários equipamentos diretamente no campo, realizando funções de controle e monitoração de processos e estações (IHMs) através de softwares supervisórios. Está baseado no padrão ISO/OSI, onde se tem as seguintes camadas: Physical Layer, Communication Stack e User Application, onde podemos citar o gerenciamento de forma abrangente com a aplicação envolvendo o Fieldbus Access Sublayer(FAS), o Fieldbus Message Specification(FMS) e o modelo de Function Blocks mais Device Descriptions.
O Physical layer (Meio Físico) é definido segundo padrões internacionais (IEC, ISA). Ele recebe mensagens da camada de comunicação (Communication Stack) e as converte em sinais físicos no meio de transmissão fieldbus e vice-versa, incluindo e removendo preâmbulos, delimitadores de começo e fim de mensagens. 
5 AS-INTERFACE
Em 1990, na Alemanha, um consórcio de empresas bem sucedidas elaborou um sistema de barramento para redes de sensores e atuadores,denominado Actuator Sensor Interface (AS-Interface ou na sua forma abreviada AS-i). Esse sistema surgiu para atender a alguns requisitos definidos a partir da experiência de seus membros fundadores e para suprir o mercado cujo nível hierárquico é orientado a bit. Desta forma, a rede AS-i foi concebida para complementar os demais sistemas e tornar mais simples e rápida as conexões entre sensores e atuadores com os seus respectivos controladores. 
Um sistema industrial formado por redes AS-i é considerado um dos mais econômicos e ideal para comunicação entre atuadores e sensores. Os benefícios da utilização de uma rede AS-i vão desde economias de hardware até o comissionamento de uma rede AS-i propriamente dita.
Vejamos alguns benefícios da rede AS-i:
Simplicidade: Uma rede AS-i é muito simples, pois requer apenas um único cabo para conectar módulos de entradas e saídas de quaisquer fabricantes. Usuários de uma rede AS-i não precisam ter profundos conhecimentos em sistema industriais ou protocolos de comunicação. Diferentemente de outras redes digitais, a rede AS-i não precisa de terminadores e de arquivos de descrição de equipamentos. A simplicidade é seu ponto forte.
Desempenho: Sistemas AS-i são eficazes e incrivelmente rápidos, o que os tornam aptos a substituírem sistemas grandes e com altos custos. Existem mestres AS-i, especialmente, desenvolvidos para comunicarem com sistemas legados de controle e promoverem uma suave integração entre as tecnologias existentes. O melhor detudo é que isto é realizado de forma simples e confiável.
Flexibilidade: A expansibilidade é muito fácil – apenas conecte um módulo, enderece-o e, então, conecte o cabo da rede. Verifique se LED de alimentação está ligado e, então, você já está liberado para a conexão do próximo módulo. A rede AS-i suporta qualquer topologia de cabeamento: estrela, barramento, árvore, anelar ou qualquer outra configuração com até 100 metros de cabo. 
Custo: Redes AS-i tipicamente reduzem o custo de cabeamento e instalação em torno de 50% em comparação com outras redes convencionais. A utilização de um único cabo para conexão com equipamentos discretos reduz a necessidade de gabinete, conduítes e bandejas. As economias geradas na utilização da rede podem ser realmente significantes, pois a utilização de poucos cabos diminui os custos de instalação, comissionamento e, por ser uma rede simples, as horas de engenharia.
 
