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REDES FOUNDATION FIELDBUS Redes Industriais Engenharia Mecatrônica Octávio F. Paschoal S. R. Santos, MSc Tecnologia Dominante Pneumático Analógico Digital FieldbusFieldbus EVOLUÇÃO TECNOLÓGICA 1940 1960 1980 2000 Time NECESSIDADE DE PERFORMACE TECNOLOGIA SMART ( 1983 ) EVOLUÇÃO DOS TRANSMISSORES COMUNICAÇÃO ENTRE DISPOSITIVOS ( H.H.T. ) PROTOCOLO HÍBRIDO ( HART ) SUPER DISPOSITIVO SMART ( PID, DIAG, STATUS, ...) NECESSIDADE DE UM PROTOCOLO TOTALMENTE DIGITAL FIELDBUS EVOLUÇÃO DOS TRANSMISSORES FIELDBUS FCS FIELD COMMUNICATION SYSTEM Rede Industrial Automação de escritório • Computadores grandes (Mainframes) • Gerenciamento HIERARQUIA DA REDE INDUSTRIAL LAN Automação & Sistemas de supervisão • DCSs, PLCs, PCs • SCADA, Sistemas Supervisórios Rede Fieldbus Instrumentação & Controle • Transmissores, Controladores • Válvulas & Atuadores Fieldbus • IEC/ISA SP50 • Fieldbus Foundation • Profibus PA Tipo de Controle Controle de Processo TIPOS DE DISPOSITIVOS Sensorbus • Seriplex • ASI • INTERBUSLoop Devicebus • Device Net • SDS • Profibus DP • LONWorks • INTERBUS-S • Profibus PA • HART Tipo de Dispositivo Controle Lógico Low-end bit Midrange byte High-end block Dispositivos Simples Dispositivos Complexos Analógico SLCs, Controle de temper. Controle de Válvulas DCSs Sensor de Processo PCs, PLCs Fieldbus TIPOS DE DISPOSITIVOS PCs, PLCs Interfaces de Operação Drivers Controle de Movimento Chaves, Sensores, Válvulas Push buttons Sensorbus Devicebus FOUNDATION FIELDBUS é um protocolo de comunicação bi- direcional, digital, multi-drop, que integra dispositivos de automação de uma planta e seu sistema de supervisão; é essencialmente uma rede local (LAN) para dispositivos de campo. O QUE É FOUNDATION FIELDBUS Automação e Sistemas de Supervisão P L F Processo COMUNICAÇÃO BIDIRECIONAL ESTAÇÃO DE OPERAÇÃO ESTAÇÃO DE MANUTENÇÃO CARACTERÍSTICAS DPT + PID FCV TT PT CARACTERÍSTICAS AUMENTO NO FLUXO DE INFORMAÇÕES LAN DCS I/O CARACTERÍSTICAS CAMPO DPT101 PT101 FCV101 DPT102 PT102 FCV102 4 - 20 mA REDE DE MICROS (LAN) SISTEMA SUPERVISÓRIO CARACTERÍSTICAS FIELDBUS CAMPO DPT101 PT101 FCV101 DPT102 PT102 FCV102 DCS FCS CARACTERÍSTICAS REDUÇÃO NO HARDWARE B.S.I. B.S.I. B.S.I. FIELDBUS4 a 20 mA Barreira de Segurança Intrínseca B.S.I. DCS Fontes Cartões de Controle Cartões de Entrada FCS CARACTERÍSTICAS Cartões de Entrada Cartões de Saída Fusível I/O Terminador Cartões 4-20 mA Fieldbus REDUÇÃO NO HARDWARE DISTRIBUIÇÃO DA INTELIGÊNCIA DCS FCS CONTROLE NO CAMPO CARACTERÍSTICAS SISTEMA TRADICIONAL FIELDBUS FIELDBUS CONTROLE NO CAMPO ELIMINAÇÃO DOS ITENS DESNECESSÁRIOS DDC DCS FCS CARACTERÍSTICAS VISÃO EXTENDIDA DO PROCESSO DCS FCS CARACTERÍSTICAS 4 a 20 mA Fieldbus Fieldbus barramentoSegmento Fieldbus 1900M Max. Representação Elétrica de um Segmento de Rede FIELDBUS CARACTERÍSTICAS Circuito Isolador de Sinal Fonte Terminador - + Dispositivo de Monitoramento Terminador Equipamentos de Campo Power Supply T (Terminator) Segmento FIELDBUS com Host no Campo CARACTERÍSTICAS AAA 1 Single Twisted Pair Devices de campo com funções de