Protocolo FOUNDATION fieldbus

E ai pessoal, tudo certinho?

No post de hoje vou dar continuidade à nossa sequência de publicações sobre os diversos tipos de protocolos para Redes Industriais existentes atualmente. O protocolo em destaque hoje é o FOUNDATION fieldbus. Este protocolo, assim como o Profibus PA, foi desenvolvido para trabalhar em Áreas Classificadas.

Então…bora falar sobre Protocolo FOUNDATION fieldbus…

Histórico

A organização Fieldbus Foundation surgiu em 1994, da união de dois grupos de empresas internacionais denominadas ISP (Interoperable Systems Project) e WorldFIP (World Factory Instrumentation Protocol). Ambos os grupos tinham como finalidade desenvolver uma tecnologia que pudesse ser usada em áreas classificadas [1], ou seja, áreas potencialmente explosivas. De acordo com [1], com essa união, o grupo passou a ter também um outro objetivo que era criar um padrão internacional baseado em normas IEC que pudesse ser utilizado pela indústria de automação e controle de processo, e daí foi criado o protocolo FOUNDATION fieldbus. Essa organização, existente até hoje, é quem cuida da manutenção e evolução deste protocolo.

Características Técnicas [3]

Abaixo, podemos conferir as características técnicas do protocolo FOUNDATION fieldbus:

• Nível de tensão do sinal: 750 a 1000 mV.
• