CT058 Diagnósico de falhas Fieldbus

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DIAGNÓSTICO AVANÇADO NO FIELDBUS
1. RESUMO
Este artigo irá apresentar uma série de benefícios significantes para o aumento de confiabilidade na 
nova tecnologia, através de equipamentos de última geração para diagnóstico avançado da camada 
física quando aplicado às redes Fieldbus Foundation™ ou Profibus PA™ para monitorar a 
comunicação, infra-estrutura de cabos, fontes de alimentação fieldbus, terminadores, eletrônicas de 
proteção e outros dispositivos relacionados à camada física. Será apresentado também a maneira de 
como a integração do diagnóstico da camada física à qualquer segmento fieldbus pode, de fato 
reduzir custos quando utilizado durante toda a fase do projeto. Adicionalmente, a prevenção de falhas 
ou manutenção proativa é a principal chave de qualquer sistema de diagnóstico, sendo que este 
documento ira ainda considerar a diferença entre o diagnóstico básico e o avançado da camada 
física.
2. INTRODUÇÃO
Sistemas clássicos de controle e instrumentação de 4-20mA tem sido comumente utilizado por 
inúmeras plantas de produção ao redor do mundo durante décadas. Enquanto a confiabilidade dos 
““loops”” de 4-20mA são aceitáveis, falhas ocorrem regularmente, e muitas delas não podem ser 
detectadas ou discernidas; por exemplo, um caixa de junção pode ter sofrido infiltração de água e 
correntes de desvio através dos terminais imergidos irão resultar em uma leitura errônea, 
prejudicando assim a performance da planta. Existem inúmeras outras falhas que podem ocorrer, e 
muitas delas podem ser evitadas preventivamente se forem detectadas a tempo. Infelizmente, para 
instalar um equipamento automático de teste, suficientemente sofisticado para disponibilizar tal 
preventividade para cada sinal 4-20mA é mais dispendioso que os instrumentos que estarão 
realizando a medição da grandeza, portanto a opção custo e complexidade deverá sempre ser 
considerada. Tradicionalmente, a atenção aplicada aos cabos de 4-20mA e instrumentos durante as 
fases de construção e comissionamento irão envolver equipamentos de operação manual ou
testadores de “loop” utilizado por engenheiros altamente qualificados que agem de forma reativa – se 
uma falha é descoberta, o reparo é feito. Através da ‘pressão do tempo’ muitos ““loops”” acabam não 
sendo verificados principalmente com relação à falhas que poderiam causar problemas no futuro 
durante a operação da planta. Tendo isto em mente, seria uma grande vantagem ter um equipamento 
de teste automático, disponibilizando sinais gerados por computador que pudessem ser conectados a 
cada “loop” de 4-20mA e operados ao “toque de um botão”.
Levando este estágio adiante, poderia ser ainda mais vantajoso se o mesmo equipamento automático 
de teste pudesse monitorar continuamente as condições de cada “loop” 4-20mA durante a operação 
da planta. 
Com a introdução do fieldbus e com a comunicação digital mais robusta quando comparada com o 
tradicional 4-20mA, agora encontramos apenas um cabo tronco fieldbus que ira servir até 32 
instrumentos fieldbus. Portanto, a opção de instalar um equipamento de teste com diagnóstico 
avançado em cada tronco deve ser levada em consideração e até mesmo dizer que esta ferramenta 
pode realmente reduzir gastos com montagem e comissionamento assim como gastos operacionais. 
As reduções de custo se tornam aparentes quando se consideram as características chave 
oferecidas por um equipamento de teste de diagnóstico automático para cada fase do ciclo de 
projeto:
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Fase: Construção e comissionamento
Rapidamente, o teste de cada rede pode ser feito através do simples toque de um botão. Relatórios 
de teste precisos e completos podem ser impressos através do computador.
Fase: Construção, comissionamento e operação
Teste cada tronco para conformidade ou conformidade continua de acordo com o padrão fieldbus IEC 
61158-2. Identifique automaticamente e relate qualquer erro que pode levar a uma falha.
Fase: Operação
Sempre conectado e disponivel, irá monitorar e reportar automaticamente durante 24 horas ao dia, 7 
dias por semana, ano a ano. Para colocar os gastos capitais em perspectiva: o custo de instalação da 
nova geração dos sistemas de diagnóstico avançado que são necessários para diagnosticar 100 
segmentos fieldbus suportanto aproximadamente 1.200 dispositivos, são equivalentes o custo de um 
engenheiro de instrumentação por apenas 3 meses – não considerando os custos dos equipamentos 
de suporte. Naturalmente o fieldbus reduz a densidade da fiação de campo, mas se as coisas vão 
para o caminho errado, o sistema de controle pode perder vários dispositivos e muitos ““loops”” de 
controle de uma só vez. Portanto, o design, a construção e a manutenção preditiva de um fieldbus, é 
uma consideração muito importante.
3. DIAGNÓSTICO BÁSICO
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Os tipos de fieldbus considerados para o sistemas de diagnóstico descritos neste artigo são o 
Fieldbus Foundation™ e o Profibus PA™
O que é a camada física ?
A camada física envolve o cabo tronco ou cabo principal, cabos de spur, instrumentos, terminais, 
terminadores posicionados em cada extremidade do cabo, fontes de alimentação, interfaces, 
equipamentos de proteção (Segment Protectors, etc) assim como a comunicação física do fieldbus (o 
sinal, etc).