controle incorporados Power Representação da Topologia FIELDBUS T (Terminator) I/O Multi-conductor Cable (Only one pair required) CARACTERÍSTICAS AAA 1 Power to BUS T Single Twisted Pair (Terminator) Field Devices and Control Devices Status: Integridade das informações • Um software pode ser usado para investigar detalhes do status ruins. – Good Normal – Bad E.g. sensor failure – Uncertain E.g. out of calibrated range CARACTERÍSTICAS – Uncertain E.g. out of calibrated range • Providencia automaticamente a ação de failsafe na saída dos devices com falha de sensor ou de comunicação etc.. • Assegura inicialização em cascata ( tranferência para bumpless) e anti-reset-windup e muitas outras funções. STATUS: Diagnósticos • Status de parâmetros de processo On-line na IHM (MMI) – Qualidade – Limite • Detalhe de diagnosticos com ferramentas de engenharia CARACTERÍSTICAS • Detalhe de diagnosticos com ferramentas de engenharia – Falha do sensor – Falha na Saída – Falha de Memoria – Erro de Configuração – Communication error • Acesso para análise de parametros externos – Posição da Válvula e tempo de percurso da válvula usado para detecção da ação stick-slip. FIELDBUS - Posicionador Inteligente de Válvula Sensores Pressão e temperatura a montante 1. Funções Combinadas - Transdutor F/P 4 DIAGNÓSTICO CARACTERÍSTICAS a montante Pressão a jusante2. Posição da haste3. Atuador de Pressão4. Detector de vazamento5. - Posição da válvula - Medição de vazão - Monitoração do uso da vávula - Uso do Atuador - Monitoração - Monitora emissão de fulga - Controle PID 1 2 5 3 4 QUALIDADE E VISÃO REAL DOS DADOS CARACTERÍSTICAS VALOR UNIDADE STATUS ALARME MAIOR DISPONIBILIDADE E INTEGRIDADE DAS INFORMAÇÕES CARACTERÍSTICAS ONTEM HOJE TOLERÂNCIA DE FALHA • Redundância de fontes Fieldbus. • Redundância da estação de operação. • Interface independente da CPU para LAS, bridge e blocos. CARACTERÍSTICAS • Distribuição de equipamentos em várias redes com poucos loops. • Em loops críticos pode ter redes individuais • Falha do Sensor, device ou comunicação provoca uma ação de failsafe na saída dos devices. • Número de módulos e componentes (CPU, cartão de entradas ou saídas) é reduzido, minimizando probabilidade de falhas. EFEITOS DE FALHAS • Uma falha em uma estação de operação não afeta a(s) outra(s). • Uma falha de conexão ou remoção de um device no campo é tratado pelo sistema. CARACTERÍSTICAS • O controle continua na ausência do mestre. • A substituição da fonte, em redundância, é automática e não afeta o sistema. • Falha em qualquer equipamento Fieldbus não implica na perda do controle ou na vizualização da operação exceto com relação aos loops ou I/O do mesmo equipamento Fieldbus. ACESSO ÀS INFORMAÇÕES DE CAMPOACESSO ÀS INFORMAÇÕES DE CAMPO CARACTERÍSTICAS ANTESANTES CARACTERÍSTICAS DRIVER A / B DRIVER A / C ? MANUFACTURER B MANUFACTURER C MANUFACTURER D ANTESANTES OPC CLIENTOPC CLIENT CARACTERÍSTICAS MANUFACTURER D MANUFACTURER B MANUFACTURER C OPC SERVER: B , C, DOPC SERVER: B , C, D O Device Descriptions permite operação de equipamentos de diferentes fabricantes na mesma rede fieldbus