6 DEVICENET
DeviceNet é um rede digital, multi-drop para conexão entre sensores, atuadores e sistema de automação industrial em geral. Ela foi desenvolvida para ter máxima flexibilidade entre equipamentos de campo e interoperabilidade entre diferentes vendedores.
Apresentado em 1994 originalmente pela Allen-Bradley, o DeviceNet teve sua tecnologia transferida para a ODVA em 1995. A ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) é uma organização sem fins lucrativos composta por centenas de empresas ao redor do mundo que mantém, divulga e promove o DeviceNet e outras redesbaseadas no protocolo CIP (Common Industrial Protocol). Atualmente mais de 300 empresas estão registradas como membros, sendo que mais de 800 oferecem produtos DeviceNet no mundo todo.
A rede DeviceNet é classificada no nível de rede chamada devicebus, cuja características principais são: alta velocidade, comunicação a nível de byte englobando comunicação com equipamentos discretos e analógicos e alto poder de diagnostico dos devices da rede.
A tecnologia DeviceNet é um padrão aberto de automação com objetivo de transportar 2 tipos principais de informação:
dados cíclicos de sensores e atuadores, diretamente relacionados ao controle e,
dados acíclicos indiretamente relacionados ao controle, como configuração e diagnóstico.
Os dados cíclicos representam informações trocadas periodicamente entre o equipamento de campo e o controlador. Por outro lado, os acíclicos são informações trocadas eventualmente durante configuração ou diagnóstico do equipamento de campo.
A camada física e de acesso da rede DeviceNet é baseada na tecnologia CAN (Controller Area Network) e as camadas superiores no protocolo CIP, que define uma arquitetura baseada em objetos e conexões entre eles.
Uma rede DeviceNet pode conter até 64 dispositivos onde cada dispositivo ocupa um nó na rede, endereçados de 0 a 63. Qualquer um destes pode ser utilizado. Não há qualquer restrição, embora se deva evitar o 63, pois este costuma ser utilizado para fins de comissionamento.
 
7 HART/4-20Ma
Atualmentemuito se fala em termos de redes fieldbus, mas tem-se muitas aplicações rodando em HART (Highway Addressable Remote Transducer), tendo vantagens com os equipamentos inteligentes e utilizando-se da comunicação digital de forma flexível sob o sinal 4-20mA para a parametrização e monitoração das informações.
Introduzido em 1989, tinha a intenção inicial de permitir fácil calibração, ajustes de range e damping de equipamentos analógicos. Foi o primeiro protocolo digital de comunicação bidirecional que não afetava o sinal analógico de controle.
Este protocolo tem sido testado com sucesso em milhares de aplicações, em vários segmentos, mesmo em ambientes perigosos. O HART permite o uso de mestres: um console de engenharia na sala de controle e um segundo mestre no campo, por exemplo um laptop ou um programador de mão.
8. CONCLUSÃO
As Redes de Comunicação Industrial têm um papel fundamental para as indústrias em geral. Hoje a automação extrapola o chão de fábrica e chega ao mundo dos negócios. Vimos vários padrões abertos e suas características. 
O fator tecnológico é imprescindível para a sustentabilidade de uma unidade industrial. A inovação tecnológica é responsável pelo rompimento e/ou aperfeiçoamento das técnicas e processos de produção. Pode, desta forma, trazer ganhos em termos de competitividade. Neste caso, deve-se romper com a tecnologia convencional e ampliar as possibilidades de sucesso com ainovação demandada pelo mercado, neste caso sistemas de automação verdadeiramente aberto, com tecnologia digital, baseado em redes industriais e com várias vantagens comparadas aos convencionais SDCDs.
A mudança do controle de processo da tecnologia 4-20 mA para as redes digitais e sistemas abertos já se encontra num estágio de maturidade tecnológica e usuários colhendo seus benefícios. Essa mudança é encarada como um processo natural demandado pelos novos requisitos de qualidade, confiabilidade e segurança do mercado. A sua utilização traz uma vantagem competitiva, no sentido que essa nova tecnologia traz aumentos de produtividade pela redução das variabilidades dos processos e redução dos tempos de indisponibilidade das malhas de controle.
9. REFERÊNCIAS
1.CASSIOLATO, Cesar. Redes Industriais. ARTIGOS TECNICOS. 
Disponível em: http://www.smar.com/newsletter/marketing/index150.html
 
2. CASSIOLATO, C; PADOVAN, M. A; TORRES, L.H.B, Descrição Tecnnica Profibus 2012, Associação Profibus brasil América Latina, janeiro 2012.
3. http://sites.google.com/site/estudantesengenharia/apostilas/redes-industriais
4. SMAR, Disponível em < http://www.smar.com/newsletter/marketing/index163.html>
5. MITCHELL, R. W. “PROFIBUS, a Pocket Guide” 1ª ed. Southport, Reino Unido. ISA, 2004
6. MORAES, C.C., CASTRUCCI, P. L. “Engenharia de Automação Industrial”. 2ª ed. Rio de Janeiro, LTC, 2007.
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