O que é diagnóstico da camada física ?
Diagnóstico da camada física é simplesmente um equipamento de teste, que é conectado a cada 
rede fieldbus através do cabo tronco, o qual é capaz de reliazar um teste, monitoramento e 
diagnóstico contínuo de toda a rede para verificação da degradação de componentes físicos e 
desvios que podem levar à uma falha parcial ou total. Ela também verifica a conformidade da rede de 
acordo com a IEC61158-2, o padrão fieldbus.
Ferramentas de diagnóstico da camada física
A fig. 3-1 ilustra um típico sistema de diagnóstico on-line. Diferentes versões de equipamentos de 
teste são gradualmente introduzidos no mercado em vários graus e performance e custo.
O resumo abaixo descreve a gama de produtos em termos básicos:
Simples handhelds:
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Ferramentas para diagnóstico avançado tipo Handhelds verificam falhas rudimentares e testes off-
line.
Dispositivos básicos on-line:
Sistemas de diagnóstico da camada física básicos on-line realizam a detecção de falhas rudimentares 
onde eles podem ser utilizados para comissionamento e para medição contínua para detecção de 
falhas operacionais e alarmes.
Dispositivos de diagnóstico portáteis:
Sistemas portáteis de diagnóstico para a camada física são utilizados para testes avançados onde o
sistema de controle e as fontes de alimentação associadas ainda não foram disponibilizadas para 
comissionamento ou para detecção de falhas operacionais detalhadas.
Dispositivos avançados on-line:
Dispositivos de diagnóstico avançado on-line são utilizados para construção, comissionamento e 
testes operacionais, detecção de falhas, geração de documentação/relatório e para detecção prévia 
de falhas. Sistemas on-line são permanentemente conectados a cada segmento para verificação 
contínua durante todo o ciclo da instalação.
A evolução do diagnóstico
Retornando ao tempo, os diagnósticos primitivos estavam disponíveis em forma de verificação de 
saídas com zero elevado ou simples verificações dos estados dos I/O´s, etc. A introdução do HART, 
certamente trouxe novos benefícios com sua instrumentação superior e diagnóstico de processo. 
Entretanto, dispositivos HART tem somente capacidade de diagnóstico limitado devido à largura de
banda restrita ou processamento. O introdução do fieldbus acelerou o uso de sensores e diagnósticos 
de processo mais sofisticados e, recentemente com a introdução do diagnóstico avançado da 
camada física, o sistema como um todo pode agora ser extensamente monitorado não somente em 
caso de falhas, mas também para várias outras situações.
Por que o diagnóstico avançado da camadafísica é mais benéfico ?
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Você pode ser influenciado a acreditar que o diagnóstico da camada física pode ser realizado 
simplesmente através de um voltímetro e um analisador de amplitude/ruído conectado ao tronco com 
uma característica de alarme. Entretanto, experiências e pesquisas extensivas, tem mostrado que 
quanto mais tipos de medição forem realizadas, melhor será a detecção de um grande número de 
falhas envolvidas. Por exemplo, mudanças dos níveis de ruído ou instabilidade de sinal, medição de 
jitter são utilizadas para detectar variações minutas causada por tais características envolvidas. Veja 
também ‘explicação sobre jitter’ neste documento. Alem disso, uma grande quantidade de funções de 
diagnóstico serão conduzidas a melhores estruturas de relatório e a revelar erros potenciais que 
podem se manifestar durante a operação da planta.
O diagnóstico avançado da camada física disponibiliza muito mais analises de medição de sinais AC 
e DC, onde a figura 3-3 apresenta os tipos de medição do diagnóstico avançado da camada física, 
comparados os disponibilizados pela ferramenta básica.
A importância e limitações do diagnóstico avançado da camada física on-line durante a 
operação
Para qualquer sistema, falhas que ocasionam paradas podem afetar a produção, qualidade do 
produto e em raras ocasiões, conduzir à uma catástrofe ambiental ou situação insegura. Portanto, 
avisos precoces de falhas são a essência por trás da manutenção proativa e eliminação de falhas –
para o fieldbus, isto é uma tarefa extremamente importante para se implementar tendo em vista o 
número de dispositivos e “loops” de controle suportados no segmento – e uma das que podem ser 
feitas com baixo custo. O primeiro objetivo do sistema de diagnóstico é monitorar e anunciar
pequenas mudanças ou características de uma falha, antes que ela se torne destrutiva para então ser 
reparada ou retificada. Este objetivo irá também incluir a conformidade da camada física com as 
normas apropriadas.