com somente uma versão de interface de programação. INTERCAMBIABILIDADE: DEVICE DESCRIPTION CARACTERÍSTICAS Device Descriptions Fieldbus Equipamento do fabricante A Equipamento do fabricante B CAMADA DE APLICAÇÃO PRESENTATION LAYER CAMADA USUÁRIO FIELDBUS ESPECIF. DE MENSAGEM SUBCAMADA DE ACESSO FIELDBUS “STACK” DE CAMADA USUÁRIO CARACTERÍSTICAS MODELO OSI CAMADA DE SESSÃO CAMADA DE TRANSPORTE CAMADA DE REDE MODELO FIELDBUS CAMADA DE LINK DE DADOS CAMADA FÍSICA “STACK” DE COMUNICAÇÃO CAMADA FÍSICACAMADA FÍSICA CAMADA DE LINK DE DADOS APLICAÇÃO G E R E N C I MENSAGEM: - LINGUAGEM COMUM - LEITURA & COMPREENÇÃO PAPEL: - DESTINO/REMETENTE - MENSAGEM USUÁRIO TAG TIC 101 TEMPERATURA DO REATOR PV = 242 GRAUS C CARACTERÍSTICAS MEIO FÍSICO FÍSICO LINK DE DADOS I A M E N T O R E D E TRANSPORTE DA MENSAGEM CAIXA POSTAL: - ENVELOPE - ENDEREÇO ENVELOPE: - ENDEREÇO - SELO - MENSAGEM NO PAPEL - LOCALIZAÇÃO DE INFORMAÇÃO CRÍTICA Especificações da FOUNDATION Fieldbus estão completas e tem sido atualizadas As especificações estão baseadas na norma CARACTERÍSTICAS padrão internacional IEC/ISA: • Camada Física IEC 1158-2 / ISA s50.02 • Camada de enlace Sub-ítem do IEC SC65C/ ISA SP50 • Camada de Aplicação Sub-ítem do IEC SC65C/ ISA SP50 • Blocos de Função Basedo na ISA SP50 e IEC CAMADA USUÁRIO “STACK” COMO CONFIGURAR CARACTERÍSTICAS CAMADA FÍSICA “STACK” COMUNICAÇÃO MODELO FIELDBUS COMO INSTALAR CAMADA USUÁRIO COMO INSTALAR CAMADA FÍSICA “STACK” COMUNICAÇÃO COMO INSTALAR H1 - BAIXA VELOCIDADE, AutomaçãoProcesso (Substituir a tecnologia 4-20 mA) 31.25 Kbit/s Alimentação no Barramento Opção de intrinsecamente Seguro MAX. 1900 Metros (sem repetidor) CAMADA USUÁRIO STACK COMO INSTALAR MAX. 1900 Metros (sem repetidor) HSE - ALTA VELOCIDADE, Automação avançada 10/100 Mbit/s CAMADA FÍSICA STACK COMUNICAÇÃO FF normas com ISA/IEC, Camada Física Standard. Fieldbus Mensagens REDE H1 ==>> 31,25 Kbits/s MANCHESTER BIPHASE-L ENCODING COMO INSTALAR Tempo Vo lta ge Ethernet INSTALAÇÃO TÍPICA COMO INSTALAR TERMINADOR TERMINADOR FONTE IMPEDÂNCIA LAS / BRIDGE • Fonte de Alimentação • Tipo do Cabo • Topologias • Terminadores CAMADA FÍSICA IEC 1158- 2 COMO INSTALAR • Distâncias • Número de Dispositivos • Número de Canais • Segurança Instrínseca • Garantia de Operação • Tempo de Atualização do Controle COMO INSTALAR TERMINADOR FONTE IMPEDÂNCIA FONTES E IMPEDÂNCIA COMO INSTALAR FONTES E IMPEDÂNCIA TERMINADOR FONTE IMPEDÂNCIA TERMINADOR EXTERNO COMO INSTALAR FONTES E IMPEDÂNCIA TERMINADOR FONTE IMPEDÂNCIA A Fonte Redundante Assume de Forma Transparente e sem distúrbios. COMO INSTALAR FONTES E IMPEDÂNCIA FONTE IMPEDÂNCIA TERMINADOR COMO INSTALAR FONTES E IMPEDÂNCIA •Energia Fornecida aos Dois Lados • Sem Garantias de Comunicação • Posição de Falha Segura Garantida. • Tipos de Dispositivos: – Bus powered => Dispositivos de campo alimentados pelo próprio barramento de comunicação – Non bus powered => Dispositivos de campo são alimentados por fontes independentes do barramento de comunicação COMO INSTALAR O tamanho máximo do cabo depende do tipo de cabo usado. Comprimento Máximo = 1900 