Instrumentação em Rede: Fundamentos e Aplicação em Redes Foundation Fieldbus, Notas de estudo de Cultura

Baixe Instrumentação em Rede: Fundamentos e Aplicação em Redes Foundation Fieldbus e outras Notas de estudo em PDF para Cultura, somente na Docsity! AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo Vitorino Monteiro da Silva Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Março de 2004 FICHA TÉCNICA Título AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Copyrigth © 2004 do autor Autor Gustavo Monteiro da Silva e-mail: gsilva@est.ips.pt Edição Escola Superior de Tecnologia de Setúbal R. do Vale de Chaves, Estefanilha 2914-508-SETÚBAL Portugal Tel. 265 790 000 Fax 265 721 869 ISBN: 972-98624-7-8 Depósito Legal Nº: 1 Lisboa, Março de 2004 RESUMO Apresenta-se o conceito de Rede de Campo como um novo marco no desenvolvimento da Instrumentação de Medida. Analisam-se as potencialidades da instrumentação ligada em rede e faz-se uma apreciação comparativa com a forma clássica de utilizar a instrumentação. Indicam-se diversas formas de ligar a instrumentação em rede, bem como os procedimentos a utilizar para efectuar uma instalação correcta. Faz-se um estudo sobre a configuração de diversos constituintes de um sistema. Mostram-se quais os cuidados a observar para ter uma rede fiável e rápida. Finalmente apresentam-se os resultados de um trabalho experimental em que se utiliza instrumentação em rede para controlar, num tanque fechado, a temperatura, o caudal o nível e a pressão. PALAVRAS CHAVE Redes de Campo, “Fieldbus”, Instrumentação de Medida, Sensores Digitais, Controlo Distribuído, Controlo Industrial. ABSTRACT The concept of Fieldbus is introduced here as a new millstone on the Measurement Instrumentation development. The potential of using networks to connect the instrumentation is analyzed in this work, as its made a comparison with the classical way of connecting instruments. Several ways of making the networks are shown, together with the procedures necessary to have a good installation. It is done a study on how to configure the devices of a Fieldbus system, as well the required cares in order to have a reliable and fast network. Finally are shown the results of an experimental work using a Fieldbus network. With this network, used together with a pressurized tank, several variables are controlled, mainly temperature, flow, level and pressure. KEYWORDS Sensors Networks, Fieldbus, Measurement Instrumentation, Digital Sensors, Distributed Control, Industrial Control. AGRADECIMENTOS Quero agradecer, – Ao Professor João Catarino, pelo estímulo que me deu para que este projecto se realizasse, e pelo agrado com que seguiu a sua execução. – Ao Professor Dias Pereira, pela forma interessada como soube acompanhar este trabalho, e pela preocupação que sempre revelou com todos os detalhes, quer de caracter teórico ou experimental. – Ao encarregado do Laboratório de Instrumentação e Medida, Sr. António Silva, pelo grande auxílio que deu na construção do caudalímetro, na calibração dos instrumentos analógicos e na montagem do equipamento, e sem o qual não teria sido fácil a execução do trabalho. – Ao encarregado de trabalhos do Laboratório de Instrumentação e Medida, Renato Bito, pelo valioso auxílio que deu na execução de pequenos dispositivos de interface e na montagem e acompanhamento dos trabalhos experimentais. – À minha mulher e ao meu pai, que tiveram a minha companhia mais reduzida mas mais uma vez compreenderam que me dediquei a esta causa com gosto e entusiasmo. 2.5.4.6. Bloco de alarmes analógicos .................................................................................................................... 32 2.5.4.7. Bloco tabela de valores ............................................................................................................................ 34 2.5.4.8. Bloco selector de entradas........................................................................................................................ 35 2.5.4.9. Bloco repartidor ....................................................................................................................................... 36 2.5.4.10. Bloco gerador de funções......................................................................................................................... 38 2.5.4.11. Bloco temporizador e lógica .................................................................................................................... 40 2.5.4.12. Bloco avanço/atraso ................................................................................................................................. 42 2.5.4.13. Outros blocos de funções ......................................................................................................................... 43 2.5.4.14. Bloco de saída analógica .......................................................................................................................... 44 2.5.4.15. Outros blocos de saída ............................................................................................................................. 45 3. OS INSTRUMENTOS 47 3.1. INSTALAÇÃO .............................................................................................................................................. 47 3.1.1. Acção da temperatura ........................................................................................................................ 47 3.1.2. Acção da humidade ............................................................................................................................ 47 3.1.3. Atmosferas corrosivas, inflamáveis e explosivas ............................................................................... 48 3.1.4. Efeito das vibrações ........................................................................................................................... 48 3.2. LD302 – FIELDBUS PRESSURE TRANSMITER.............................................................................................. 48 3.2.1. Objectivo ............................................................................................................................................ 48 3.2.2. Instalação. Ligações. ......................................................................................................................... 48 3.2.3. Descrição funcional - Hardware........................................................................................................ 49 3.2.4. Configuração ..................................................................................................................................... 51 3.2.4.1. Bloco de recursos ..................................................................................................................................... 51 3.2.4.2. Bloco transdutor....................................................................................................................................... 51 3.2.5. Manutenção........................................................................................................................................ 51 3.2.6. Especificações .................................................................................................................................... 52 3.2.6.1. Especificações funcionais ........................................................................................................................ 52 3.2.6.2. Especificações de desempenho ................................................................................................................ 52 3.2.6.3. Especificações físicas............................................................................................................................... 52 3.2.7. Calibração ......................................................................................................................................... 53 3.3. TT302 – FIELDBUS TEMPERATURE TRANSMITTER..................................................................................... 53 3.3.1. Descrição ........................................................................................................................................... 53 3.3.2. Instalação. Ligações. ......................................................................................................................... 54 3.3.3. Descrição funcional - Hardware........................................................................................................ 55 3.3.4. Configuração ..................................................................................................................................... 55 3.3.4.1. Bloco de recursos ..................................................................................................................................... 55 3.3.4.2. Bloco transdutor....................................................................................................................................... 56 3.3.5. Manutenção........................................................................................................................................ 56 3.3.6. Especificações .................................................................................................................................... 57 3.3.6.1. Especificações funcionais ........................................................................................................................ 57 3.3.6.2. Especificações de desempenho ................................................................................................................ 57 3.3.6.3. Especificações físicas............................................................................................................................... 57 3.3.7. Calibração ......................................................................................................................................... 58 3.4. IF302 – TRIPLE CHANNEL CURRENT TO FIELDBUS CONVERTER ................................................................ 59 3.4.1. Objectivo ............................................................................................................................................ 59 3.4.2. Instalação. Ligações eléctricas .......................................................................................................... 59 3.4.3. Descrição funcional - Hardware........................................................................................................ 60 3.4.4. Configuração ..................................................................................................................................... 60 3.4.4.1. Bloco de recursos ..................................................................................................................................... 60 3.4.4.2. Bloco transdutor....................................................................................................................................... 61 3.4.5. Manutenção........................................................................................................................................ 61 3.4.6. Especificações .................................................................................................................................... 62 3.4.6.1. Especificações funcionais ........................................................................................................................ 62 3.4.6.2. Especificações de desempenho ................................................................................................................ 62 3.4.6.3. Especificações físicas............................................................................................................................... 62 3.5. FI302 – TRIPLE CHANNEL FIELDBUS TO CURRENT CONVERTER ................................................................ 62 3.5.1. Objectivo ............................................................................................................................................ 62 3.5.2. Instalação. Ligações eléctricas .......................................................................................................... 62 3.5.3. Descrição funcional - Hardware........................................................................................................ 63 3.5.4. Configuração ..................................................................................................................................... 64 3.5.4.1. Bloco de recursos ..................................................................................................................................... 64 3.5.4.2. Bloco transdutor....................................................................................................................................... 64 3.5.5. Manutenção........................................................................................................................................ 64 3.5.6. Especificações .................................................................................................................................... 65 3.6. FY302 –FIELDBUS VALVE POSITIONER ..................................................................................................... 65 3.6.1. Objectivo ............................................................................................................................................ 65 3.6.2. Instalação. Ar e ligações pneumáticas............................................................................................... 65 3.6.3. Instalação. Ligações eléctricas .......................................................................................................... 66 3.6.4. Descrição funcional - Hardware........................................................................................................ 67 3.6.5. Configuração ..................................................................................................................................... 