Aplicando o diagnóstico da camada física on-line, combinados com capacidades de diagnóstico 
existentes, irá disponibilizar um indicação de muitas falhas. Estando on-line, e em cada segmento, 
significa que uma falha ou falha intermitente podem ser verificadas imediatamente à qualquer 
momento e em qualquer segmento ou em qualquer parte do segmento. O tempo de ação é 
importante porque muitas falhas ou falhas de propagação podem ser aleatórias e/ou intermitentes ou 
associadas à um evento externo. Sistemas de diagnóstico individuais não irão garantir alta 
confiabilidade. Existem falhas óbvias que podem ocorrer, onde avisos de diagnóstico serão parte de 
uso preditivo, por exemplo um curto direto do cabo tronco ou uma abertura de circuito causado por 
alguém em algum instrumento. Enquanto estes tipos de falhas são indesejadas, há medições de 
proteção que podem colocar a rede livre destas falhas. Com considerações cautelosas aos pontos 
comuns de falha, por exemplo cabo tronco e terminais, terminadores, fontes de alimentação, proteção 
mecânica e/ou eletrônica podem ser aplicadas às estas áreas para melhorar o efeito e portanto 
reduzir a probabilidade deste tipos de falhas para um nível baixo – ou até mesmo eliminar o risco 
conjunto. A outra vantagem significante com equipamentos on-line é que quando não há tempo para 
monitoramento, detecção de falhas, teste ou validação é possível levantar registros e se referir à 
diagramas de fiação. Rastrear pontos terminais através de testes de conexão ou equipamentos de 
diagnóstico também. Modificar cabeamento em painéis da sala de controle ou cabos de passagem. 
Se faz necessário ir à campo e abrir caixas de junção até que se detecte um ponto específico para 
manutenção e reparo. Portanto o potencial de introdução de erros são minimizados e o tempo para 
decteção de erros é reduzido drasticamente.
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A desvantagem de se utilizar testadores fieldbus ‘off-line’ tipo handheld
Testadores fieldbus tipo handheld são somente utilizados para manutenção reativa onde já ocorre a 
falha do segmento (quando já é tarde) ou quando o sistema de controle indicou que a troca de dados 
foi corrompida na forma de gravação de dados de retransmissão. Retransmissão de dados irá afetar 
a velocidade do “loop” de controle, e em alguns casos, múltiplas retransmissões irão causar o sistema 
de controle à instigar uma queda do segmento ou forçar o “loop” para operação manual. A 
retransmissão devido à dados corrompidos é de fato uma falha e, portanto, qualquer indicação de 
corrompimento de dados potenciais deverá ser analisada antes que a retransmissão de dados ocorra. 
Isto não é uma tarefa fácil, e para cobrir efetivamente, requer medições de diagnóstico avançado on-
line e softwares analíticos.
4. INFORMAÇÃO DE DIAGNÓSTICO E RELATÓRIO
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Como indicado anteriormente, uma maior quantidade de funções de diagnóstico irá conduzir a uma 
estrutura de relatório mais detalhada. Embora os tipos de medição sejam extremamente complexos, a 
informação entregue deverá ser formatada de forma que o operador observe avisos de diagnóstico e 
seja capaz de agir através dela apropriadamente, por exemplo o operador deve decidir se através da 
informação disponibilizada o engenheiro de manutenção deverá ser chamado para ação imediata, ou 
se deverá ser programado reparo para a próxima parada. Por outro lado, a informação disponibilizada 
será mais detalhada, especificamente desenhada para detecção de erros extensiva por um 
engenheiro de manutenção o até mesmo um engenheiro especialista remoto. Boas medições de 
diagnóstico requerem bons softwares de análise, os que são geralmente complexos para serem 
implementados em dispositivos tipo handheld, e para que se possa decodificar estes resultados se 
faz necessário o uso de softwares de análise sofisticados. A informação gerada através de 
dispositivos de diagnóstico portáteis e softwares de diagnóstico on-line deve ser confiável para servir 
a vários níveis de usuário:
O engenheiro de comissionamento/manutenção
O engenheiro de manutenção e comissionamento irá necessitar de informação de diagnóstico 
avançado para acessar e indicar falhas de queda de comunicação e falhas tolerantes que podem ser 
esquecidas durante as atividades normais de comissionamento. Por outro lado, para agilizar o 
processo para segmentos livres de falhas, tudo o que será requerido é simplificado e indicado 
claramente através de sinalizações.
O operador
O operador irá necessitar de informações gerais sobre as condições do segmento fieldbus. A 
necessidade do operador está em ser informado de qualquer desvio a partir de condições iniciais 
definidas para o segmento e ser capaz de tomar a ação correta, devendo uma falha ser detectada ou 
anunciada. Isto pode ser uma decisão para convocar o engenheiro de manutenção imediatamente, 
colocar o “loop” em operação manual, e ser requisitada para manutenção na próxima programação 
de parada.
O engenheiro de manutenção
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A manutenção necessitará acesso total às informações técnicas para aplicação correta das ações 
corretivas seja no caso das falhas ocorridas serem detectadas ou registradas. Eles irão ainda 
necessitar de resumos ou relatórios conclusivos de modo à indicar a causa do problema. Histórico de 
alarmes irão também ser armazenados na ferramenta de gerenciamento de alarmes, portanto 
qualquer falha registrada poderá ser vista no real momento da ocorrência do evento.
4.1 O rastreamento de falhas
Obviamente o diagnóstico não irá ajudar a prevenir falhas tais como na ocorrência de curto circuitos 
no tronco ou abertura de circuitos. O software de diagnóstico terá pelo menos o armazenamento do 
evento da falha e tempo de ocorrência assim como os dados que conduziram ao evento da falha – da 
mesma forma que a caixa preta do avião funciona. Portanto, irá ser disponibilizado uma trilha de 
falhas quepodem ser utilizadas para indicar o ponto e o que poderia ter causado a falha ou desastre 
mais decisivamente e também ser usado para ajudar nas medidas de implementação para prevenir a 
recorrência de falhas ou disastres.
4.2 O Osciloscópio fieldbus
O osciloscópio fieldbus realiza a conexão entre o diagnóstico automático e a detecção manual de 
problemas onde maiores informações em profundidade podem ser acessadas por engenheiros 
especializados a partir de um osciloscópio digital dedicado, incorporado com uma vasta seleção de 
pontos de “trigger” específicos. Um osciloscópio é de longe a melhor ferramenta para a detecção de 
problemas incomuns ou complexos, e integrando o osciloscópio com o módulo de diagnóstico traz 
uma série de vantagens:
Fig. 4-3: Exemplo de osciloscópio com propriedades de zoom, pontos de ‘trigger específicos e armazenamento 
digital.
Economia valiosa de tempo durante as paradas 
Integrando um osciloscópio no modulo de diagnóstico pode-se economizar muitas horas de parada –
o tempo gasto para se ler e encontrar arquiteturas, rastrear os terminais corretos e conectar 
dispositivos de teste na sala de controle, e assim por diante.
Eliminação de distúrbios nas caixas de junção e cabos
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Também distúrbios dos cabos na sala de controle, ou abertura de caixas de junção no campo para 
conexão de osciloscópios podem trazer ou adicionar mais falhas. Utilizando um osciloscópio 
incorporado on-line, elimina-se a necessidade de se alterar qualquer hardware até que um reparo 
específico seja necessário.
Uma gravação também para uso remoto
Os dados do osciloscópio podem ser gravados de forma simples, nos terminais de manutenção. 
Deste modo, um registro pode ser encontrado, e a informação pode também ser enviada 
remotamente à um especialista para detecção adicional de problemas, novamente economizando 
tempo valioso.
5 Infra-estrutura do diagnóstico Avançado
A integração do diagnóstico avançado da camada física nas fontes de alimentação fieldbus
Para diminuição de custos, um módulo de diagnóstico da camada física deve ser capaz de monitorar 
vários segmentos fieldbus ao mesmo tempo. Uma ótima preocupação entre performance, 
complexidade dos dispositivos e custo de hardware, resulta em um módulo simples de diagnóstico 
que gerencia quatro segmentos simultaneamente. Para se minimizar esforços de fiação, o módulo de 
diagnóstico deve ser parte do sistema de alimentação do fieldbus. Hoje fontes fieldbus de alta 
tecnologia oferecem módulos de diagnóstico integrados, simples fontes de alimentação (com 
redundância opcional) são agrupadas em uma placa mãe para manter a fiação e a manutenção 
simples e de baixo custo. Esta configuração vem ganhando grande atenção do usuário e em um 
futuro próximo, a maioria das fontes de alimentação fieldbus serão fornecidas já com o diagnóstico da 
camada física como padrão.
5.1 Informação de Diagnóstico – integração à arquitetura
A informação do hardware de diagnóstico pode ser transferida através de uma rede de diagnóstico 
dedicada ou através do próprio fieldbus. Mas o caminho mais efetivo é utilizar uma rede dedicada ou 
separada, onde vários módulos de diagnóstico podem ser conectados, através de Ethernet, para o 
sistema superior. Informações de status são utilizadas pelo operador e o acesso completo é
disponibilizado pela estação de gerenciamento dos instrumentos.
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Importante consideração:
Transmitindo a informação de diagnóstico através do próprio segmento fieldbus, requer custos 
adicionais de interfaces de controle e fontes de alimentação com aumento significativo no custo do 
sistema de controle. Além disto, a disponibilidade da informação de diagnóstico depende da 
disponibilidade do segmento fieldbus através do qual a informação de diagnóstico é transferida. Se 
um erro fatal ocorrer no segmento, a informação de diagnóstico pode não ser enviada para o controle 
no caso onde há mais necessidade. Adicionalmente, a banda de comunicação de um segmento H1 
não foi desenvolvida para enviar a quantidade de falhas de diagnóstico avançado on-line da camada 
física - efeito e detecção de dados os quais são necessários para se analisar adequadamente a parte 
física do segmento fieldbus. Portanto, o direcionamento dos dados de diagnóstico através de um 
cabo digital separado é a única saída para uma coleta confiável e eficiente do diagnóstico.
6 Causa, efeito e deteçção da falha
Causas potenciais de falhas e seus efeitos
Sem dúvida, um fieldbus bem projetado e cuidado irá operar sem problemas durante muitos anos. 