metros com Cabo “Tipo A” O tamanho total inclui o tronco e todos os ramos. Comprimento do Cabo = Comprimento do Tronco + Comprimento das Derivações COMO INSTALAR CABEAMENTO REDE H1 TYPE A Shielded, twisted-pair H1;31.25 KBPS TYPE B Multi -twisted -pair, Gage AWG Resistance Ohms/km Atten. DB/km 18 22 3 22 56 5 COMO INSTALAR TYPE B Multi -twisted -pair, w/shield;H1 TYPE C Single or multi-twisted-pair, w/o shield; H1 TYPE D Multi-core,not twisted with shield;H1 REDE H1 - TIPO DE CABO & DESCRIÇÃO 22 26 16 56 132 20 5 8 8 BITOLA / COMPRIMENTO TYPE A Shielded, twisted-pair H1;31.25 Kpbs TYPE B Multi-twisted-pair, w/shield;H1 #18 AWG <=> 1900 m #22 AWG <=> 1200 m COMO INSTALAR TYPE C Single or multi-twisted-pair, w/o shield; H1 TYPE D Multi-core, not twisted with shield;H1 #26 AWG <=> 400 m #16 AWG <=> 200 m REDE H1 - TIPO DE CABO & DESCRIÇÃO • Comprimento máximo recomendado dos ramos REDE H1 - RAMOS OU DERIVAÇÕES COMO INSTALAR • Comprimento máximo recomendado dos ramos Devices 1 por ramo 2 por ramo 3 por ramo 4 por ramo 25-32 1 m 1 m 1 m 1 m 19-24 30 m 1 m 1 m 1 m 15-18 60 m 30 m 1 m 1 m 13-14 90 m 60 m 30 m 1 m 1-12 120 m 90 m 60 m 30 m É porque ele usa um par de cabos trançados…. i- PORQUE A REDE FF É IMUNE A RUÍDOS? COMO INSTALAR i+ O ruído é cancelado devido a direção oposta da corrente em cada cabo. É porque o par de cabos trançados é shieldado…. PORQUE A REDE FF É IMUNE A RUÍDOS? COMO INSTALAR O shield, quando aterrado , elimina a indução de corrente nos cabos. • O shield deve ser aterrado no terminal negativo da fonte de alimentação da rede FF. Shield ATERRANDO O SHIELD • Somente uma das pontas do shield pode ser ligado. COMO INSTALAR BT PS 24 V Shield do tronco e das derivações unidos PSI Interior da Caixa de JunçãoCABO DO BARRAMENTO PRINCIPAL COMO INSTALAR TERMINADOR DO BARRAMENTO CAIXA DE JUNÇÃO COMO INSTALAR • Conexões Rápidas • Proteção contra Curto-Circuito • Conexão Rápida • Evita Curto-Circuito COMO INSTALAR • Opcional: Proteção contra curto. CAIXA DE JUNÇÃO - JM1 COMO INSTALAR . A DISTÂNCIA PODE SER AUMENTADA COM REPETIDORES . MÁXIMO = 4 REPETIDORES COMO INSTALAR REP1 REP2 REP3 REP4 1.900 M 1.900 M 1.900 M 1.900 M 1900 9.500 M Isoladores (DF47) SEGURANÇA INTRÍSECA COMO INSTALAR REDE DE SERVIÇO /HSE DFI (Terminadores não mostrados) TOPOLOGIAS COMO INSTALAR CAIXA DE JUNÇÃO REDE H1 Tradicional Barramento com derivações Ponto a Ponto Árvore ou Pé de Galinha FIELDBUS HSE DFI ( TERMINADORES NÃO MOSTRADOS ) TOPOLOGIA COM RAMOS COMO INSTALAR DFI MOSTRADOS ) DERIVAÇÃO BARRAMENTO FIELDBUS HSE TOPOLOGIA PONTO A PONTO COMO INSTALAR Terminador FIELDBUS H1 FIELDBUS HSE DFI JUNCTION BOX Terminador TOPOLOGIA MISTA COMO INSTALAR Com Derivação Ponto a Ponto Árvore FIELDBUS H1 • Regras: – 16 dispositivos por canal H1 – 8 dispositivos por barreira de segurança intrínseca (DF47) em área classificada QUANTIDADE DE DEVICES POR REDE H1 COMO INSTALAR • Uma maior ou menor quantidade de dispositivos pode ser admitida dependendo: – da bitola do cabo – do comprimento do barramento – do consumo de corrente, e – das características das barreiras de segurança intrínseca. • O