68 3.6.5.1. Bloco de recursos ..................................................................................................................................... 68 3.6.5.2. Bloco transdutor....................................................................................................................................... 68 3.6.6. Manutenção........................................................................................................................................ 69 3.6.7. Especificações .................................................................................................................................... 69 3.6.7.1. Especificações funcionais ........................................................................................................................ 69 3.6.7.2. Especificações de desempenho ................................................................................................................ 70 3.6.7.3. Especificações físicas............................................................................................................................... 70 4. PROJECTO DE REDES DE INSTRUMENTAÇÃO 71 4.1. INTRODUÇÃO···········································································································································71 4.2. DIAGRAMAS P&I ·····································································································································72 4.3. SELECÇÃO DOS INSTRUMENTOS. ··············································································································73 4.4. ESTRUTURA DA REDE.······························································································································73 4.5. ARQUITECTURA DOS SEGMENTOS H1. ······································································································76 4.5.1. Ligação em barramento (bus) ............................................................................................................ 76 4.5.2. Ligação em árvore (tree) ................................................................................................................... 76 4.5.3. Ligação em margarida (daisy)........................................................................................................... 77 4.5.4. Terminações ....................................................................................................................................... 77 4.5.5. Fonte de alimentação e impedância da FA........................................................................................ 77 4.5.6. Caixas de junção ................................................................................................................................ 78 4.6. LOCALIZAÇÃO DOS TRANSMISSORES. ·······································································································78 4.7. CABOS. SECÇÕES E COMPRIMENTOS. ········································································································79 4.8. INSTRUMENTAÇÃO INTRINSECAMENTE SEGURA. ······················································································80 4.9. REDUNDÂNCIA NOS TROÇOS DE REDE·······································································································81 4.10. UTILIZAÇÃO DE VÁRIOS TROÇOS DE REDE ······························································································82 5. TRABALHO EXPERIMENTAL 85 5.1. OBJECTIVO E TRABALHO REALIZADO ......................................................................................................... 85 5.2. DESCRIÇÃO DO PROCESSO.......................................................................................................................... 85 5.3. P&I E INSTRUMENTAÇÃO UTILIZADA ......................................................................................................... 88 5.4. INSTRUMENTAÇÃO ANALÓGICA ................................................................................................................. 90 5.4.1. Caudal de saída, FI01........................................................................................................................ 90 5.4.2. Nível do tanque, LI04........................................................................................................................ 90 5.4.3. Caudal de entrada, FI02 .................................................................................................................... 91 5.4.4. Temperatura da água, TY04............................................................................................................... 91 5.5. CONFIGURAÇÃO DA INSTRUMENTAÇÃO DIGITAL ······················································································91 5.5.1. Temperatura da água························································································································· 91 5.5.2. Pressão do ar ····································································································································· 92 5.5.3. Pressão da água de alimentação········································································································ 93 5.5.4. Conversor IF ······································································································································ 94 5.5.5. Conversor FI ······································································································································ 97 5.5.6. Válvula de saída································································································································· 98 5.5.7. Válvula de água fria························································································································· 102 5.5.8. Lista de dispositivos activos············································································································· 102 5.6. CADEIAS DE CONTROLO SIMPLES ···········································································································103 5.6.1. Controlo do Caudal de saída ··········································································································· 103 5.6.2. Nível do reservatório························································································································ 106 5.6.3. Temperatura da água······················································································································· 110 5.7. CONTROLO MULTIVARIÁVEL··················································································································112 5.8. MODELO DE ESTADO DO PROCESSO ········································································································117 5.8.1. Modelo de estado do reservatório.................................................................................................... 117 5.9. SISTEMA DE SUPERVISÃO AUXILIAR ·······································································································119 5.10. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES········································································································120 5.11. ANEXO - CONVERSOR CORRENTE/TENSÃO····························································································121 LISTA DE SIGLAS……………………………………………………………………………………………. 123 BIBLIOGRAFIA ……………………………………………………………………………………………… 125 Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Março de 2004 Capítulo 1 – Introdução às Redes de Campo Página 3 Como os sinais transmitidos através da rede são exclusivamente digitais, há um aumento na precisão destes, uma maior imunidade ao ruído e uma maior capacidade de processamento, pelo facto de se poderem utilizar microprocessadores. Finalmente salienta-se a bidireccionalidade da comunicação. Esta é aqui essencial, pois permite efectuar a calibração e diagnósticos remotos dos instrumentos de medida e das válvulas de controlo, permitindo ainda que os diversos algoritmos estejam localizados em qualquer instrumento de rede. Todas estas características, que serão vistas em detalhe no decorrer deste trabalho, permitem afirmar à partida que o conceito de rede de campo constitui o início de uma nova era, tanto no campo da instrumentação de medida como no de controlo de sistemas. 1.2. Evolução histórica Por volta de 1950 já estava consolidado o uso de instrumentação de medida pneumática, com sinal saída de ar normalizado entre 3-15 PSI no caso de sensores e sinal de comando também com ar, com a mesma gama. Os sinais de medida e de controlo, pneumáticos, eram reunidos na sala de operação, onde existia uma grande quantidade de indicadores, registadores e controladores pneumáticos, sendo o controlo, na maioria dos casos, feito variável a variável. Cerca de 1960 começou a generalizar-se a instrumentação electrónica, em que o sinal pneumático foi substituído por um sinal eléctrico contínuo. Foi muito grande, e continua a ser, a quantidade de instrumentos que utiliza o sinal em corrente, com a gama de 4-20 mA. É o aparecimento da instrumentação electrónica que dá origem ao rápido desenvolvimento dos sistemas de controlo por meio de computador, em que um computador central recebe a informação dos sensores e envia sinais de comando para os actuadores. São os chamados sistemas DDC (“direct digital control”). Se os sistemas DDC possuiam a grande vantagem de eliminar os indicadores, registadores e controladores de painel, de recolherem e processarem a informação dos sensores e efectuarem um controlo do processo mais eficiente, tinham o inconveniente de usarem computadores, lentos e pouco fiáveis, de custo muito elevado, com programação em linguagem máquina ou através de linguagens dedicadas. Passou a haver necessidade de ter pessoal especializado. Além disto, não era muito cómodo nem económico conduzir centenas ou até milhares de cabos a um local apenas: a sala do computador. Os sistemas DDC tiveram um grande desenvolvimento com o aparecimento dos minicomputadores, estimando-se que houvesse em 1970 cerca de 5000 sistemas DDC, e em 1975 perto de 50 000. Para estes sistemas o custo da cablagem ultrapassava por vezes em 50 % o custo do sistema DDC. Com o objectivo de aumentar a fiabilidade e a rapidez, diminuir a cablagem e consequentemente diminuir os custos de exploração e de instalação, começaram a aparecer os actuais sistemas DCS AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Página 4 Capítulo 1 – Introdução às Redes de Campo Março de 2004 (“distributed control systems”); corria o ano de 1975. Foi por esta altura que também apareceram os controladores lógicos programáveis, vulgarmente conhecidos por PLCs. Nestes sistemas DCS são utilizadas unidades de campo independentes, com microprocessador e memória, às quais se encontra ligada apenas a instrumentação de uma determinada área. Estes módulos estão ligados a a um computador central, a um “bus” comum ou então a uma rede de comunicação. Por volta de 1980 surgiu a primeira instrumentação inteligente. Esta é caracterizada por conter um microprocessador, que lhe permite aumentar enormemente a potencialidade. É possível nomeadamente efectuar diagnósticos, usar um indicador local digital em que se pode mostrar o nome da cadeia de medida, as unidades utilizadas na apresentação das grandezas, a validade da medida e efectuar a calibração numericamente. No entanto um dos passos importantes na evolução da instrumentação inteligente foi a utilização de um sinal digital, sobreposto ao sinal analógico, podendo comunicar-se com o instrumento através de um pequeno “calibrador” portátil, que permite reconfigurar e calibrar o dispositivo sem ter que retirá-lo de serviço. Este método é utilizados nos sistemas híbridos do tipo “HART”. Com o aumento do número de instalações de grande porte, em que o custo dos cabos de ligação dos instrumentos constitui uma fracção significativa do custo de um sistema de controlo, houve necessidade de diminuir a quantidade de cablagem numa instalação. Está-se assim a enveredar pelo caminho de sistemas com a instrumentação ligada em rede (sensores, válvulas, actuadores). Pare isto tem também contribuído o desenvolvimento e a miniaturização da electrónica digital. Um sistema deste tipo é designado na literatura anglo-saxónica por “Fieldbus Control System” – FCS. Na Fig. 2 representa-se, de uma forma aproximada não à escala, a evolução no número de sistemas de cada um destes tipos e na Fig. 3 representa-se de uma forma esquemática a configuração de cada um dos tipos de sistemas que acaba de se referir. Fig. 2 – Evolução de cada tipo de sistema nº d e si st em as n o m un do DCS Pneumático DDC | | | | | | | 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 ano FCS Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Março de 2004 Capítulo 1 – Introdução às Redes de Campo Página 5 Fig. 3 – Configuração básica dos diversos tipos de sistemas 1.3. Tipos de redes A instrumentação em rede começou a aparecer por volta de 1990/95. Uma vez que se trata de instrumentação exclusivamente digital, surgiu o seguinte problema: qual o protocolo que deve ser utilizado de modo a que haja interoperabilidade, ou seja, um instrumento de um determinado fabricante possa ser substituído por outro de outro fabricante sem que haja qualquer perturbação. Apesar de ter havido um grande esforço com o objectivo de utilizar apenas um tipo de rede, com apenas um protocolo, não tem sido possível alcançar este objectivo, devido a considerações de ordem técnica associadas a interesses económicos e políticos. Surgiram sim diversos tipos de redes, consoante a aplicação a que se destinam e a zona económica em que estão inseridos os fabricantes, nomeadamente a ASI, a CAN, a DEVICENET, a FOUNDATION FIELDBUS, a INTERBUS, a MODBUS a PROFIBUS, a WORLDFIP, etc. Na Fig. 4 representa-se