Entretanto, como todo sistema eletrônico, falhas podem ocorrer em alguns segmentos e em alguns 
pontos durante a vida operacional. Falhas de fieldbus podem desenvolver ou ocorrer a qualquer 
momento sem aviso prévio. Falhas podem surgir de mudanças insignificantes, desde um simples 
alarme até uma falha fatal. O próximo tópico irá cobrir detalhes de vários tipos de falhas – não 
somente falhas óbvias cobertas pelo diagnóstico básico. Também deve ser lembrado que muitas das 
falhas indicadas abaixo podem também ser aplicadas aos sistemas 4-20mA:
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Falhas Pólo-Shield (desbalanceamento)
O pólo de um cabo, seja negativo ou positivo, pode criar diretamente um contato resistivo com o 
shield. Isto é uma falha comum, presente normalmente quando pontas de cabo são deixadas de 
forma inadequada no invólucro do instrumento, ou quando um cabo foi danificado durante a 
montagem. Entretanto, nem todas as falhas estão diretamente relacionadas com curto circuitos ou 
com baixas resistências de contato.- elas podem ser capacitivas ou de alta impedância: Um cabo 
pode ter desbalanceamento capacitivo inaceitável em razão de condições ruins de instalação ou 
deficiências de manutenção, as quais são adicionalmente compostas por desbalanceamento de 
instrumento ou o cabo, e uma falha subseqüente será normalmente conduzida a um problema – por 
exemplo, um pólo pode ter uma conexão capacitiva à terra e o outro pólo pode estar curto-circuitado 
diretamente ao “shield”. O desbalanceamento irá aumentar a sensibilidade da rede à ruídos e 
portanto irá aumentar a probabilidade de erros de comunicação.
Falhas Pólo-Pólo
Assim como uma falha de pólo-shield é uma falha possível, então uma falha pólo-pólo também tem 
igual probabilidade de ocorrer. Um curto-circuito direto em um tronco é uma falha que não pode ser 
tolerada, e o segmento irá falhar. Mais uma vez, nem todas as falhas são curto-circuitos diretos sendo 
que algumas podem ser resistivas por exemplo, onde capacitores de filtro de um instrumento ou 
semicondutores de proteção contra sobre tensão podem romper, cabos ou caixas de junção podem 
estar cobertas de água, e assim por diante.
Crosstalk, ruído e interferência
Ruídos vem de muitas formas e podem se encontrar em todo o espectro de freqüência. Ruídos 
podem ser captados de fontes próximas com freqüência variável, ou o cabo por si só pode estar 
sujeito à vibração. Ruído pode também induzido por interferências eletromagnéticas ou recebidos de 
cabos vizinhos como crosstalk. Os “loops” de terra são outra forma de ruídos de baixa e alta 
freqüência que podem ser transmitidos pelo shield afetando portanto os cabos de tronco e spur. De 
fato, as falhas de aterramento são consideradas as piores inimigas da qualidade de sinal e são a 
causa mais comum dos problemas. Os padrões fieldbus determinam os limites permitidos para os 
níveis de ruídos através do espectro de freqüência desde sinais DC até dezenas de Megahertz, onde 
o ruído mais destrutivo é o que se encontra na faixa de freqüência de trabalho da rede onde níveis 
maiores que 75mV pico-a-pico não são permitidos.
Falhas de Terminação
Terminadores simples são considerados pontos comuns de falha – atém mesmo fontes de 
alimentação redundantes com os tão falados ‘terminadores redundantes eletrônicos’ irão sempre ser 
um simplesterminador nos extremos do tronco. Terminadores falham em razão de rompimento de 
resistores e circuitos abertos causando a perda da terminação, ou em alguns casos causando baixas 
impedâncias causadas por distorções de sinal. Capacitores podem falhar em vários casos: circuitos 
abertos ocasionando perdas de terminação, curto-circuito ocasionando uma falha fatal do segmento 
ou destruição de componentes ou ainda baixa impedância, assim como perdas graduais da 
terminação devido à estados condutivos e resistivos. Terminadores eletrônicos redundantes e 
terminadores automáticos são pontos de falhas, uma vez que dispositivos eletrônicos complexos que 
possuem a função de chaveamento e sensoreamento são mais suscetíveis. Terminadores 
automáticos podem se desativar em pontos inconvenientes do segmento, deixando longos 
comprimentos de cabo sem terminação. NOTA: Terminadores redundantes não são redundantes no 
sentido da palavra, mas uma simples falha de um componente, não irá ocasionar uma falha fatal se 
comparado ao terminador simples. Ao invés disto ele irá causar uma mudança tolerável na 
impedância da rede que poderá ser detectada através do módulo de diagnóstico avançado permitindo 
portanto a realização de uma manutenção imediata ou programada.
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Subterminação e sobreterminação
Um sistema pode tolerar certos graus de subterminação ou sobreterminação dependendo da 
configuração da rede e da qualidade do sinal. Outros fatores influenciáveis envolvem a qualidade das 
fontes de alimentação fieldbus e a carga da rede. Um terminador perdido ou em falha na extremidade 
de um longo cabo de tronco irá sempre deixar o cabo aberto para reflexões de sinal e irão criar 
distorções. Até mesmo em laboratórios de teste pode-se demonstrar que isto pode ser tolerado em 
pequenos comprimentos de cabo, porém no campo e na vida real pode ser uma história diferente.
Falhas de fontes de alimentação ou de impedância
Impedâncias passivas de fontes de alimentação fieldbus podem ser ajustadas, pois são constituídas 
por indutores passivos e robustos, portanto mudanças de impedância são possíveis. Por outro lado, a 
impedância de fontes de alimentação ativas dependem de capacitores e transistores, e estes 
componentes podem falhar até mesmo em casos onde as fontes trabalham em pares redundantes. 