uso de repetidores permite o aumento do comprimento máximo do barramento, porem não permite a utilização de um número maior de dispositivos, pois haveria comprometimento do númerro de conexões possíveis, do tempo de ciclo de controle e da atualização dos Displays. QUANTIDADE DE DEVICES POR REDE H1 COMO INSTALAR do tempo de ciclo de controle e da atualização dos Displays. • Monitoração de Nível em Tanques, sem restrição de tempo: 16 Devices • Loops de Controle, sem restrição de tempo : 16 Devices • Loops de Controle com supervisão leve, 1sec control scan time: 12 Devices EXEMPLO DE COMPOSIÇÃO DE REDES COMO INSTALAR • Loops de Controle com supervisão pesada, 1sec control scan time: 10 Devices • Loops Críticos: 2-3 Devices (Pertencentes ao mesmo loop) • Loops Rápidos, tempo de scan do controle < 300ms: 2-3 Devices • Loops Extremamente Rápidos, tempo de scan do controle <100ms (Ex. Controle Anti-Surge ): Não usar Fieldbus, ou qualquer device digital. DFI REDUNDÂNCIA DE MESTRE COMO INSTALAR Mestre Ativo Mestre Ativo Mestre Ativo DFI COMO INSTALAR DFI302 •Redundância de LAS •Interface Redundante •Controlador Redundante •Backplanes Individuais •Dois Caminhos ao Campo DFI302 com Escravo Modbus Ethernet Modbus DFI302 Rede de Controle Proprietária COMO INSTALAR DFI302 como Mestre Modbus Fieldbus H1 Sistema Com placa Modbus Modbus DFI302 Estação EstaçãoEstação • A topologia estrela divide a rede em segmentos, com um só equipamento, limitando assim o impacto de uma falha de cabo. COMO INSTALAR Linking Device Linking Device Estação Switch Linking Device Estação Switch COMO INSTALAR Switch Switch Estações Com 2 placas de rede Switch Primário Switch Secundário COMO INSTALAR Equip. Redundante Com Portas Redundantes Equip. Redundante Com Porta Única. Equipamento Simples Com Portas Redundantes COMO INSTALAR Primário Secundário Operação Controle AvançadoInformação da Planta Manutenção COMO INSTALAR Controle Regulatório FF H1 Emergência Cromatógrafo Compressores Control Room Eng. Room IRR3 Control Room Operator Station IRR1 / IRR3 Operator Station IRR2 Operator Station IRR2 Operator Station IRR1 / IRR3 Operator Station IRR2 Operator Station IRR2 FCS Color Printer FCS Color Printer FCS Color Printer SOE Plant Manager Of f ice Station Engineering Station FCS Color Laser Printer FCS Hard Copier Laser Printer Supervsion Station PDC Station Offices COMO INSTALAR IRR1 FF 4-20 / HART FF I S DF51 DF51 DF65 DF66DF47 HI302 MB700 MB700 IRR2 FF 4-20 / HART FF I S DF51 DF51 DF65 DF66DF47 HI302 MB700 IRR3 FF 4-20 / HART FF I S DF51 DF51 DF65 DF66DF47 HI302 CAMADA USUÁRIO COMO CONFIGURAR COMO CONFIGURAR CAMADA FÍSICA “STACK” COMUNICAÇÃO Fornece Blocos Funcionais Padrões . Fornece Scheduling de Blocos Funcionais. Fornece Device Descriptions que permite ao host operar os devices sem necessidade de NÍVEL DO USUÁRIO STACK DE COMUNICAÇÃO COMO CONFIGURAR host operar os devices sem necessidade de programação dedicada NÍVELFÍSICO O que é um “Device Description”(DD) ? Uma descrição detalhada das características de um DEVICE DESCRIPTION (DD) COMO CONFIGURAR Uma descrição detalhada das