esquematicamente o domínio de aplicação de alguns tipos de redes existentes. A escolha de um determinado tipo de rede depende fundamentalmente do nível de complexidade das cadeias de controlo e do tipo de dispositivos em causa. No caso que interessa mais em instrumentação e controlo, em que se trabalha com um nível de complexidade elevado, ao nível do bloco de bytes e em que se utilizam estratégias de controlo avançadas, são de salientar as redes “PROFIBUS” e “FOUNDATION FIELDBUS”. Esta última, núcleo deste trabalho, é descrita no capítulo seguinte. DDC PID DCS FCS • Cablagem longa e concentrada num ponto • Sistema lento • Cartas de E/S • Redução na cablagem • Sistema rápido • Cartas de E/S • Redução adicional na cablagem • Sistema rápido • Não há cartas de E/S PID PID AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Página 8 Capítulo 1 – Introdução às Redes de Campo Março de 2004 Neste trabalho não são abordadas tarefas executadas no servidor, uma vez que o objectivo consiste em estudar a interligação da aparelhagem em rede. Este estudo é feito nos capítulos que se seguem, para uma rede “Foundation Fieldbus”: - Estudo sumário da arquitectura da rede e dos sinais, e dos blocos, em particular dos blocos de funções, - Estudo de alguns instrumentos de medida com protocolo “Foundation Fieldbus”, - Projecto de uma rede de instrumentação, - Realização de um trabalho experimental com instrumentação em rede. 2. AS COMUNICAÇÕES 2.1. Introdução Designa-se por “Foundation Fieldbus” um sistema de comunicações digital destinado a ser usado pela instrumentação de medida e controlo industriais a nível de campo. Neste sistema, a nível do campo a comunicação é série e bidireccional, a 31.25 kbit/s, e utiliza apenas um par de condutores entrançado, que simultaneamente serve para transportar a informação e efectuar a alimentação dos dispositivos a ele ligados. O sistema foi desenvolvido por uma organização internacional, a “Foundation Fieldbus”, cujo objectivo tem sido criar um tipo de comunicação para este tipo de equipamento que seja simples, eficiente, único e inter-operável. O protocolo que se descreve aplica-se ao nível de base, ou seja, é o usado pelos instrumentos de campo, numa hierarquia de redes de equipamentos fabris. A “Foundation Fieldbus”, criada em 1994 a partir da junção das organizações ISPF e WorldFIP North America, é uma organização com fins não lucrativos constituída por mais de 140 entidades, na sua maioria empresas. Estas representam os fornecedores de mais de 90 % da instrumentação de medida e controlo a nível mundial. O objectivo da “Foundation Fieldbus” surgiu das necessidades dos seus membros e tem sido a elaboração e o desenvolvimento de um protocolo de comunicação que satisfaça os seguintes requisitos: • seja aberto ou interoperável, utilizável por qualquer dos seus aderentes, • seja simples e eficiente, • seja baseado no trabalho da CEI e da ISA, • seja único, no seu domínio de aplicação. Como se pode depreender, os objectivos da organização não têm sido fáceis de alcançar, nomeadamente devido a: • Dificuldades em definir um protocolo único que satisfaça todas as situações. Com efeito umas ligações pretendem-se rápidas e outras mais lentas, há equipamento que trabalha ao nível do bit e outro ao nível de blocos funcionais, há redes que devem possibilitar a alimentação dos instrumentos, noutras isto não é necessário, poderá haver necessidade de interligar um número grande de instrumentos ou não, ter garantia de funcionamento em tempo real ou não, poder ligar instrumentação intrinsecamente segura, etc., • Pressões introduzidas por alguns grupos económicos com o objectivo de controlar o mercado com os seus sistemas proprietários. AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Página 10 Capítulo 2 – As Comunicações Março de 2004 Por estas razões não foi possível alcançar todos os objectivos a que a “Foundation Fieldbus” se propôs, nomeadamente no que respeita à unicidade do tipo de protocolo. Embora já largamente difundido, nomeadamente nos Estados Unidos, existe na Europa uma grande concorrência por parte do sistema com protocolo “Profibus”. Há actualmente dois tipos fundamentais de hierarquias “Foundation Fieldbus”: H1 – Rede utilizada com a instrumentação de campo, em que esta é alimentada directamente a partir da rede, e destinada essencialmente a efectuar tarefas de controlo em tempo real. Nesta rede é essencial uma sincronização exacta dos sinais. Esta rede permite a utilização de instrumentação intrinsecamente segura. É uma rede a 31.25 kb/s. HSE – É uma rede destinada a interligar redes e grupos de instrumentos. É bastante mais rápida que a anterior (100 Mbit/s), não fornece a alimentação aos equipamentos, e é compatível com o protocolo Ethernet. Uma das grandes vantagens do protocolo “Foundation Fieldbus” sobre outros protocolos reside na sua interoperabilidade, ou seja, na possibilidade de substituir um determinado instrumento de um fabricante por um outro de outro fabricante, sem que haja necessidade de efectuar qualquer tipo de reconfiguração dos parâmetros do equipamento e mantendo todas as funcionalidades. A interoperabilidade permite que o utilizador da instrumentação escolha em cada momento o fornecedor que mais lhe convém, não ficando obrigado à utilização de uma determinada marca de equipamento. O protocolo “Foundation Fieldbus” baseia-se no modelo OSI(1) da ISO(2). No entanto neste protocolo apenas existem 3 camadas: a camada física, a pilha de comunicação e a camada de aplicação, como se indica na secção seguinte. Por ser do interesse deste trabalho analisar a rede que interliga a instrumentação de campo, analisar-se-á a rede H1, em particular no que respeita ao meio físico, aos blocos de funções da camada de aplicação, à instrumentação de medida e controlo e à configuração da mesma para as aplicações mais correntes. 2.2. Arquitectura da rede A rede "Foundation Fieldbus" é uma rede local “LAN” específica para interligar instrumentação e dispositivos de controlo ao nível de campo numa instalação fabril. A rede é aberta, para que os dispositivos a ela ligados possam ser substituídos, se necessário, por dispositivos equivalentes de outro fabricante, sem que haja qualquer incompatibilidade ou perda de funcionalidade. 1 Open Systems Interconnection 2 International Organization for Standardization Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Março de 2004 Capítulo 2 – As Comunicações Página 13 Por vezes na construção do cabo utilizam-se condutores de cobre com alma de aço, para que possa ser auto-suportado. Na Fig. 2.2 indica-se, para um par entrançado AWG26, qual o comprimento máximo que este pode ter, em função da taxa de transmissão, se for utilizado numa rede de comunicações, para que não haja erros de transmissão. 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 Taxa de transmissão, bit/s D is tâ nc ia m áx im a, m Fig. 2.2 – Comprimento admissível de um par blindado 2.3.2. Tensões e correntes Nas redes “Foundation Fieldbus” o equipamento é alimentado pela própria rede, que está ligada a pelo menos uma fonte de alimentação. A tensão de alimentação é contínua e deverá estar compreendida entre 9 e 32 V. No que respeita aos sinais de informação, estes são transformados pela aparelhagem em variações de corrente na linha, respectivamente +10 mA para o valor +1 e –10 mA para o valor 0. Uma vez que a linha tem uma impedância de 50 Ω, estas variações de corrente originam variações na tensão com o valor de +0.5 V e de –0.5 V, respectivamente. Observa-se assim na rede, uma tensão contínua a que se sobrepõe um sinal com 1 V pico a pico. 2.3.3. Codificação dos sinais Os sinais de comunicação, exclusivamente digitais, utilizam a banda base, isto é, não modulam nenhuma portadora. O espectro de um sinal em banda base estende-se desde a frequência zero AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Página 14 Capítulo 2 – As Comunicações Março de 2004 até uma frequência máxima, dependente da quantidade de informação que é necessário transportar por segundo, e do tipo de codificação do sinal. A rede "Foundation Fieldbus" utiliza o código Manchester L-bifásico. Este código é do tipo retorno a zero, “return to zero”, RZ. Este tipo de código tem a vantagem de ter uma componente contínua independente da estatística dos bits, que pode ser eliminada ao serem associadas polaridades simétricas aos níveis do sinal (código L-). O espectro de potência deste sinal, não estando localizado junto da frequência zero, permite uma fácil recuperação do relógio. Nesta codificação, o valor lógico 1 é convertido numa transição 1→0 e o valor lógico 0 é convertido na transição 0→1. Como exemplo, ao gerar este código a sequência de dados ... 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 ... é transformada em ... 01 10 01 10 01 10 10 01 01 10 01 ... Na Fig. 2.3 encontra-se esquematizada esta codificação, juntamente com o sinal do relógio. O relógio tem uma frequência de 31.25 kHz. Repare-se que a cada bit de dados corresponde um par (0,1) do relógio; O sinal codificado por vezes tem impulsos com a duração igual à do relógio, portanto com metade da duração do impulso de dados mais curto. Isto significa que a codificação Manchester necessita de uma largura de banda superior à do sinal de dados. O receptor interpreta uma transição positiva do sinal codificado que lhe chega, no meio de um bit do relógio, como sendo o valor lógico 0 e uma transição negativa como nível lógico 1. Fig. 2.3 – Código Manchester L-bifásico As sequências de dados têm associadas caracteres especiais: um preâmbulo, um sinal de início de comunicação e um sinal de fim de comunicação, que são adicionados aos dados, quando se trata de envio, na sub-camada DLL. O preâmbulo é constituído por uma sequência de zeros e uns, que por este motivo é codificada com a forma do sinal do relógio. O código Manchester envia pois o sinal do relógio, antes de enviar os dados. Este sinal é utilizado pelos dispositivos da rede para sincronizar os seus relógios internos. 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 Dados Relógio 31.25 kHz Dados codificados Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Março de 2004 Capítulo 2 – As Comunicações Página 15 2.4. Pilha de Comunicação A pilha de comunicação efectua a interligação entre a camada do utilizador e a camada física. Esta camada encontra-se dividida em 3 sub-camadas: sub-camada de ligação ou enlace de dados, sub-camada de acesso à rede e sub-camada de especificação de mensagens. 2.4.1. Camada de enlace de dados A sub-camada de enlace de dados (“data link layer”) DLL, controla a transmissão de mensagens para a rede. Utiliza um controlador de rede programado (no tempo), determinístico, designado por “link active scheduler”, LAS. As especificações do DLL incluiem dois tipos de dispositivos: “basic device” e “link master”. Os dispositivos “link master” têm a possibilidade de ser LAS, enquanto os “basic devices” não têm esta possibilidade. 2.4.1.1. Comunicações programadas O LAS dispõe de uma lista de tempos para os quais os dados dos diversos dispositivos da rede devem ser transmitidos periodicamente. Sempre que chega a altura de um dispositivo enviar dados, o LAS envia uma mensagem, designada por CD (“compel data”). Assim que recebe esta mensagem, o respectivo dispositivo publica os dados para todos os dispositivos da rede. Os dispositivos configurados para receber os dados são chamados subscritores ou assinantes. Na Fig. 2.4 representa-se de um modo esquemático este tipo de transferência de dados. Este modo de comunicar é utilizado na transferência regular de dados de controlo entre dispositivos de uma rede. Fig. 2.4 – Transferência de dados tabelada Tabela de mensagens: LAS a b c ... → Rede fieldbus Dados a Dados a Dados a Subscritor Subscritor Publicante CD(a) AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Página 18 Capítulo 2 – As Comunicações Março de 2004 Publicante/assinante – Este serviço é usado para mensagens, programadas ou não, que vão para um “buffer”, se iniciam num dispositivo e se destinam a vários dispositivos. São exemplos deste serviço o envio de valores das variáveis do processo, “process values”, PV para os PID e outros algoritmos que se sirvam deles, e também para as consolas de operação. 2.4.3. Sub-Camada de especificação de mensagens A sub-camada de especificação de mensagens (“fieldbus message specification”) FMS, permite que os dispositivos ligados à rede enviem mensagens uns aos outros utilizando um conjunto de formatos de mensagens padrão. O FMS descreve os serviços de comunicação, os formatos das mensagens e o protocolo necessários para construir mensagens de e para a camada de aplicação. Os dados são transmitidos pela rede através de uma descrição de objecto (“object description”). As descrições de objecto estão reunidas numa estrutura chamada dicionário de objectos (“ object dictionary”) OD. Na Fig. 2.6 representa-se esquematicamente um OD. Índice 0 Cabeçalho Índice 1 Descrição de objecto 1 Índice 2 Descrição de objecto 2 ... ... ... Índice n Descrição de objecto n Fig. 2.6 – Esquema do dicionário de objectos O índice 0, designado por cabeçalho, faz uma descrição do próprio dicionário e define o primeiro índice das descrições de objecto da camada de aplicação. Esta deverá começar acima de 255. Os índices 255 e abaixo definem tipos de dados padrão, tais como dados lógicos, dados inteiros, dados em vírgula flutuante e outras estruturas usadas para construir descrições de objectos. 2.4.3.1. Dispositivos de campo virtuais Os dispositivos de campo virtuais (“virtual field devices”) VFD são utilizados para ver, remotamente, os dados locais descritos pelo dicionário de objectos. Um dispositivo típico tem pelo menos dois VFD. A gestão da rede é parte da aplicação “Network and System Management Application”. Esta é responsável pela configuração da pilha de comunicação. O VFD usado para a gestão da rede (“network management”) é também usado para a gestão do sistema (“system management”). Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Março de 2004 Capítulo 2 – As Comunicações Página 19 Este VFD fornece o acesso ao “network management information base”, NMIB e também ao “system management information base”, SMIB. Os dados NMIB incluem a programação das relações de comunicação virtuais (“virtual communication relationships”) VCR, das variáveis dinâmicas, da estatística e do LAS, neste último caso se o dispositivo for do tipo “link master”. Os dados SMIB incluem os “tags” dos dispositivos, informações sobre os endereços a a programação no tempo dos blocos de funções. 2.4.3.2. Serviços de comunicação Os serviços de especificação de mensagens, FMS, constituem uma forma padronizada das aplicações do utilizador, tais como os blocos de funções e comunicar dentro da rede. Há serviços específicos definidos para cada tipo de objecto. Os serviços FMS só podem usar o VCR cliente/servidor. Nestes serviços são de salientar os seguintes: • serviços para estabelecer e terminar comunicações virtuais, • para permitir ao utilizador o acesso ao dicionário, para aceder e modificar as descrições de objectos, • serviços para ler e escrever variáveis associadas à descrição de objectos, • para reportar e manipular o processamento de eventos, • para efectuar “downloads” e “uploads” de programas e de dados na rede fieldbus e • serviços para invocar a execução de programas. 2.4.3.3. Formato das mensagens O formato das mensagens FMS é definido por uma linguagem de descrição de sintaxe chamada “Abstract Syntax Notation”, ASN.1. Esta linguagem foi desenvolvida pelo CCITT(4) como parte da actividade de normalização do e-mail. 2.4.3.4. Protocolo Alguns tipos de objectos têm regras especiais de comportamento, descritas na especificação FMS. Um dispositivo remoto pode controlar o estado de um programa de outro dispositivo na rede Fieldbus. Por exemplo, o dispositivo remoto pode usar o “create program invocation” do serviço FMS para mudar o estado de “não-existente” para “inactivo”. 4 Committé Consultivo Internacional de Telefones e Telégrafos AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Página 20 Capítulo 2 – As Comunicações Março de 2004 2.5. Camada do Utilizador. Blocos 2.5.1. Introdução Os blocos fazem parte da camada do utilizador, extensão um nível acima da camada de aplicação na arquitectura de comunicação OSI. Os blocos são módulos de software, constituintes da camada do utilizador, que determinam o seu modo de funcionamento de acordo com os padrões desejados, nomeadamente a definição dos recursos de hardware, a calibração a execução de tarefas, integradores, controladores, comunicações entre blocos e a rede ou outro tipo de redes e cálculos diversos. Os blocos estão disponíveis numa biblioteca de blocos, existente no software de configuração, no PC. Depois de seleccionados e configurados pelo utilizador, devem ser descarregados (“downloaded”) para os instrumentos, onde ficam a residir em memória não volátil. No “Foundation Fieldbus” há três tipos de blocos: os blocos de recursos, os blocos transdutores e os blocos de funções. Para que possa funcionar correctamente, um instrumento deverá conter um bloco de recursos, um ou vários blocos transdutores e pelo menos um bloco de funções, todos convenientemente configurados. Fig. 2.7 – Tipos de blocos no "Foundation Fieldbus" Na Fig. 2.7 representa-se de uma forma esquemática, com o auxílio de um instrumento de medida (termopar) e um dispositivo de saída (válvula de controlo), a localização de cada um destes blocos no instrumento, bem como o seu tipo de funcionalidade. O termopar está associado a um transmissor de temperatura, designado na figura por “dispositivo 1, que converte a sua tensão de saída num sinal eléctrico com o protocolo “Foundation Fieldbus”. posição válvula tempe- ratura recursos recursos funções (AI) funções (PID) funções (AO) termopar válvula de controlo bloco transdutor bloco transdutor rede FF dispositivo 1 dispositivo 2 Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Março de 2004 Capítulo 2 – As Comunicações Página 23 MNEMONIC – VALOR. É o texto que se pretende ter no visualizador para identificar o parâmetro. INC_DEC – 0.01. Valor do incremento ou decremento, na visualização do parâmetro. DECIMAL_POINT_NUMBER – 2. Número de decimais com que se pretende mostrar o parâmetro. ACCESS – monitoring. Indica que se trata de um parâmetro que apenas pode ser lido. ALPHA_NUM – mnemonic. Indica-se assim que se está a apresentar um valor numérico e também o texto escrito como mnemónica. DISPLAY_REFRESH – Update. Desta forma as indicações no visualizador são actualizadas. 2.5.4. Blocos de funções Há uma grande variedade de blocos de funções, nomeadamente: • entrada analógica e entrada analógica múltipla, • entrada discreta e entrada discreta múltipla, • entrada de impulsos, • controlador PID e controlador PID avançado, • aritmética, • separador de saídas, • caracterizador de sinal, • integrador, • alarmes analógicos, • selector de entradas, • gerador de rampa, • lógica e temporizadores, • atraso-avanço, • limitador dinâmico da saída, • cálculo de densidade, • detecção de bordo e “flip-flops” • ligação ao “modbus” • saída analógica e saída analógica múltipla. Descrevem-se a seguir alguns dos blocos de funções correntemente utilizados e indica-se a sua parametrização. Alguns dos parâmetros são constituídos por um grupo de sub-parâmetros. Apenas se refere a parametrização necessária na pratica para configurar os blocos. No caso do utilizador não indicar o valor de um parâmetro, este fica com o valor que o software lhe atribui por defeito. AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Página 24 Capítulo 2 – As Comunicações Março de 2004 2.5.4.1. Bloco de entrada analógica O bloco de entrada analógica obtém os dados através do bloco transdutor a que se encontra ligado, ligação especificada pelo parâmetro CHANNEL, e disponibiliza-os, na sua saída, para outros blocos de funções. O seu esquema de princípio encontra-se indicado na figura Fig. 2.8. Fig. 2.8 – Representação gráfica do bloco “Analog Input” A parametrização deste bloco torna-se clara a partir da observação do seu diagrama. CHANNEL – Indica o número do transdutor onde o bloco deve ir obter o valor. L_TYPE – Permite seleccionar o modo como o valor de entrada é processado: DIRECT – directo, se não estiver sujeito a qualquer calibração, INDIRECT – indirecto se a calibração for linear, IND_SQRT – indirecto-raíz quadrada, se no processo de calibração for extraída a raiz quadrada ao “field_value” antes de aplicar a escala à saída. XD_SCALE – Estes parâmetros são aplicados ao valor proveniente do canal de entrada produzindo um “field_value”, em percentagem. Se os seus valores não forem correctos é originado um alarme de erro de configuração. BLK_MODE – deverá escolher-se a opção “auto”, para que o “PV” seja transferido para a saída. As restantes opções são “manual” e “OOS” SIMULATE XD_SCALE OUT_SCALE OUT_SCALE PV_TIME LOW_CUT ALARMS CHANNEL L_TYPE IO_OPTS DIRECT INDIRECT IND_SQRT PV FIELD_VAL AUTO MANUAL OUT Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Março de 2004 Capítulo 2 – As Comunicações Página 25 LOW_CUT – Este parâmetro destina-se a eliminar ruído, próximo de zero, muito corrente em caudalímetros. PV_TIME – Constante de tempo do filtro exponencial aplicado ao sinal PV, antes de o colocar na saída. O valor 0 indica que não há filtragem. 2.5.4.2. Bloco de entrada discreta O bloco de entrada discreta recebe a informação lógica proveniente do transdutor associado a um dispositivo de entrada discreto e disponibiliza-a na rede. Fig. 2.9 – Representação gráfica do bloco “Discrete Input” É a seguinte a configuração mínima para o bloco: CHANNEL – Indica o número do transdutor onde o bloco deve ir buscar o valor. MODE_BLK – deverá escolher-se a opção “auto”, para que o “PV” seja transferido para a saída. As restantes opções são “manual” e “OOS” PV_TIME – Tempo durante o qual o “FIELD_VAL_D” deve permanecer num determinado estado lógico antes de ser passado ao “PV_D”. OUT_D – Valor calculado por “OUTPUT” e saída do bloco. SIMULATE_D – Quando este parâmetro é activado, é possível fornecer ao bloco, manualmente, o valor da entrada. SIMULATE_D OUTPUT ALARMS DISC CHANNEL PV_D FIELD_VAL_D OUT_D MODE_BLK OPTIONAL INVERT FILTER PV_TIME AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Página 28 Capítulo 2 – As Comunicações Março de 2004 2.5.4.4. Bloco de aritmética O bloco de aritmética, ARTH, destina-se a processar uma combinação de vários sinais de entrada, normalmente provenientes de sensores. O bloco dispõe de 5 entradas, designadas por “IN”, “IN_LO”, “IN_1”, “IN_2” e “IN_3”, e de uma saída, “OUT”. A representação esquemática deste bloco encontra-se na Fig. 2.11. Fig. 2.11 – Representação gráfica do bloco “Aritmética” Os sinais ligados às entradas “IN” e “IN_LO” originam uma variável interna “PV”, calculada de acordo com o seguinte algoritmo: (1 ) _PV g IN g IN LO= × + − × em que o parâmetro g tem o seguinte valor: se IN<RANGE_LO ou IN_LO<RANGE_HI então g = 0, se IN>RANGE_HI ou IN>RANGE_LO então g = 1, se RANGE_LO<IN<RANGE_HI então _ _ _ IN RANGE LOg RANGE HI RANGE LO − = − . Os parâmetros RANGE_LO e RANGE_HI, internos, são atribuídos pelo utilizador. No caso de atribuir a cada um destes parâmetros o valor –INF a variável PV será uma réplica da entrada IN. T1 T2 T3 Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Março de 2004 Capítulo 2 – As Comunicações Página 29 Os sinais ligados às entradas “IN_1” a “IN_3” originam 3 variáveis internas Ti (i=1,2,3), calculadas do modo seguinte: ( _ _ _ ) _ _iT IN i BIAS IN i GAIN IN i= + × , (i=1,2,3) em que os seis parâmetros BIAS_IN_i e GAIN_IN_i, internos, são configurados pelo utilizador. O tipo de cálculo efectuado pelo bloco é definido configurando o parâmetro ARITH_TYPE, de acordo com a seguinte tabela: ARITH_TYPE EQUAÇÃO EXEMPLO DE APLICAÇÃO 1 OUT PV f GAIN BIAS= × × + em que 1 2/f T T= é limitado Compensação do cálculo do caudal de um gás em transmissores lineares 2 OUT PV f GAIN BIAS= × × + em que 1 2 3 Tf T T = × é limitado Compensação do cálculo do caudal de um gás em transmissores quadráticos 3 OUT PV f GAIN BIAS= × × + em que 21 2 3f T T T= × × é limitado 4 OUT PV f GAIN BIAS= × × + em que 1 2f T T= − é limitado Cálculo do caudal de calor 5 OUT PV f GAIN BIAS= × × + em que 1 2 3/f T T T= + é limitado 6 1 2 3PV T T TOUT GAIN BIAS f + + + = × + em que f é o nº de entradas usadas no cálculo Cálculo da média de até 4 sinais de entrada 7 1 2 3( )OUT PV T T T GAIN BIAS= + + + × + Cálculo da soma de até 4 sinais de entrada 8 2 3 4 1 2 3( )OUT PV T T T GAIN BIAS= + + + × + Polinómio de 4ª ordem 9 1 2 PV TOUT GAIN BIAS PV T − = × + − Na configuração deste algoritmo são também importantes os seguintes parâmetros: MODE_BLK – que pode ser configurado para O/S, MAN ou AUTO, COMP_HI_LIM – limite superior para a variável PV, COMP_LO_LIM – limite inferior para a variável PV, OUT_HI_LIM – limite superior para a variável OUT, OUT_LO_LIM – limite inferior para a variável OUT. AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Página 30 Capítulo 2 – As Comunicações Março de 2004 2.5.4.5. Bloco funcional controlador PID O bloco funcional PID é um controlador proporcional, integral e derivativo. O bloco efectua os cálculos usando o seguinte algoritmo, definido pela ISA (Instruments Society of America): 1( ) / 1 d p i d T sPO K E E PV BiasA M FF T s T s = + + + + + α (2.1) em que os símbolos têm o seguinte significado: PV – Valor do processo, variável controlada, E – Erro, diferença entre a referência e o valor do processo, PO – Saída do controlador, FF – Acção directa, Bias_A/M – Parâmetro usado na transição Manual/Automático, Kp – Ganho proporcional, Ti – Tempo de integração, Td – Tempo derivativo, α – Parâmetro de ajuste do termo derivativo. Valor corrente α=0.15, s – Variável complexa de Laplace. Repare-se que no algoritmo deste controlador há as seguintes particularidades: • O ganho proporcional é aplicado aos 3 termos, proporcional, integral e derivativo, • O termo derivativo é calculado com o valor do processo e não com o erro, a fim de evitar que o controlador faça intervir a acção derivativa quando o operador mudar a referência. O controlador pode ainda ser de acção directa ou inversa. Representando o objectivo por SP, será E = SP – PV, se o controlador for de acção directa, E = PV – SP, se o controlador for de acção inversa. Na Fig. 2.12 encontra-se representado o esquema do bloco funcional PID. O seu esquema é mais geral do que o indicado na equação (2.1). Esta constitui apenas o sub-bloco “PID+FF”. Este bloco funcional admite vários modos de funcionamento, definidos através do parâmetro MODE_BLK: O/S – “Out of service”. Neste modo o controlador encontra-se desactivado, não produzindo qualquer sinal de saída. Man – Manual. O controlador encontra-se parcialmente inactivo. No entanto o “set-point” pode ser transferido para a saída se o parâmetro BYPASS estiver activado. Auto – Automático. O controlador encontra-se activo. O “set-point” é introduzido pelo operador. Casc – Cascata. O controlador encontra-se activo mas o seu “set-point” deverá ser fornecido através de outro bloco funcional, não podendo ser modificado pelo operador. Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Março de 2004 Capítulo 2 – As Comunicações Página 33 O sufixo X nas variáveis indica que se trata de valores calculados. Os cálculos permitem ampliar os limites após uma variação da referência no processo. Isto permite respostas amortecidas e com sobre-elevação sem que sejam activados os alarmes. Na Fig. 2.14 encontra-se uma representação gráfica do modo como os limites poderão variar dinamicamente se houver uma variação no “set- point” do processo. Note-se que no exemplo indicado na figura os limites não chegam a ser violados. Fig. 2.14 – Limites dinâmicos e processo Para originar os alarmes o bloco deverá funcionar em modo automático. O bloco tem duas saídas: “OUT”, que é resultante da entrada “IN” filtrada, e “OUT_ALM”, saída discreta que indica a situação de alarme. O valor desta saída é colocado a 1 ou 0 de acordo com o exposto na Fig. 2.14 e com o valor atribuído ao parâmetro “OUT_ALM_SUM”. Este permite escolher quais os alarmes a utilizar conforme a tabela abaixo. Por exemplo, se lhe for atribuído o valor ”LOWs”, para a geração do alarme apenas serão usados os limites LO_LO_ALM e LO_ALM. OUT_ALM_SUM LO_LO_ALM LO_ALM HI_ALM HI_HI_ALM ANY V V V V LOWs V V HIGHs V V LEVEL1 V V LEVEL2 V V LO_LO V LO V HI V HI_HI V NONE Tempo HI_HI_LIMX HI_LIMX LO_LO_LIMX LO_LIMX ALM_RATE_DN ALM_RATE_UP PSP PV PSP AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Página 34 Capítulo 2 – As Comunicações Março de 2004 2.5.4.7. Bloco tabela de valores Fig. 2.15 – Esquema do bloco “look-up table” Este bloco tem uma função de transferência, estática, definida pelo utilizador por meio de uma tabela. A tabela contém até 20 pares de pontos [xi, yi], i=1, 2, ... 