Variações de impedância ou falhas de fontes de alimentação fieldbus ativas não irão sempre conduzir 
a uma atenuação de sinal. O que normalmente irá ocorrer é que os topos de sinal irão crescer ou 
decrescer dependendo de quão capacitivo ou indutivo estiver o circuito: Sinais de queda ou ascenção 
podem ocasionar erros de ‘jitter’ , e portanto podem resultar em múltiplas retransmissões de dados 
antes que a falha fatal ocorra. (Veja Fig. 6-2)
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Infiltração de água
Infiltração de água nos cabos e terminais, causadas por uma falha de isolação, selamento de caixas 
de junção, cabos fraturados ou porosos, não irão induzir ruído. Ao invés disto, irão conduzir 
eletricidade resultante do aumento considerável de corrente do tronco ou do aterramento. De fato, a 
infiltração de água é mais complexa que somente analisar um caminho condutor, e pode realmente 
não fazer nada – no caso de condensação por exemplo, na forma pura, a água não é condutora. Ela 
somente passa a conduzir quando impurezas são adicionadas ou dissolvidas. Assim que a 
condutividade é estabelecida, falhas pólo-pólo irão sofrer imediatamente corrosões galvânicas onde 
os terminais e cabos podem ser completamente dissolvidos em dias. 
Falhas de dispositivos
Muitos dispositivos possuem FDE – desconexão eletrônica em falhas. A idéia do FDE é que no caso 
de detecção de falha do circuito eletrônico do dispositivo, o mesmo é automaticamente desconectado 
do segmento. Entretanto, nem todas as falhas de dispositivo podem ser prevenidas – a impedância 
dos dispositivos pode chegar a níveis destrutivos. Muitos dispositivos possuem uma ponte de diodos 
para permitir a conexão bipolar ao tronco. Estas pontes podem também falhar ocasionando baixa 
impedância ou curto-circuito.
Dispositivos de supressão de transientes e surtos (TVS)
Dispositivos de supressão de surto ou tensão transiente são sempre utilizados juntamente com as 
fontes de alimentação e dispositivos de campo para que surtos de tensão não destruam ou 
danifiquem sua eletrônica sensível. Embora os supressores de surto ou TVS´s (diodos de proteção) 
podem prevenir a destruição de componentes e dispositivos devido aos picos de tensão, eles são por 
si só um ponto de falha comum. O TVS, que é conectado diretamente ao tronco, pode se romper ou 
mesmo sofrer curto-circuito interno, o que é a falha mais comum neste tipo de dispositivo. Diodos 
TVS não são atingidos por desgastes térmicos ou elétricos em operação normal, e portanto podem 
durar indefinidamente. Mas eles podem se tornar fracos após um surto de alta tensão e portanto 
resultar em um aumento de corrente ou mudanças problemáticas de impedância.
Capacitores de filtro de ruído
Dispositivos, fontes de alimentação e circuitos de proteção utilizam comumente pequenos capacitores 
para filtro de ruído. Eles são conectados através dos pólos, e através do shield: Devido à existência 
de muitos dispositivos conectados à um simples segmento, o número de pontos de falha irá ser 
proporcional (12 dispositivos = 36 capacitores). Os capacitores podem falhar de modo a abrir o 
circuito, ou mesmo ocasionar um curto, provocando baixa impedância com diferentes efeitos que 
podem até mesmo ser destrutivos.
Inversão de polaridade 
Muitos dispositivos são bipolares, o que significa que podem ser conectados em qualquer polaridade 
ao segmento fieldbus. Entretanto alguns dispositivos, fontes de alimentação ou repetidores não são 
bipolares, e podem ter seu potencial acidentalmente invertido. Isto irá inverter o sinal de dados, o que 
em alguns casos pode ser tolerado pelo sistema, mas a intercomunicação entre dispositivos irá falhar. 
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Se dispositivos durante a instalação e comissionamento tem sua polaridade invertida, muitas das 
falhas podem não ser identificadas.
Falha da fonte de alimentação
A tensão de saída da fonte fieldbus pode falhar em limites inaceitáveis. Até mesmo com fontes de 
alimentação redundantes, as tensões podem cair devido à uma combinação de falhas, como por 
exemplo falhas de curto-circuito dos diodos ‘OU’ e falha de queda de tensão de uma das fontes 
devido à baixa impedância. Nos caos de fontes de alimentação redundantes, uma das duas fontes 
pode falhar, e uma troca urgente será necessária.
A importância da medição do jitter
A medição do “jitter” é a mais precisa indicação de uma falha existente, pois é o único parâmetro que 
permite a análise da performance da impedância da rede e da fonte de alimentação. A medição de 
jitter é também o único parâmetro que pode efetivamente verificar a conformidade das fontes fieldbus 
com o padrão IEC 61158-2 a sua compatibilidade com outros dispositivos.
O uso da medição do jitter irá dar à fonte de alimentação à marca de conformidade com o padrão FF
831. Medições contínuas de jitter irão também verificar a conformidade contínua com a FF 831 e suas 
condições operacionais. A análise de jitter irá observar pequenas mudanças que não são 
suficientemente significantes para causar retransmissões de dados ou outros alarmes. As medições 
de jitter ignoram os efeitos individuais de ruído, atenuações e distorções. Por exemplo, níveis de ruído 
podem estar dentro dos limites e a atenuação de sinal e distorção podem também estar dentro dos 
limites, portanto os alarmes não são indicados, mas coletivamente, eles podem causar a falha na 
detecção de dados. A medição de jitter permitirá a detecção de falhas prévias antes mesmo que outro 
parâmetro seja capaz de reagir sem um alarme falso. 
