Foundation™ Fieldbus: Princípios de Sistema e Diagnóstico
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A tendência atual em automação industrial é a substituição dos esquemas de controlo tradicional, nos quais cada dispositivo tem a sua própria cablagem de controlo, por sistemas bus que ligam um variado número de dispositivos através do mesmo cabo. Um dos benefícios das redes bus passa pela necessidade de muito menos cabos e fios para ligar dispositivos a controladores. Um dos sistemas de bus mais populares e amplamente utilizado é o Foundation Fielbus.
Desenvolvido e administrado pela Foundation Fieldbus, que foi constituída por um grupo de fabricantes de equipamentos de automação industrial, sensores e atuadores, a Fieldbus inclui dois protocolos diferentes para responder às diferentes necessidades dentro do ambiente de automação industrial. Os dois utilizam meios físicos e velocidades de comunicação diferentes. O primeiro protocolo é o H1, que funciona a 31.25 kb/s e, habitualmente, liga os dispositivos de campo – sensores, atuadores, válvulas, luzes de controlo, dispositivos I/O, entre outros - e permite a comunicação bidirecional entre dispositivos e controlador. O H1 fornece tanto as comunicações como a alimentação num sistema de dois fios. É recomendada a utilização de cablagem standard, blindada e entrançada para reduzir a interferência do ruído na rede. O segundo protocolo é o HSE (High-Speed Ethernet). Funciona a 100 Mb/s e, geralmente, liga controladores de elevada velocidade como PLCs, múltiplos subsis-
Figura 1. Instalação de uma estrutura básica de Fieldbus.
temas H1 (através de um dispositivo de ligação), servidores de dados e workstations. Esta nota de aplicação incide sobre o protocolo H1.
ESTRUTURA DA REDE A estrutura básica de uma rede H1 Fieldbus é demonstrada na Figura 1. A rede possui o cabo principal de rede, que interliga uma série de caixas de junção ou acopladores. Os acopladores permitem que os dispositivos e o controlador sejam ligados ao cabo principal ou tronco. Em geral, os cabos mais pequenos entre as caixas de junção e os dispositivos denominam-se conectores ou splitters. As caixas de junção podem ser construídas para ligar um ou vários dispositivos ao tronco. Se cada dispositivo tem uma caixa de junção dedicada, a topologia denomina-se topologia de conectores ou splitters. Se inúmeros dispositivos estão ligados à mesma caixa de junção, a instalação é normalmente chamada
pés de galinha ou topologia em árvore. O mais comum é as redes mistas, tanto com splitters como em árvore, como exemplificado na Figura 1. Embora seja teoricamente possível encaminhar o tronco diretamente de um dispositivo para outro sem caixas de junção, a fundação recomenda o oposto. Esta topologia (denominada cadeia) requer uma interrupção no tronco sempre que um dispositivo é removido ou adicionado à rede. A tecnologia Fieldbus impõe limitações na dimensão da rede. O comprimento máximo de toda a cablagem de um tronco e os seus splitters em conjunto é de 1900 m por secção. Se for necessário um maior comprimento pode ser adicionada uma secção através de um repetidor. Um repetidor toma o lugar do dispositivo mas a sua utilização permite outros 1900 m de cabo. A rede pode utilizar até 4 repetidores para um comprimento total de 9500 m. Assegure-se de que a blindagem está ligada à terra através de um único ponto em todo o sistema, e isso é importante. Ligar a blindagem à terra em vários locais pode induzir tensões e correntes fantasmas na blindagem, o que pode interferir com a comunicação de dados. O número máximo de dispositivos ligados ao bus de campo por secção é de 32. Como é mostrado na Figura 1, é necessária uma fonte de alimentação DC para
Figura 4. Trem de impulsos básico, medido com um osciloscópio num sistema Fieldbus.
cesso de reflexão demora algum tempo. O tempo que demora vai depender do comprimento do cabo. O tempo de viagem numa direção será o comprimento do cabo dividido pela velocidade do sinal. Para o máximo comprimento de uma secção Fieldbus H1, o tempo, t, é:
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gerada no bus uma tensão diferencial de 800 ou 900 mVpp (onde “pp” indica “pico-a-pico”). Esta é também a amplitude (Vpp) nominal do sinal pico-a-pico, gerada por qualquer dispositivo Fieldbus. De acordo com as especificações Fieldbus, os dispositivos devem conseguir gerar um sinal de saída com uma amplitude de, pelo menos, 750 mVpp.
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T = {1900 m : (2 x 108 m/s)} = 9,5 μs A quantidade de tempo necessária para uma tensão viajar por um circuito de comprimento máximo e regresso é, portanto, de 2 x 9,5 μs = 19 μs. Como se observa, a rede Fieldbus H1 funciona com uma velocidade de 31,25 kb/s, o que corresponde a um ciclo de 32 μs. Assim, quando há uma anomalia no cabo, devem esperar-se reflexos de impulsos atrasados por um período de tempo até 19 μs. O tempo real do reflexo depende da distância entre a fonte de impulso e a anomalia. Enquanto um curto-circuito completo causa um reflexo de amplitude total, qualquer perturbação ou desvio da natureza homogénea da linha irá gerar um reflexo. A amplitude do reflexo depende da natureza da anomalia. Para comunicações de redes adequadas, os reflexos devem ser evitados e devem ser mantidas terminações corretas dos cabos. A correta terminação requer um e
apenas um terminal em cada extremidade da secção do circuito.
CODIFICAÇÃO Com o Fieldbus, os dados digitais são transferidos utilizando a codificação de Manchester. Ou seja, um 1 digital é transmitido com um rising edge no meio de um ciclo (centro do bit), enquanto o 0 digital é transmitido como um falling edge. Este mecanismo de codificação tem inúmeras vantagens relativamente à transferência direta de dados binários. Um benefício importante é o facto de isso permitir uma fácil recuperação do relógio na extremidade de receção.
GERAÇÃO DE SINAIS ELÉTRICOS Se se abrisse o cabo em qualquer ponto ao longo do circuito e acedesse aos dois fios, olhar-se-ia para duas secções de cabo, indo em direções opostas ao ponto de acesso. Em termos elétricos, estas duas secções seriam vistas como ligadas em paralelo. Por conseguinte, a impedância em qualquer ponto ao longo da linha é semelhante à impedância de duas secções de cabo em paralelo. Assim, a impedância observada em qualquer caixa de junção é de 50 Ω ou metade da impedância caraterística do cabo. O sinal de bus é criado eletricamente ao aplicar uma corrente diferencial no sistema bus de dois fios. Ao fazer isto, é
Idealmente, esta seria também a amplitude do sinal que os dispositivos Fieldbus recebem. No entanto, porque existe uma atenuação do sinal ao longo da rede, um sinal de entrada terá normalmente uma amplitude menor. As especificações do Fieldbus exigem que um dispositivo continue a funcionar corretamente com um sinal de entrada tão baixo quanto 150 mVpp. Se a amplitude exceder os 1000 mVpp, isso geralmente indica um erro de rede, como por exemplo, um terminador ausente.
ANOMALIAS Se, em qualquer local ao longo da rede, um dispositivo adicional de baixa impedância está ligado ao bus, a impedância global vista em qualquer caixa de junção será mais baixa porque a carga adicional está ligada em paralelo à impedância do cabo. A impedância de bus mais baixa significa automaticamente uma menor amplitude dos sinais do bus. Uma vez que os sinais do bus são impulsos mais ou menos aleatórios, essa carga adicional manifestar-se-á como uma descontinuidade na linha de transmissão e irá causar reflexos dos impulsos originais, onde a carga foi acrescentada. Estes reflexos irão conduzir a uma distorção da forma de onda do impulso, que, por sua vez, pode levar a uma deteção de sinal incorreta. Se, por exemplo, um terceiro terminador está ligado, a impedância global da rede e a amplitude do sinal irão cair para dois terços do valor nominal. Esta perda de sinal levará a mais impulsos distorcidos, dificultando ainda mais a deteção de sinal. A experiência de campo mostra que uma das fontes de erro mais comuns nas redes industriais é o resultado de ter demasiados ou poucos terminadores de rede ligados.