20. Uma realização desta tabela encontra-se representada graficamente na figura. O bloco dispõe de duas entradas e de duas saídas. A saída OUT_1 corresponde à entrada IN_1 e a saída OUT_” à entrada IN_2, sendo os cálculos efectuados utilizando a mesma e única tabela deste bloco. Qualquer das saídas é calculada efectuando a interpolação da respectiva entrada entre os valores da tabela mais próximos. Os valores numéricos da tabela estão em unidades de engenharia. Se na definição da tabela não forem utilizados os 20 pares de pontos, os valores não utilizados, que deverão ser os últimos, deverão ser colocados a +INF. Os valores xi da tabela deverão estar por ordem crescente. O parâmetro SWAP_2 quando colocado a 1 utiliza, para o 2º canal IN_2 OUT_2, a tabela inversa. Só pode fazer-se isto se a tabela for monótona. O parâmetro BYPASS, quando a 1, transfere directamente as entradas para as saídas respectivas. O bloco deverá funcionar em modo AUTO. Em situação de erro o bloco passa ao modo O/S. Os valores numéricos que definem a tabela são introduzidos no bloco por meio dos vectores CURVE_X e CURVE_Y. O estado dos sinais de entrada é transferido para as saídas correspondentes, o que permite utilizar este bloco em cadeias de controlo. Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Março de 2004 Capítulo 2 – As Comunicações Página 35 2.5.4.8. Bloco selector de entradas Fig. 2.16 – Esquema do bloco “selector de entradas” O bloco selector de entradas admite até 4 sinais de entrada, dos quais apresenta apenas um à saída, depois de efectuada a selecção. As entradas provêm de outro bloco funcional, por exemplo de um bloco AI, e não directamente de um bloco transdutor. Qualquer das entradas pode ser desactivada por meio do sinal aplicado à entrada correspondente DISABLE_i (i =1, 2, 3, 4). Quando o parâmetro estiver a 1 a entrada correspondente não é utilizada. O utilizador pode seleccionar manualmente qual a entrada a seleccionar colocando o número dessa entrada no parâmetro SELECTED. Além da selecção directa de uma determinada entrada é possível colocar na saída o seguinte: 1. O primeiro “valor aceitável” encontrado na sequência 1 4 das entradas. 2. A entrada de valor mais baixo, 3. A entrada de valor mais elevado, 4. A entrada de valor intermédio (funciona só para 3 entradas), 5. O valor “média das entradas”, Estas opções são escolhidas por meio do parâmetro SELECT_TYPE: 1 = primeira leitura que for aceitável, 2 = mínimo, 3 = máximo, 4 = intermédio, 5 = média. A saída SELECTED indica qual das entradas está a ser utilizada (excepto para a média). Se o número de entradas boas for inferior ao parâmetro MIN_GOOD, a saída é dada como má. O bloco deverá funcionar em modo AUTO. Em manual não há saída. Em O/S está desactivado. AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Página 38 Capítulo 2 – As Comunicações Março de 2004 2.5.4.10. Bloco gerador de funções Fig. 2.19 – Esquema do bloco “gerador de funções” O bloco gerador de funções permite obter um sinal de saída, periódico ou não, pré definido pelo utilizador. Este bloco é correntemente utilizado para gerar o “set-point” de controladores em processos industriais que trabalham, por lotes (em “batch”). O sinal de saída é definido ponto a ponto, por segmentos, a partir de dois vectores: “START_VAL” – que indica o valor inicial de cada passo, e “DURATION” – que indica a duração dos respectivos passos. Fig. 2.20 – Exemplo de uma saída do bloco “gerador de funções” 10 5 10 10 5 5 10 tempo (minutos) SP (ºC) 120 50 25 Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Março de 2004 Capítulo 2 – As Comunicações Página 39 Na Fig. 2.20 dá-se o exemplo de uma função gerada por este bloco. Para o exemplo apresentado nesta figura deverá ser STEP_POS 1 2 3 4 5 6 7 8 START_VAL 0 25 25 50 120 120 0 0 DURATION 10 5 10 10 5 5 10 0 TIME_UNITS “minutes” (outras opções: “segundos”, “horas”, “dias” e “dd-hh:mm:ss”) O bloco deverá funcionar em modo “automático”, caso contrário não há sinais de saída fornecidos pelo bloco (ver Fig. 2.19). Quando em “manual” o utilizador poderá escrever o valor de uma saída desejada. A saída “OUT” fornece o valor do sinal tal como apresentado na Fig. 2.20. A saída “STEP_POS” indica qual a posição (degrau) do ciclo em que o bloco se encontra. As saídas “TIME_POSN” e TIME_POSN_T” indicam ao tempo decorrido desde o início do actual degrau e desde o início do ciclo, respectivamente. O bloco gerador de funções admite 4 entradas: “PAUSE” – é uma entrada lógica que pára o ciclo quando colocada a 1, continuando a execução quando o seu valor é reposto a 0. “BKCAL_IN” – esta entrada fornece o estado do bloco a ele ligado que recebe o sinal “OUT”, que deverá encontrar-se em modo “cascata”. Se tal não acontecer, para que o gerador de funções possa funcionar, o estado da entrada “BKCAL_IN” deverá ser declarado “incerto”. “START” – Este sinal de entrada, lógico, é o que dá início ao ciclo, na transição de 0 para 1. “RESET_IN” – Sempre que seja fornecido o valor 1 a esta entrada lógica faz-se o reinicio do ciclo. O seu valor durante o funcionamento deverá ser zero. A observação da Fig. 2.19 chama a atenção para os seguintes parâmetros, que podem ser introduzidos pelo utilizador (a não introdução determina o valor por defeito): “AUTO_CYCLE” – Se o seu valor for 0 o ciclo é executado apenas uma vez, se for 1 o ciclo repete-se quando se atinge o fim do último degrau. Passa assim a gerar-se uma saída periódica (defeito = 0). “START_TYPE” – Se existir uma diferença entre a saída deste bloco e o bloco que ele controla, superior à especificada pelos limites “DV_HI_LIM” e “DV_LO_LIM”, o ciclo não arranca se não for usado este parâmetro. As suas opções são: 1 – usar a curva especificada por “START_VAL” e “DURATION”. 2 – usar a mesma curva, mas com início no valor que entra em “BKCAL_IN”, 3 – usar a curva que se inicia em “BKCAL_IN” e que tem o declive definido pelos dois primeiros valores de “START_VAL” e pela “DURATION” respectiva. “OP_CMD_SPG” – nesta posição o utilizador poderá escolher as opções “ADVANCE”, “REPEAT” ou “RESET”, que fazem a saída ir para o início do degrau seguinte, voltar ao início do degrau actual ou voltar ao início do ciclo, respectivamente. AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Página 40 Capítulo 2 – As Comunicações Março de 2004 2.5.4.11. Bloco de temporização e lógica Fig. 2.21 – Esquema do bloco “timer” e lógica O bloco de temporização e lógica faz a combinação de até 4 entradas lógicas, coloca-a em “PV_D”, e processa-a fornecendo o sinal processado através da saída lógica “OUT_D”. A combinação das entradas lógicas é colocada em “PV_D”. A definição do tipo de combinação é feita pelo utilizador, através do parâmetro “COMB_TYPE”, de acordo com a tabela seguinte (as entradas não utilizadas são ignoradas): COMB_TYPE PV_D OR 1, se pelo menos uma das entradas for 1 ANY2 1, se duas ou mais entradas usadas forem 1 ANY3 1, se três ou mais entradas usadas forem 1 AND 1, se todas as entradas usadas forem 1 EXACTLY1 1, se exactamente uma entrada usada for 1 EXACTLY2 1, se exactamente duas entradas usadas forem 1 EXACTLY3 1, se exactamente três entradas usadas forem 1 EVEN 1, se exactamente 0, 2, 4 entradas usadas forem 1 ODD 1, se exactamente 1, 3 entradas usadas forem 1 Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Março de 2004 Capítulo 2 – As Comunicações Página 43 2.5.4.13. Outros blocos de funções A instrumentação em rede Foundation Fieldbus dispõe de mais blocos de funções, além dos descritos, e que se apresentam a seguir, de uma forma resumida. 2.5.4.13.1. Selector do sinal de saída com limitação dinâmica O sinal de entrada é direccionado para uma ou outra saída, com base no valor de uma entrada auxiliar. Os sinais de saída são limitados, em função de sinais de entrada auxiliares. O bloco destina-se a funcionar numa cadeia de controlo, suportando os modos O/S, Man, Auto e Casc. 2.5.4.13.2. Cálculo da densidade O objectivo deste bloco consiste em calcular a densidade de um líquido com base no conhecimento da pressão em dois pontos, dos quais se conhece a diferença de cotas. O bloco tem uma entrada adicional para a temperatura do líquido, usando este valor para efectuar a compensação dinâmica de temperatura. 2.5.4.13.3. Gerador de constantes Este bloco gera 6 constantes analógicas e duas constantes lógicas, apenas com o objectivo de poderem ser utilizadas por outros blocos de funções. 2.5.4.13.4. Flip-Flop e Trigger Este bloco pode ser seleccionado pelo utilizador para funcionar como Flip-Flop SR, D-latch e edge-trigger. 2.5.4.13.5. ModBus Control Slave Este bloco utiliza-se para trocar informação contendo dados de controlo, entre o protocolo Foundation Fieldbus e o protocolo Modbus, quando o dispositivo associado é “slave”. 2.5.4.13.6. ModBus Supervision Slave Este bloco utiliza-se para trocar informação contendo dados com variáveis de leitura, entre o protocolo Foundation Fieldbus e o protocolo Modbus, quando o dispositivo associado é “slave”. 2.5.4.13.7. ModBus Control Master Este bloco utiliza-se para trocar informação contendo dados de controlo, entre o protocolo Foundation Fieldbus e o protocolo Modbus, quando o dispositivo associado é “master”. 2.5.4.13.8. ModBus Supervision Master Este bloco utiliza-se para trocar informação contendo dados com variáveis de leitura, entre o protocolo Foundation Fieldbus e o protocolo Modbus, quando o dispositivo associado é “master”. AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Página 44 Capítulo 2 – As Comunicações Março de 2004 2.5.4.14. Bloco de saída analógica O bloco de saída analógica obtém os dados de entrada de diversos blocos funcionais, através da entrada CAS_IN, e passa-os, depois de processados, ao transdutor de saída indicado pelo parâmetro CHANNEL, transdutor este que está associado ao dispositivo físico de saída. O seu esquema de princípio encontra-se indicado na figura Fig. 2.23. Fig. 2.23 – Representação gráfica do bloco “Analog Output” A parametrização deste bloco torna-se clara a partir da observação do diagrama de blocos: CHANNEL – Indica o número do transdutor ou do terminal onde o bloco deve ir colocar o valor. L_TYPE – Permite seleccionar o modo como o valor de entrada é processado: directo, se não estiver sujeito a qualquer calibração, indirecto se a calibração for linear, indirecto- -raíz quadrada, se no processo de calibração for extraída a raiz quadrada ao “field_value” antes de aplicar a escala à saída. XD_SCALE – Estes parâmetros são aplicados ao valor proveniente do canal de entrada produzindo um “field_value”, em percentagem. Se os seus valores não forem correctos é originado um alarme de erro de configuração. BLK_MODE – deverá escolher-se a opção “auto”, para que o “PV” seja transferido para a saída. As restantes opções são “manual” e “OOS” Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Março de 2004 Capítulo 2 – As Comunicações Página 45 LOW_CUT – Este parâmetro destina-se a eliminar ruído, próximo de zero, muito corrente em caudalímetros. PV_TIME – Constante de tempo do filtro exponencial aplicado ao sinal PV, antes de o colocar na saída. O valor 0 indica que não há filtragem. 2.5.4.15. Outros blocos de saída A instrumentação em rede Foundation Fieldbus dispõe de mais blocos de saída, além do bloco da saída analógica, que se apresentam a seguir, de uma forma resumida. 2.5.4.15.1. Saída discreta O bloco de saída discreta aceita uma entrada lógica e passa-a ao transdutor a ele ligado, especificado pelo parâmetro “CHANNEL” 2.5.4.15.2. Saída analógica múltipla O bloco de saída analógica múltipla aceita até 8 entradas analógicas e passa-as ao transdutor a ele ligado, especificado pelo parâmetro “CHANNEL” 2.5.4.15.3. Saída discreta múltipla O bloco de saída discreta múltipla aceita até 8 entradas lógicas e passa-as ao transdutor a ele ligado, especificado pelo parâmetro “CHANNEL” 2.5.4.15.4. Saída em degrau PID Este bloco de saída destina-se a ser utilizado quando o elemento final contiver um actuador accionado por um motor eléctrico, em que este deva rodar num sentido ou noutro, durante um tempo bem definido, mas a velocidade constante. O bloco aceita como entradas as variáveis do processo “PV” e “SP” e processa-as utilizando um controlador PID. A saída do controlador é transformada numa saída com os estados –1, 0 ou +1, sendo a duração do estado –1 proporcional ao tempo que o motor deve rodar num determinado sentido e a duração do estado +1 proporcional ao tempo que o motor deve rodar em sentido contrário. Sempre que a saída do PID seja inferior a uma zona morta pré-definida, a saída do bloco será 0. Este bloco destina-se a ser utilizado numa cadeia de controlo. AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Página 48 Capítulo 3 – Os Instrumentos Março de 2004 3.1.3. Atmosferas corrosivas, inflamáveis e explosivas Além da humidade, há por vezes gases corrosivos na atmosfera que envolve o sensor. A pintura da caixa destes instrumentos é feita para resistir à maior parte destes gases; no entanto a rosca de aperto da tampa é mais vulnerável, pelo que é importante que esta esteja instalada até apertar o “O-Ring”. No caso de o sensor estar colocado numa atmosfera explosiva não é permitido retirar a tampa sem ter garantido previamente que se retirou a energia à rede “Fieldbus”. 