6.1 Detecção de falhas através de técnicas avançadas de medição
Tendo consideradoos tipos de falhas, pode ser observado que uma vasta quantidade de técnicas de 
medição irão ser requeridas se um aviso prévio de qualquer falha potencial deve ser detectada em 
tempo adequado. Este próximo tópico irá cobrir os tipos de medição e como eles são utilizados para 
acessar uma falha:
TIPO DE FALHA DETECTADA DESCRIÇÃO DA FALHA DETECTADA
· Falha do filtro de ruído 
do dispositivo e da 
ponte de diodo 
· Falha do TVS
· Mudanças de tensão 
Estas falhas podem ser detectadas através de pequenas 
mudanças na corrente do tronco. Ocasionalmente, mudanças 
de corrente do tronco são mais facilmente detectadas do que 
mudanças no nível de sinal, e é ideal para avisos prévios de 
infiltração de água pólo-pólo que pode levar à uma rápida 
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no dispositivo de 
campo
· Infiltração de água
· Falha do terminador
· Falha de corrente no 
dispositivo de campo
· Falha pólo-pólo
corrosão galvânica, abertura do capacitor do terminador, 
abertura do capacitor de filtro do dispositivo de campo, abertura 
da ponte de diodo, abertura do diodo TVS e falhas de corrente 
no dispositivo de campo.
· Mudança de 
impedância do TVS e 
da ponte de diodo
· Falha da fonte de 
alimentação ativa ou 
falha de impedância
· Subterminação ou 
sobreterminação
· Falhas AC pólo-pólo
A medição do jitter é de longe a mais importante medição para 
se fazer a detecção de qualquer falha de propação AC. A 
medição de jitter ignora falhas discretas ou específicas tais 
como nível de ruído, atenuação de sinal; ela se concentra na 
detecção dos dados de comunicação
Ela pode detectar várias mudanças causadas por variações de 
impedância da rede, distorção de sinal, ressonância da rede, 
mudanças de impedância da fonte fieldbus ativa, falha do 
resistor ou capacitor do terminador, capacitor de filtro do 
dispositivo de campo, falhas de impedância do dispositivo e 
influências de ruído de toda a banda de freqüência.
Influências de ruído ou atenuação/distorção do sinal podem 
individualmente encontrar os limites requeridos pela 
especificação, mas adicionadas juntas podem resultar em uma 
falha. A medição de jitter ignora falhas específicas ou discretas, 
e se concentra em problemas de precisão da detecção de 
dados e o quão bom os dados estão. Se um sinal de dados 
tender à uma falha, a detecção de jitter irá indicar antes que a 
retransmissão devido à dados corrompidos ocorra.
· Falhas de atenuação 
geral
· Falhas de comunicação 
do dispositivo de 
campo
· Falhas de 
subterminação e 
sobreterminação
.
A medição do nível de sinal pode ser utilizado para se detectar 
atenuações causadas por falhas de impedância de algumas 
fontes de alimentação ativas, atenuação de cabos, 
subterminação e sobreterminação ou falhas de impedância do 
dispositivo de campo. O fieldbus irá ainda operar com níveis de 
sinal muito baixos, mas os dados podem falhar antes que os 
avisos de nível de sinal estejam abaixo dos limites aceitáveis. A 
medição de jitter em combinação com a medição dos níveis de 
sinal, permitem um diagnóstico focado.
· Falhas pólo-shield AC e 
DC
· Desbalanceamento de 
cabo
· Infiltração de água
· Ruído no capacitor de 
filtro do dispositivo
Nem todas as falhas pólo-shield são simples curto-circuitos. 
Esta medição pode verificar falhas capacitivas e resistivas em 
vários graus e pode acessar qual pólo está em falha.
Falhas capacitivas ou de desbalanceamento podem ser 
causadas por capacitores de desacoplamento ou pode ser que 
um cabo possua elevado desbalanceamento devido à defeitos 
de fabricação ou pode ser em razão de problemas de 
instalação. É também ideal para avisos de infiltração de água 
pólo-shield.
· Detecção de 
interferências, ruído e 
crosstalk
Medições de ruído podem detectar interferências destrutivas na 
faixa de freqüência da rede assim como uma análise completa 
de espectro pode detectar ruídos de baixa freqüência tais como 
a ressonância causada por falhas de terminação, falhas de 
impedância da fonte de alimentação, crosstalk, microfonias no 
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cabo, interferências de inversores de freqüência ou “loops” de 
terra, assim por diante.
· Condições da fonte de 
alimentação e falhas de 
detecção
Medições de tensão do tronco são utilizadas para detectar 
qualquer possível problema na carga de corrente e para 
monitorar as condições da fonte de alimentação para aviso 
prévio de falha. A medição da tensão do tronco é uma atividade 
comum para qualquer engenheiro de manutenção, entretanto
uma vez o tronco tenha passado por uma simulação, instalação 
e comissionamento, então os níveis de tensão de cada 
dispositivo devem já ater sido armazenados.