características de um instrumento Os “Device Descriptions são escritos em uma linguagem especial de programação chamada “Device Description Language”(DDL). Os Device Descriptions são fornecidos para um sistema anfitrião assim o anfitrião pode “interpretar” os dados fornecidos para o equipamento fieldbus. Standard DD DEVICE DESCRIPTION (DD) COMO CONFIGURAR Device Descriptions adicional de diversos fabricantes . PARA UM SISTEMA ANFITRIÃO Standard Device Descriptions da Fieldbus Foundation. . . . Z A Valor é lido de um equipamento fieldbus. Número de dígitos de precisão Unidade de Engenharia Etiqueta do valor DEVICE DESCRIPTION (DD) COMO CONFIGURAR A Descrição do valor é lida de um anfitrião proveniente de um Device Description. 25.50 Measured_Value % O Device Description permite operação de equipamentos de diferentes fabricantes na mesma rede fieldbus com somente uma versão de interface de programação. Device Descriptions DEVICE DESCRIPTION (DD) COMO CONFIGURAR Device Descriptions Fieldbus Equipamento do fabricante A Equipamento do fabricante B Foundation Fieldbus Define 4 Tipos de Blocos Funcionais: •Blocos Funcionais Padrões •Entradas, Saídas e Parametros Internos Definidos pela FF •Blocos Funcionais Incrementados •Características Adicionadas pelo Fabricante COMO CONFIGURAR •Características Adicionadas pelo Fabricante •Blocos Funcionais Específicos do Fabricante •Completamente Definido pelo Fabricante •Blocos Funcionais Flexíveis •Algorítmo configurado pelo usuário • Input Class – Analog Input AI – Discrete Input DI – Pulse Input PI • Output Class – Analog Output AO – Discrete Output DO – Complex AO CAO – Complex DO CDO – Step Output PID STEP • Calculate Class – Input Selector SS – Signal Characterizer SC – Lead Lag LL – Deadtime DT – Arithmetic AR – Calculate CB – Integrator INT • Auxiliary Class – Timer TMR COMO CONFIGURAR – Step Output PID STEP • Control Class – Manual Loader ML – Bias/Gain BG – Control SelectorCS – PD Control PD – PID Control PID – Ratio RA – Device Control DC – Setpoint Generator SPG – Splitter SPLT – Analog Alarm AALM – Discrete Alarm DALM – Analog Human Interface AHI – Discrete Human Interface DHI COMO CONFIGURAR OUT IN OUT IN OUT TRD_IN_D CAS_IN FLOW AI TEMP AI COMO CONFIGURAR OUT OUT CAS_IN BKCAL_IN BKCAL_OUT CAS_IN BKCAL_IN BKCAL_OUT FLOW PID FLOW AO TEMP PID COMO CONFIGURAR COMO CONFIGURAR PID Cascata Razão Nível a 3 Elementos COMO CONFIGURAR Somente um equipamento LAS pode controlar a comunicação Link Active Scheduler (LAS) COMO CONFIGURAR Somente um equipamento LAS pode controlar a comunicação na rede H1 Um equipamento só pode se comunicar, se tiver recebido a permissão do LAS O LAS ativo tem a lista de todos os equipamentos presentes na rede H1 FIELDBUS H1 LAS COMO CONFIGURAR LAS BASIC DEVICE LINK MASTER DEVICE BASIC DEVICE BASIC DEVICE LINK MASTER DEVICE BASIC DEVICE Macrociclo AO PID AI COMO CONFIGURAR Cyclic Data Background MACROCICLO = TEMPO de CONTROLE Links Externos Dados de Controle Supervisão Gerenciamento da Rede AOPID Tempo de Controle: 300ms to 2000ms
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