3.1.4. Efeito das vibrações As vibrações são um outro factor que pode prejudicar o bom desempenho dos instrumentos. Embora as especificações dadas pelos fabricantes dos instrumentos Foundation Fieldbus indiquem uma relativa insensibilidade às vibrações, constitui também boa prática efectuar a sua instalação longe de ventiladores, bombas, turbinas ou qualquer outro equipamento vibrante. 3.2. LD302 – Fieldbus Pressure Transmitter 3.2.1. Objectivo O LD302 é um transmissor de pressão, inteligente, da nova geração de instrumentos para funcionar em rede. Admite como entrada pressões absolutas, relativas ou diferenciais, consoante o modelo. A saída é exclusivamente digital, sinal com protocolo Foundation Fieldbus (FF). O seu princípio de funcionamento é baseado no transdutor capacitivo, largamente utilizado com grande êxito em transmissores de pressão de gerações anteriores. O sensor LD302 é configurável por software, utilizando vários blocos funcionais, como sejam o bloco transdutor, o bloco de entrada analógica, o bloco PID, o bloco de alarmes, etc. Alguns dos blocos funcionais têm necessariamente de existir no sensor, enquanto outros são opcionais. Quando há mais do que um instrumento FF em rede, quer seja de pressão ou de outro tipo, poderá haver blocos funcionais que tenham que estar presentes num grupo de instrumentos, sendo a sua localização num determinado instrumento feita por decisão do projectista. No capítulo anterior fez-se uma descrição dos blocos funcionais correntemente utilizados. 3.2.2. Instalação. Ligações. Embora o LD302 disponha de um sensor de temperatura interno para efectuar a compensação das leituras, e de os sensores após o seu fabrico serem submetidos a ciclos de temperatura cujos efeitos são memorizados no transmissor para efectuar as compensações, deverão ser seguidas as normas gerais de instalação apresentadas na secção anterior, 3.1. Na secção 3.2.6 indicam-se as especificações deste transmissor no que respeita à temperatura, humidade e vibrações. Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Março de 2004 Capítulo 3 – Os Instrumentos Página 49 A instalação do transmissor LD302 no processo efectua-se seguindo as normas gerais já seguidas pelos sensores convencionais, pneumáticos ou eléctricos, nomeadamente: Fluido do processo Localização das tomadas no processo Posição do transmissor em relação às tomadas do processo Gás No topo da conduta ou laterais Acima das tomadas Líquido Laterais Abaixo das tomadas ou ao seu nível Vapor Laterais Abaixo das tomadas, usando potes de condensação Todas as linhas de impulso “horizontais” deverão ter uma inclinação de pelo menos 10 %, a fim de evitar a paragem de bolhas de gás. 3.2.3. Descrição funcional - Hardware O LD302 utiliza um transdutor capacitivo. O seu esquema encontra-se representado na Fig. 3.1. Designando por p1 – pressão aplicada a um dos diafragmas, p2 – pressão aplicada ao outro diafragma ( 1 2p p≥ ), C1 – capacidade eléctrica entre o eléctrodo 1 e o eléctrodo de medida, C2 – capacidade eléctrica entre o eléctrodo 2 e o eléctrodo de medida, d – distância entre os eléctrodos 1 e 2, A – área dos eléctrodos, em presença, ∆d – deflexão do eléctrodo de medida, ε – constante dieléctrica do líquido de enchimento, poderá escrever-se, atendendo à expressão da capacidade do condensador plano, AC d ε , 1 2 AC d d ε + ∆ , e 2 2 AC d d ε − ∆ Para pequenas deflexões será d p∆ ∝ ∆ . Um circuito que calcule 1 2 1 2 2C C d C C d − ∆ = + , uma vez que d tem um valor constante, calcula um valor proporcional a p∆ . O sensor deverá trabalhar pois em modo diferencial. No entanto, se estiver p2 ligado à atmosfera, o sensor mede a pressão relativa, se estiver p2 ligado a uma célula com vácuo, o sensor mede pressão absoluta. AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Página 50 Capítulo 3 – Os Instrumentos Março de 2004 Fig. 3.1 – Esquema do transdutor capacitivo Na Fig. 3.2 representa-se, sob a forma de esquema de blocos, o transmissor LD302, estando identificados os circuitos electrónicos em que os referidos blocos se localizam. Fig. 3.2 – Esquema de blocos do LD302 Download Firmware Memória Flash Memória RAM Modem Ajuste local CPU (EPROM) Fonte de alimen- tação condi- cionador de sinal + – R ed e Local “Main circuit board” “Input circuit board” Isolamento da fonte Local Isola- mento galvâ- nico Oscila- dor Controlador do “display” “Display board” EPROM C1 C2 Termistor Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Março de 2004 Capítulo 3 – Os Instrumentos Página 53 3.2.7. Calibração Num sensor digital o conceito de calibração não pode ser entendido como num sensor analógico. Neste, o procedimento da calibração faz corresponder aos sucessivos valores da grandeza a medir os correspondentes sinais de saída, por exemplo uma corrente eléctrica contínua. Num sensor digital, à grandeza a medir deverá fazer-se corresponder um número, representativo dessa grandeza. Normalmente não há motivos que obriguem este número a ser diferente da gama de medida do sensor. Restringindo a gama deste número está-se a perder a potencialidade que o sensor tem de medir em toda a gama de entrada, aumentando este número está-se a ler fora das especificações. Portanto, a gama de saída do sensor (numérica), deverá ser igual à gama de entrada (grandeza física a medir). Acontece, por diversos motivos, que a saída numérica do sensor não é exactamente igual ao valor numérico da grandeza que se pretende medir. Podem assim aparecer os mesmos erros que aparecem nos sensores convencionais: zero, ganho não linearidade, histerese, etc. A configuração do bloco funcional transdutor permite efectuar estas compensações. Na prática as únicas grandezas que por vezes é necessário ajustar são o zero e o ganho, através dos parâmetros CAL_POINT_LO e CAL_POINT_HI. Poderão também usar-se outras unidades. O procedimento para efectuar este ajuste é o seguinte: 1. Escolher as unidades desejadas e atribuí-las ao parâmetro CAL_UNIT. A escolha deverá ser feita de entre o menu que é apresentado pelo parâmetro. 2. Aplicar à entrada do sensor um sinal de pressão igual ao mínimo pretendido para a gama do sensor. Respeitar o mínimo da gama do sensor. O valor deste sinal deverá ser dado através de um aparelho de precisão. Introduzir este valor numérico no parâmetro CAL_POINT_LO. 3. A seguir aplicar à entrada do sensor um sinal de pressão igual ao máximo pretendido para a gama. Respeitar o máximo da gama. O valor deste sinal deverá continuar a ser dado através de um aparelho de precisão. Introduzir este valor numérico no parâmetro CAL_POINT_HI. 4. O sensor ficou assim calibrado. A nova calibração deverá ser salva através dos parâmetros CAL_POINT_LO_BACKUP e CAL_POINT_HI_BACKUP. 5. Em qualquer altura poderá ser chamada uma calibração anteriormente efectuada, bem como a calibração original feita pelo fabricante. 3.3. TT302 – Fieldbus Temperature Transmitter 3.3.1. Descrição O TT302 é um transmissor de temperatura, inteligente, da nova geração de instrumentos para funcionar em rede. Admite como entradas termo-resistências, termopares e quaisquer sinais em tensão contínua até 500 mV, consoante o modo de ligação à entrada. A saída é exclusivamente digital, sinal com protocolo Foundation Fieldbus (FF). Como opção este sensor inclui um indicador local de cristais líquidos. AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Página 54 Capítulo 3 – Os Instrumentos Março de 2004 O sensor TT302 é configurável por software, utilizando vários blocos funcionais, como por exemplo o bloco selector de entradas, o bloco transdutor, o bloco PID, o bloco de alarmes, etc. Alguns dos blocos funcionais têm necessariamente de existir no sensor, enquanto outros são opcionais. 3.3.2. Instalação. Ligações. A instalação do transmissor TT302 deverá seguir as normas gerais de instalação, não havendo, para além disso, cuidados especiais a ter em conta. O TT302 permite ligar à entrada os seguintes elementos: • Uma termo-resistência (ou sinal em resistência) a 2 fios. • Duas termo-resistências a dois fios. • Um termopar ou outro gerador de tensão contínua em mV. • Dois termopares ou dois geradores de tensão contínua em mV. Na Fig. 3.3 estão esquematizadas as ligações a efectuar para cada um destes casos. Fig. 3.3 – Ligações à entrada do TT302 1 2 3 4 Uma termo-resistência (ou sinal em resistência) a 2 fios 1 2 3 4 Uma termo-resistência (ou sinal em resistência) a 3 fios 1 2 3 4 Uma termo-resistência (ou sinal em resistência) a 4 fios 1 2 3 4 Duas termo-resistências (ou sinais em resistência) a 2 fios Um termopar 1 2 3 4 • 1 2 3 4 • • 10 MΩ Dois termopares (ou sinais em mV) 1 2 3 4 Um sinal em mV Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Março de 2004 Capítulo 3 – Os Instrumentos Página 55 3.3.3. Descrição funcional - Hardware Na Fig. 3.4 representa-se, sob a forma de esquema de blocos, o conversor TT302, estando identificados os circuitos electrónicos em que os referidos blocos se localizam. As termo- resistências, os sinais em resistência, os termopares ou os sinais em mV contínuos ligam-se aos terminais de entrada de acordo com as ligações indicadas na Fig. 3.3. Fig. 3.4 – Esquema de blocos do TT302 3.3.4. Configuração Ao configurar o transmissor TT302 é necessário adicionar-lhe pelo menos os seguintes blocos funcionais: Bloco de recursos, bloco transdutor, bloco entrada analógica e bloco de visualização, nos casos em que existe esta opção. A função de cada um destes blocos, bem como a sua configuração, é descrita no Cap.2 secção 2.5. Indica-se a seguir a configuração que foi dada ao bloco transdutor, por ser específico do transmissor de temperatura. 3.3.4.1. Bloco de recursos Como para o transmissor de pressão, o único parâmetro a configurar será MODE_BLK – target: Deve ser-lhe atribuído o valor “auto”. Download Firmware Memória Flash Memória RAM Modem Ajuste local CPU (EPROM) Fonte de alimen- tação condi- cionador de sinal + – R ed e Local “Main circuit board”“Input circuit board” Isolamento da fonte Local Is ol am en to ga lv ân ic o 1 2 3 4 Termistor Controlador do “display” “Display board” C on ve rs or A /D C on di ci on ad or de si na l M ul tip le xe r AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Página 58 Capítulo 3 – Os Instrumentos Março de 2004 3.3.7. Calibração Uma vez que se trata de um transmissor digital, em princípio não há motivos que obriguem a restringir a gama de calibração. Pode no entanto haver necessidade de compensar os erros de zero, de ganho, de não linearidade, de histerese, etc. A configuração do bloco funcional transdutor permite efectuar estas compensações. Na prática a única que por vezes é necessário ajustar é o zero e o ganho, sendo este ajuste efectuado através dos parâmetros CAL_POINT_LO e CAL_POINT_HI. Poderá também ser necessário mudar de unidades de temperatura. O procedimento para efectuar estas operações é o seguinte: 1. Escolher as unidades desejadas e atribuí-las ao parâmetro CAL_UNIT. A escolha deverá ser feita de entre o menu que é apresentado pelo parâmetro (ver pág. 56). 2. Aplicar à entrada do sensor uma tensão correspondente ao mínimo do sinal de temperatura pretendido para a gama do sensor, no caso de se tratar de um termopar. Respeitar o mínimo da gama do sensor. O valor deste sinal deverá ser fornecido através de um aparelho de precisão. Introduzir o mesmo valor numérico no parâmetro CAL_POINT_LO. 3. No caso do sensor trabalhar com termo-resistência, em vez de se aplicar uma tensão à entrada do transmissor, liga-se uma resistência de precisão (década de resistências) com o valor correspondente ao mínimo de temperatura pretendido. 4. A seguir aplica-se à entrada do sensor um sinal (tensão ou resistência, consoante se trate de termopar ou termo-resistência) correspondente ao máximo de temperatura pretendido para a gama do sensor. Deverá ser respeitado o máximo da gama do sensor. O valor deste sinal deverá ser dado através de um aparelho de precisão ou de uma década de resistências de precisão. Introduzir o respectivo valor numérico de temperatura no parâmetro CAL_POINT_HI. 5. O sensor fica assim calibrado. A nova calibração deverá ser salva através dos parâmetros CAL_POINT_LO_BACKUP e CAL_POINT_HI_BACKUP. 6. Em qualquer altura poderá ser chamada a calibração anteriormente efectuada, bem como a calibração original feita pelo fabricante. Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Março de 2004 Capítulo 3 – Os Instrumentos Página 59 3.4. IF302 – Triple Channel Current to Fieldbus Converter 3.4.1. Objectivo O IF302 é um conversor destinado a servir de interface entre a instrumentação convencional de 4-20 mA e a rede Foundation Fieldbus. Este conversor é unidireccional: admite 3 entradas analógicas independentes, em corrente de 4-20 mA ou 0-20 mA, e fornece uma saída exclusivamente digital com o protocolo Foundation Fieldbus. Como opção este sensor inclui um indicador local de cristais líquidos. Para efectuar o interface em sentido inverso deverá utilizar-se outro conversor, o FI302. O conversor IF302 é, como acontece com os transmissores anteriores, configurável por software, utilizando os blocos funcionais descritos. 