Além disto, através da medição da corrente do tronco, e 
conhecendo-se os parâmetros do cabo, então o cálculo da 
tensão em cada dispositivo pode ser conhecida – significa que 
um engenheiro não terá que ir a todos os pontos do campo para 
realizar a medição em todos os dispositivos. Por exemplo, se 
não há mudanças na corrente do tronco, então o registro da 
tensão em cada dispositivo não será uma tarefa necessária.
· Inversão de polaridade Esta medição irá detectar a inversão de sinal de um dispositivo 
durante a construção e comissionamento, ou se um dispositivo 
foi substituído incorretamente durante reparos operacionais ou 
após sua calibração. Sinais invertidos são causados por 
conexões incorretas de polaridade de alguns dispositivos e 
fontes de alimentação. Em certos casos, sinais invertidos 
podem ser tolerados, mas muitos sistemas ou dispositivos não 
irão detectá-las precisamente e irão ocasionalmente falhar ou 
criar muitas retransmissões de dados.
6.2 Decidindo qual hardware/software de diagnóstico utilizar
A decisão de qual modulo de diagnóstico ou sistema deverá ser adquirido irá depender das 
necessidades do usuário, das necessidades do operador ou até mesmo da programação do projeto. 
A escolha deverá ser baseada nas características, performance e custo, embora a diferença de custo 
seja muito pequena para os sistemas on-line, e o mesmo deverá ser pesado contra as inúmeras 
economias que poderá se ter durante o ciclo do projeto. Em alguns casos, o sistema de controle e as 
fontes de alimentação associadas não estarão disponíveis durante a construção e pré-
comissionamento e portanto, um sistema de diagnóstico portátil avançado, um software analítico e 
uma fonte de alimentação fieldbus portátil será a única opção. Assegurando-se que o sistema de 
controle e ao menos as fontes de alimentação com equipamento de diagnóstico avançado são 
instalados em qualquer estágio durante o ciclo de vida do projeto, consideráveis reduções de custo e 
tempo existirão.
A tabela abaixo resume as diferenças entre os dispositivos de diagnóstico da camada física 
disponíveis hoje no mercado:
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A escolha
A partir da tabela acima, pode ser claramente mostrado que o diagnóstico avançado on-line irá 
oferecer a melhor indicação de performance, características e assistência com avisos prévios e 
relatórios superiores durante o ciclo de vida do projeto, entre outros fatores diferenciados.
7 Conclusão
O fieldbus tem tornado viável a utilização de diagnósticos avançados automáticos on-line para cada 
segmento durante as fases de construção, comissionamento e para a fase de operação, onde não 
seria viável ou econômico para um sistema equivalente de 4-20mA. A partir das indicações e 
estimativas disponibilizadas neste documento, pode ser visto que a implementação do diagnóstico 
avançado da camada física irá justificar seu custo em um curto espaço de tempo, e irá sem dúvida 
pagar por si mesmo na primeira detecção de falha.
Devido ao móduo de diagnóstico estar permanentemente integrado à infraestrutura da rede (“sempre 
à mão”), o tempo levado para implementação da detecção de problemas, testes de conformidade, 
geração de relatórios, verificaçõesde manutenção e análise são significativamente reduzidos. 
Diagnósticos avançados on-line, com sua grande variedade de medições, podem disponibilizar avisos 
prévios de muitas outras falhas futuras e reduzir o tempo de parada, o que não seria possível através 
de equipamentos de teste operados manualmente, tais como testadores tipo handheld, ou até mesmo 
sistemas que comportam o diagnóstico básico da camada física.
A capacidade de se encontrar falhas de diagnóstico avançado, a geração relatórios seletivos irão 
fazer muitos dos trabalhos de “adivinhação” existentes nos processos de decisão. Diagnósticos 
avançados on-line podem reduzir o tempo e a freqüência de manutenções programadas, quantas 
vezes as falhas relatadas puderem ser toleradas ou reparadas durante a operação da planta, e 
verificações de rotina são realmente realizadas em tempo real 24 horas ao dia, 7 dias por semana.
Durante a construção, comissionamento e manutenção operacional, registros e provas de 
teste/verificação asseguram testes completos, verificação da qualidade e testes de consistência 
assim como a verificação de conformidade e continuidade da conformidade com os padrões fieldbus. 
Os dados de diagnóstico são enviados através de um bus de diagnóstico e não através do segmento 
fieldbus ou através de uma porta de I/O de custo elevado. Isto irá aumentar a confiabilidade com 
custos reduzidos. Finalmente, as redes fieldbus com diagnósticos avançados da camada física 
juntamente com um software de análise combinados com proteções mecânicas e elétricas irão sem 
dúvida ser extremamente confiáveis quando mantidos proativamente – até mesmo dizer que 
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poderiam ser mais confiáveis que o modelo equivalmente 4-20mA. Além disso, implementando o 
diagnóstico avançado on-line e relatórios, quando comparado com as alternativas, irão resultar em 
uma redução significativa dos custos capitais e operacionais.
8 Referências
Diagnóstico Avançado On-line da Camada Física
Rogoll, Gunther 
Gerente Sênior de Tecnologia Fieldbus P+F
Kitchener, Ren
Especialista de Tecnologia Fieldbus P+F 
9 Autores
Sr. Lutz Liebers
Diretor Global de Contas e Projetos
Empresa: Pepperl+Fuchs GmbH
Departamento: Automação de Processos
Telefone: +49 621 776-1360
Fax: + 49 621 776-1140
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