3.4.2. Instalação. Ligações eléctricas A instalação do conversor IF302 deverá seguir as normas gerais de instalação, não havendo, para além disso, cuidados especiais a ter em conta. A entrada dos cabos de rede deverá ser feita apenas por uma das aberturas existentes na caixa do conversor. As ligações analógicas poderão ser feitas pela 2ª entrada do conversor. Qualquer destas aberturas deverá ser convenientemente selada de acordo o tipo de ambiente em que o sensor se encontra instalado. Na Fig. 3.5 indica-se a forma de ligar transmissores de corrente de 4-20 mA ao IF302 para o caso em que aqueles são alimentados por meio de uma fonte de alimentação externa. As entradas de corrente, fazem-se pelos terminais 1, 2 e 3 e 4. A ligação à rede é feita através dos terminais + e -, pelo que deve haver coincidência entre esta polaridade e a dos condutores de rede. Fig. 3.5 – Ligações do conversor IF302 + 1 2 3 – IF302 4 Transmissor 1 Transmissor 2 Transmissor 3 Fonte Aliment 4–20 mA 4–20 mA 4–20 mA + + + + –– Rede AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Página 60 Capítulo 3 – Os Instrumentos Março de 2004 3.4.3. Descrição funcional - Hardware Na Fig. 3.6 representa-se, sob a forma de esquema de blocos, o conversor IF302, estando identificados os circuitos electrónicos em que os referidos blocos se localizam. Os terminais 1 a 4 da entrada ligam ao “input circuit board”, sendo o terminal 4 comum aos 3 canais. As entradas estão protegidas contra inversão de polaridade, devendo no entanto haver o cuidado de não aplicar directamente a tensão da fonte aos terminais 1 a 3, o que poderia danificar o circuito de entrada. Note-se que o circuito de entrada e o circuito principal se encontram isolados galvanicamente. Fig. 3.6 – Esquema de blocos do IF302 3.4.4. Configuração Para configurar o conversor IF302 é necessário adicionar-lhe os seguintes blocos funcionais: Três blocos transdutores, um bloco de recursos, um bloco de visualização, nos casos em que existe esta opção, e os blocos de funções que o projectista considerar necessários. A função de cada um destes blocos foi descrita na secção anterior. Indica-se a seguir a configuração que deve dada a cada um destes blocos. 3.4.4.1. Bloco de recursos O único parâmetro a configurar será MODE_BLK – target: colocar em “auto”. Download Firmware Memória Flash Memória RAM Modem Ajuste local CPU (EPROM) Fonte de alimen- tação condi- cionador de sinal + – R ed e Local “Main circuit board” “Input circuit board” Isolamento da fonte Local Isola- mento galvâ- nico 1 2 3 4 Con- ver- sor A/D Mul- tiple- xer 3 × 100 Ω 3 × 4- 20 m A Controlador do “display” “Display board” Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Março de 2004 Capítulo 3 – Os Instrumentos Página 63 Fig. 3.7 – Ligações do conversor FI302 3.5.3. Descrição funcional - Hardware Na Fig. 3.8 representa-se, sob a forma de esquema de blocos, o conversor FI302, estando identificados os circuitos electrónicos em que os referidos blocos se localizam. A saída dos sinais de corrente efectua-se através dos terminais 1 a 4 da saída e ligam ao “output circuit board”, sendo o terminal 4 comum aos 3 canais. Note-se que os circuitos de saída se encontram isolados galvanicamente. Fig. 3.8 – Esquema de blocos do FI302 + 1 2 3 – FI302 4 Receptor 1 Receptor 2 Receptor 3 Fonte Aliment 4–20 mA 4–20 mA 4–20 mA + + + + –– Rede Download Firmware Memória Flash Memória RAM Modem Ajuste local CPU (EPROM) Fonte de alimen- tação condi- cionador de sinal + – R ed e Local “Main circuit board” Controlador do “display” “Display board” “Output circuit Isolamento da fonte Local Isola- mento galvâ- nico 3 4 D/A 3 × 4- 20 m A 1 2 D/A D/A AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Página 64 Capítulo 3 – Os Instrumentos Março de 2004 3.5.4. Configuração Para configurar o conversor FI302 é necessário adicionar-lhe os seguintes blocos funcionais: Um bloco de recursos, três blocos transdutores, um bloco de visualização, nos casos em que existe esta opção, e os blocos de funções que o projectista considerar necessários. A função de cada um destes blocos foi descrita na secção anterior. Indica-se a seguir a configuração que deve dada ao bloco transdutor, por ser o único que é específico do conversor. 3.5.4.1. Bloco de recursos O único parâmetro a configurar será MODE_BLK – target: colocar em “auto”. 3.5.4.2. Bloco transdutor O bloco transdutor efectua uma separação entre o hardware de entrada (conversor F/I) e os blocos de funções. Deverá ser incluído um bloco transdutor por cada um dos canais de corrente de saída. Indica-se a seguir a forma de configurar os parâmetros mais importantes destes blocos. MODE_BLK – target: Deve ser-lhe atribuído o valor “auto”. Deste modo o bloco está activo. A outra opção seria OOS (out of service). TERMINAL_NUMBER – Este parâmetros selecciona o canal físico de saída que fornece a corrente eléctrica que está a ser lida. Pode tomar os valores 1, 2 ou 3. É possível efectuar a calibração da corrente de saída do conversor da seguinte forma: Injecta-se à entrada do terminal uma corrente I1, de valor bem definido, tal que 10 9I mA≤ ≤ . Aguarda-se alguns segundos até o valor estabilizar e introduz-se, pelo sistema, o valor de I1 em CAL_POINT_LO (– Indica o valor mínimo da corrente de saída. Normalmente é 0 ou 4 mA). Seguidamente aumenta-se a corrente para um valor I2 tal que 215 22I mA≤ ≤ e introduz-se em CAL_POINT_HI (– Indica o valor máximo da corrente de saída. Normalmente será 20 mA). O procedimento que acaba de se descrever não é habitualmente necessário, pois o conversor vem calibrado de fábrica para a gama 4-20 mA que é a correntemente utilizada. Para calibrar o conversor de modo a que indique os valores de saída nas unidades de Engenharia desejadas deverão ser utilizados os seguintes parâmetros: CAL_UNIT – units: xxx CAL_POINT_HI – xxx CAL_POINT_LO – xxx Linear/quadrático – yyy 3.5.5. Manutenção A manutenção correctiva do FI302 deve ser feita com este desligado do processo, na oficina de instrumentação e é análoga à que foi descrita para o transmissor de temperatura TT302 (ver secção 3.3.5). Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Março de 2004 Capítulo 3 – Os Instrumentos Página 65 3.5.6. Especificações As especificações do transmissor FI302, são análogas às do IF302, com as seguintes modificações: Entrada – Sinal digital, Foundation Fielbus, 31.25 kbit/s, alimentado pela rede. Saída – 3 sinais de corrente dentro de 4-20 mA com alimentação externa de 3-45 VDC, protegidos contra inversão de polaridade. 3.6. FY302 –Fieldbus Valve Positioner 3.6.1. Objectivo O FY302 é um posicionador destinado a servir de interface entre a rede Foundation Fieldbus e válvulas pneumáticas de actuação simples ou dupla, lineares ou rotativas. Admite como entrada um sinal digital com o protocolo Foundation Fieldbus e fornece uma saída analógica pneumática de 3-15 PSI. Como opção este sensor inclui um indicador local de cristais líquidos. O conversor FY302 é, como acontece com os instrumentos anteriores, configurável por software, utilizando os blocos funcionais já descritos. 3.6.2. Instalação. Ar e ligações pneumáticas A instalação do posicionador FY302 depende do tipo de actuador utilizado na válvula, que pode ser simples com mola de retorno ou de dupla acção, e também do tipo de movimento, que pode ser linear ou rotativo. Quer no actuador linear como no rotativo deverá verificar-se se a seta gravada no magneto do sensor se encontra em frente da seta que indica a posição do actuador quando a válvula se encontra a 50% do seu curso. Se o posicionador ou o magneto forem alterados na sua posição, será necessário recalibrar o posicionador. Tanto os indicadores pneumáticos como o indicador electrónico que mostra a posição da válvula podem ser instalados em diversas posições, de modo a facilitar a visualização. O posicionador necessita de ser alimentado com ar de instrumentação. Este deverá ser seco, limpo e não corrosivo(1). A pressão do ar de alimentação deverá estar compreendida entre 140 kPa e 700 kPa. As suas características devem obedecer, de acordo com a especificação da ISA, a: • Dimensão máxima das partículas sólidas: 3 µm. • Conteúdo de óleo: máximo de 1 ppm em peso. • Ponto de orvalho: pelo menos 10 ºC abaixo da temperatura mínima na instalação. • Contaminantes: livre de gases tóxicos ou inflamáveis. 1 A qualidade do ar de instrumentação é definido na norma ISA S7.3 da Instrument Society of America. AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Página 68 Capítulo 3 – Os Instrumentos Março de 2004 3.6.5. Configuração Ao configurar o transmissor FY302 é necessário adicionar-lhe pelo menos os seguintes blocos funcionais: Bloco de recursos, bloco transdutor, bloco saída analógica e bloco de visualização, nos casos em que existe esta opção. A função de cada um destes blocos, bem como a sua configuração, é descrita no Cap.2 secção 2.5. Indica-se a configuração que dada a estes blocos. 3.6.5.1. Bloco de recursos Como para os outros dispositivos, o único parâmetro a configurar no bloco de recursos será MODE_BLK – target: Deve ser-lhe atribuído o valor “auto”. 3.6.5.2. Bloco transdutor O bloco transdutor de saída recebe a posição pretendida para a válvula (“set-point” da posição da válvula) através de um bloco funcional “Analog Output” – AO. Para posicionar correctamente a válvula o bloco transdutor contém um controlador PI interno, com ganhos ajustáveis, SERVO_GAIN e SERVO_RESET. Estes parâmetros vêm configurados de origem para os valores 20 e 4, respectivamente, sendo eventualmente necessário proceder ao seu ajuste durante o arranque da instalação. É no entanto necessário configurar os seguintes parâmetros: MODE_BLK – target: auto. VALVE_TYPE – Linear ou Rotary. No caso de se modificar a posição do magneto que detecta a posição é necessário calibrar o bloco transdutor. Para o efeito procede-se do seguinte modo: 1. Providenciar no sentido de que o indicador local esteja a indicar a posição da válvula. 2. Colocar, com o auxílio do tubo pneumático, a válvula na posição fechada. Verificar a posição do indicador mecânico em relação ao magneto. 3. Colocar, com o auxílio do tubo pneumático, a válvula na posição aberta. Verificar a posição do indicador mecânico em relação ao magneto. 4. Ajustar o magneto de forma que o curso da válvula fique entre as suas marcas. 5. Colocar, com o auxílio do tubo pneumático, a válvula na posição fechada. Escrever 0 no parâmetro CAL_POINT_LO. Cuidado: Ao escrever sobre este parâmetro é iniciada a rotina de calibração. 6. Ler a posição apresentada pelo indicador local e escrevê-la no parâmetro FEEDBACK_CAL. Repetir, se necessário, até que o indicador mostre 0 %. 7. Escrever no parâmetro CAL_CONTROL o valor “disable”. Isto termina o processo de calibração. Este, deverá ser repetido para a válvula aberta, como se indica a seguir: 8. Colocar, com o auxílio do tubo pneumático, a válvula na posição aberta. Escrever 100 no parâmetro CAL_POINT_HI. Escrevendo aqui inicia-se de novo a rotina de calibração. 9. Ler a posição apresentada pelo indicador local e escrevê-la no parâmetro FEEDBACK_CAL. Repetir, se necessário, até que o indicador mostre 100 %. 10. Escrever no parâmetro CAL_CONTROL o valor “disable”. Isto termina o processo de calibração. Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Março de 2004 Capítulo 3 – Os Instrumentos Página 69 3.6.6. Manutenção A manutenção correctiva do FY302 deve ser feita de acordo com as indicações do fabricante. Há que verificar o sistema pneumático e o eléctrico. Sistema pneumático. Verificar o seguinte: • Se existe ar de alimentação, com pressão compreendida entre 140 e 700 kPa. • Se há fugas de ar na ligação ao posicionador e ao actuador. • As saídas do posicionador e a limpeza das restrições do posicionador. Sistema eléctrico. Verificar o seguinte: • Se o cabo de rede está correctamente ligado, aos terminais + e – . • Se a rede está alimentada, com uma tensão contínua entre 9 e 32 V. • Se a rede tem o terminador colocado. • Se os parâmetros de configuração da válvula estão convenientemente atribuídos. • Se o sistema reconhece o posicionador na rede, na lista de dispositivos activos. Pode ainda acontecer que a válvula não responda correctamente, estando muito lenta ou então oscilante, quando o “set-point” da sua posição for fixo. Nesta situação deverão modificar-se os parâmetros SERVO_GAIN ou SERVO_RESET, de modo a estabilizar a válvula com uma resposta aceitável. 3.6.7. Especificações São as seguintes as especificações do transmissor FY302, indicadas pelo fabricante: 3.6.7.1. Especificações funcionais Sinais de entrada: Sinal digital, Foundation Fieldbus, 31.25 kbit/s Sinal de saída – sinal pneumático de 3-15 PSI, de acção simples ou dupla, com capacidade para fornecer 46.5 m3N/h. Alimentação pneumática: ar de instrumentação, 140 a 700 kPa. Consumo 0.25 a 0.70 m3N/h. Alimentação eléctrica – 9-32 V contínuos, com a rede. Consumo < 12 mA. Indicador local – opcional, de cristais líquidos, com 4 ½ dígitos numéricos e 5 dígitos alfanuméricos Zona restrita – à prova de explosão e intrinsecamente seguro (normas CENELEC e FM) Classe de protecção – IP67 Limites de temperatura: Ambiente, -40 a +85 ºC, Armazenamento, -40 a +100 ºC, Processo, -25 a +85 ºC (“O-Rings” em Viton) Indicador, -10 a +60 ºC (em operação) -40 a +85 ºC (sem danificar) Limites de humidade – 10 a 100 % HR Tempo de activação – Satisfaz as especificações 10 segundos após a ligação da energia eléctrica. AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Página 70 Capítulo 3 – Os Instrumentos Março de 2004 3.6.7.2. Especificações de desempenho Precisão: ± 0.1 % URL (gama superior de medida) – inclui os efeitos da não linearidade, histerese e repetibilidade. Efeito da temperatura: ±0.03 % da leitura, por cada 10ºC de variação de temperatura. Efeito da fonte de alimentação: ±0.005 % da leitura por volt. Efeito das vibrações: ±0.3 % /g, nas condições de frequência indicadas pelo fabricante. 3.6.7.3. Especificações físicas Caixa: alumínio injectado pintado a polyester. (existe opção em 316SST) Montagem: apertado ao corpo da válvula, com várias opções de montagem. Peso aproximado: 2.80 kg com o módulo de visualização incluído. Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Março de 2004 Capítulo 4 – Projecto de Redes de Instrumentação Página 73 Fig. 4.2 – Diagrama P&I, FF, de uma cadeia de controlo de caudal, proposta ISA 4.3. Selecção dos Instrumentos. A selecção dos instrumentos, do ponto de vista da parte dos sensores, é análoga à dos instrumentos convencionais [19]. A folha do instrumento deverá ainda incluir a seguinte informação adicional: • tipo de sinal: Foundation Fieldbus, • alimentação local ou através da rede, • consumo máximo admitido, • blocos de funções a incluir, • capacidade de diagnóstico. 4.4. Estrutura da rede. A estrutura de uma rede depende fundamentalmente da complexidade da unidade fabril onde vai ser instalada. O controlo de um sistema industrial poderá exigir a ligação ao processo em milhares de pontos, pelo que a instalação, e em particular a rede, terão que ser criteriosamente planeadas. Tomando como exemplo uma unidade fabril ou fábrica, esta deverá ser dividida em níveis hierárquicos, de modo a que cada nível imediatamente inferior constitua uma unidade funcional bem individualizada. Cada uma destas unidades funcionais será sucessivamente dividida, de um modo análogo, até se chegar à instrumentação de campo. Embora numa rede Fieldbus seja possível aceder de qualquer ponto da rede a qualquer instrumento, há níveis de acesso distintos, pelo que convirá efectuar uma divisão da rede seguindo a divisão funcional da fábrica, pelas razões seguintes: FT 301 FF FV 301 FF FIC 301 •• AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Página 74 Capítulo 4 – Projecto de Redes de Instrumentação Março de 2004 • melhor acesso local à instrumentação, • melhor compreensão dos problemas locais, • facilidade na manutenção, • facilidade na programação de paragens. • divisão da responsabilidade, Seguindo esta ordem de ideias, a divisão de redes será efectuada segundo a divisão funcional da fábrica, que tem uma certa semelhança com a colocação dos ficheiros em pastas num computador, como se indica na Fig.4.3. Fábrica área 1 unidade funcional 1 cadeia 1 cadeia 2 ... cadeia p unidade funcional 2 ... unidade funcional m área 2 ... área n Fig.4.3 – Divisão funcional de uma fábrica Dentro de cada unidade funcional haverá vários tipos de equipamento: • instrumentação de medida para variáveis contínuas, • instrumentação de medida para variáveis discretas (“ON/OFF”), • válvulas de controlo, • válvulas “ON/OFF”, • instrumentação intrinsecamente segura, • comando de motores de velocidade variável, • comando de motores de velocidade fixa, • instrumentação digital (exemplo: taquímetros e contadores de impulsos). Será assim conveniente agrupar a instrumentação em rede de acordo com a forma com que este tipo de equipamento se encontra distribuído pela fábrica, e por tipo de equipamento. Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Março de 2004 Capítulo 4 – Projecto de Redes de Instrumentação Página 75 Actualmente o protótipo Foundation Fieldbus já cobre directamente as entradas e saídas discretas binárias ("ON/OFF") (1), mas muitas vezes para este tipo de I/O utilizam-se Controladores Programáveis Lógicos (PLCs) que ligam ao sistema através da rede, como se mostra na Fig.4.4. Também é possível efectuar a multiplexagem de sinais de diversos tipos, consoante os módulos utilizados, e ligar o sinal multiplexado em rede, como se indica na mesma figura com o módulo representado por “MUX”. Fig.4.4 – Utilização de PLC ou de multiplexer Cada segmento interliga vários instrumentos, ao mesmo tempo que os alimenta com energia eléctrica. Os instrumentos são todos ligados em paralelo, e em cada um destes segmentos de rede apenas podem ser utilizados dispositivos com o protocolo H1. Poderá haver instrumentação com alimentação independente ligada à rede H1. Neste caso serão necessários condutores de alimentação independentes, como se mostra com o instrumento 1 da Fig.4.4. O número máximo de dispositivos que é possível ligar em cada segmento é: • 12 a 16 dispositivos/segmento(2) – para instrumentação normal • 4 a 6 dispositivos/segmento – para instrumentação intrinsecamente segura. O comprimento máximo de cada segmento, incluindo as derivações, é de 1900 m. No caso de se pretender utilizar mais dispositivos do que aqueles que se acabam de indicar é possível efectuar a extensão dos segmentos utilizando repetidores. Poderão ser utilizados até ao máximo de 4 repetidores a ligar segmentos, podendo assim efectuar-se a extensão de uma rede até ficar com o comprimento máximo de 9 500 metros (ver adiante, secção 4.7). 1 O dispositivo de campo para entradas/saídas discretas é designado na SMAR por DC302. 2 Dependente da tensão de alimentação da rede, da secção do cabo e do seu comprimento. Estação de operação Instrumentação de campo Rede Fieldbus Fonte de alimentação Terminação Entradas-saídas analógicas e “on/off” PLC MUX alimentação independente 1 Entradas-saídas analógicas e “on/off” AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Página 78 Capítulo 4 – Projecto de Redes de Instrumentação Março de 2004 Do lado da fonte a terminação ou é incorporada na fonte ou instalada exteriormente, incluída num módulo chamado “power supply impedance”, que tem a finalidade adicional de evitar que a fonte curto-circuite o sinal. 4.5.5. Fonte de alimentação e impedância da FA No caso de se utilizarem fontes de alimentação correntes, estas deverão ter uma saída de 24/32 V e deverão poder fornecer a corrente de 1.5 A. Neste caso a fonte deverá ser ligada a uma “power supply impedance, (PSI)”, que actua como separador entre a fonte e a rede que alimenta: a energia de alimentação passa da fonte para a rede através da PSI, mas os sinais de comunicação são bloqueados pela PSI, não podendo atingir a fonte. Além disso a PSI contém uma terminação de rede, que poderá ser usada ou não, consoante as ligações que se efectuem. 4.5.6. Caixas de junção Para efectuar a ligação das derivações de uma rede não são exigidos terminais especiais. No entanto os pontos em que as derivações são efectuadas, como em qualquer outra instalação industrial, deverão estar protegidos, pelo que se recomenda que as derivações sejam feitas no interior de caixas de junção. No caso da ligação ser em margarida é conveniente a utilização de terminais que permitam retirar o equipamento da rede sem interromper a continuidade desta. Além disto os dois ramos do cabo devem entrar para o instrumento através do mesmo orifício, para que este, além de poder ser desligado possa também ser retirado do local. 4.6. Localização dos transmissores. A forma mais expedita de instalar os transmissores é junto ao elemento primário, formando deste modo o sensor um todo fisicamente único. É aliás este o conceito associado ao Fieldbus. Isto acontece em quase todos os transmissores de pressão, em que o elemento sensor está acoplado ao transmissor. Verifica-se também nas válvulas de controlo, em que o posicionador é mecanicamente acoplado à válvula. No entanto, em muitos casos práticos tal tipo de instalação poderá não ser possível, nomeadamente devido a: • Localização do elemento primário em ambiente exposto a factores ambientais adversos, como sejam temperaturas elevadas, agentes químicos corrosivos, humidade ou vibrações, factores estes que poderão reduzir a precisão e a vida do transmissor, • Localização do elemento primário em local de difícil acesso, • Falta de espaço para localização do transmissor. 1. Acção da temperatura: Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Março de 2004 Capítulo 4 – Projecto de Redes de Instrumentação Página 79 Nos casos em que tal for necessário, os transmissores poderão ser colocados a alguma distância dos respectivos elementos primários. Como medidas de protecção do equipamento contra o calor deverá observar-se o seguinte: • Deverá ser instalado em locais protegidos de grandes variações térmicas; • Não permitir em permanência a exposição directa do transmissor ao raios solares. • Evitar a instalação junto de reservatórios com temperaturas elevadas, de fornalhas, gases quentes, etc. Se estas exigências não forem possíveis de satisfazer, deverá instalar-se o transmissor com uma placa de protecção ou com um colar de arrefecimento. 2. Humidade: Os "O-rings" das caixas de protecção, deverão estar colocados correctamente e as tampas apertadas até sentir a compressão do “O-ring”. Não apertar as tampas com ferramentas. Abrir o transmissor no campo só quando absolutamente necessário, para não expor os circuitos electrónicos à humidade. Fechar as entradas de cabos não usadas. O transmissor quando não ligado directamente aos sensores pode ser instalado abraçado a uma tubagem 2 polegadas, fixado numa parede ou num painel ou colocado no interior de uma caixa de junção. A montagem do transmissor pode ser efectuada em várias posições. Convém em todos os casos deixar o “display” de modo a ler-se na horizontal. Note-se que os indicadores dos transmissores têm várias posições de montagem. 4.7. Cabos. Secções e comprimentos. Os cabos recomendados por um dos fabricantes de instrumentação em rede, para utilização nos segmentos de rede a nível de campo, encontram-se indicados no quadro abaixo. Da observação do quadro conclui-se que para ligar instrumentos a uma distância grande é essencial que o cabo seja entrançado e blindado. Também se conclui que para instalações locais, com distâncias da ordem da dezena de metros, não é importante o tipo de cabo. Tipo Nº de pares Entrançado Blindado Secção Comprimento máximo Atenuação do sinal A Simples Sim Sim AWG 18 0,80 mm2 1900 m 3 dB/km B Múltiplo Sim Sim AWG 22 0,32 mm2 1200 m 5 dB/km C Múltiplo Sim Não AWG 26 0,13 mm2 400 m 8 dB/km D Múltiplo Não Sim AWG 16 1,25 mm2 200 m 8 dB/km Os cabos, quando blindados, deverão ter o condutor de blindagem ligado à terra em apenas um ponto. AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Página 80 Capítulo 4 – Projecto de Redes de Instrumentação Março de 2004 Sempre que seja necessário ligar instrumentos num segmento com mais de 1900 m, poderão utilizar-se repetidores, até um máximo de 4 repetidores, como se mostra na Fig.4.8. Fig.4.8 – Uso de repetidores num segmento de rede H1 4.8. Instrumentação intrinsecamente segura. No caso de haver atmosferas explosivas, onde devido à classificação da área seja obrigatória a utilização de barreiras de segurança, há barreiras específicas para utilização com a rede FF. Na figura seguinte encontra-se representada uma dessas barreiras. O número de instrumentos de campo fica reduzido a um máximo de 6 por segmento de rede. Repare-se que a barreira separa todo o segmento de rede, e não apenas um instrumento em particular. Fig.4.9 – Barreira de segurança para uso num segmento de rede H1 REP1 REP2 REP3 REP4 1900 m 1900 m 1900 m 1900 m 1900 m Transmissores ZONA CLASSIFICADA – ATMOSFERA EXPLOSIVA ZONA SEGURA Fonte de Alimentação = 24 V, ± 5% + – Instrumentação Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇ ÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Março de 2004 Capítulo 4 – Projecto de Redes de Instrumentaçã o Pá gina 83 Fig.4.13 – Ligaç ão de vários segmentos de rede por meio de cartas PCI Uma outra forma de interligar os segmentos de rede, bastante mais eficiente na medida em que permite a utilizaç ão de muito mais segmentos de rede H1 que a configuraç ão anterior, várias estaç õ es de operaç ão e de equipamento que não seja Foundation Fieldbus, consiste na utilizaç ão de pontes de interface. Uma ponte consiste num interface que permite ligar a uma rede Fieldbus HSE ( equivalente à rede Ethernet) um conjunto muito variado de grupos de dispositivos, como por exemplo redes Fieldbus, PLCs, módulos de entradas/saídas discretas e computadores. Na Fig.4.14 representa-se de uma forma genérica uma rede Fieldbus HSE interligada a diversas estaç õ es de operaç ão e a várias redes H1. ESTAÇ ÃO DE OPERAÇ ÃO INTERFACES COM O PROCESSO (Max. 8) (Max. 4 canais/ Interface) Instrumentos de Campo Instrumentos de Campo Instrumentos de Campo Instrumentos de Campo Fonte de Alim. adapatador Fonte de Alim. adapatador Fonte de Alim. adapatador Fonte de Alim. adapatador Term. Term. Term. Term. Term. Term. Term. Term. PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Fig.4.14 – Ligaç ão de vários segmentos de rede por meio de pontes PONTES PONTES PONTES PONTE Estaçã o de Operaçã o Estaçã o de Operaçã o Estaçã o de Operaçã o Rede HSE Rede HSE Rede H1 Rede H1 Rede H1 Rede H1 Rede H1 Estaçã o de Operaçã o Estaçã o de Operaçã o Estaçã o de Operaçã o Rede H1 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 5. TRABALHO EXPERIMENTAL – – APLICAÇÃO A UM TANQUE 5.1. Objectivo e trabalho realizado É objectivo deste trabalho desenvolver a utilização de instrumentação em rede em processos industriais, analisar o seu desempenho, tirar conclusões e fazer recomendações sobre o uso da referida instrumentação. Para este efeito, e em parte com equipamentos já existentes no Laboratório de Instrumentação da Escola Superior de Tecnologia de Setúbal, construiu-se um pequeno processo industrial no qual se instalou instrumentação da “Foundation Fieldbus”. Procurou observar-se o comportamento da instrumentação individualmente e em grupo. Para este último efeito criou-se uma estratégia de operação através da qual podem ser controladas algumas das variáveis mais correntes na indústria: pressão, temperatura, nível e caudal. Tiraram-se algumas conclusões sobre o uso da instrumentação em rede em processos industriais, que irão servir de base a recomendações sobre a sua utilização. 5.2. Descrição do processo O processo utilizado neste trabalho é constituído por um reservatório fechado contendo água e ar. O reservatório é alimentado com água de temperatura controlada e pode fornecer água com caudal controlado. Pretende-se também manter constantes o nível da água no interior do tanque, e a sua pressão. O tanque é cilíndrico, de ferro, e tem as seguintes características: Diâmetro – 510 mm, altura – 1180 mm, espessura da parede – 6 mm Capacidade – 240 litros, pressão: nominal – 11.0 Bar, máxima – 18.5 Bar A alimentação de água ao tanque é feita por meio de tubo de PVC de ½ ‘A saída de água morna faz-se por meio de tubo PVC de 1‘. Foi instalada a seguinte instrumentação de medida local: Indicador da pressão do ar no interior do tanque (disponível no laboratório). Indicador da pressão de água da rede (disponível no laboratório). Caudalímetro da água de entrada (disponível no laboratório). Tubo de visualização do nível (construído com um tubo acrílico e uma fita métrica). Como medida de protecção, que é obrigatória sempre que se trabalha com reservatórios pressurizados, instalou-se no topo do tanque uma válvula de segurança. Instalou-se também um sensor de nível “on/off”, ligado a uma electroválvula que corta a alimentação de água se o nível atingir um máximo. O tanque e a instrumentação de medida e de controlo associadas foram instalados sobre um suporte de ferro. O conjunto é mostrado na Fig. 5.1, sendo a instrumentação em rede que se utilizou descrita na secção 5.3.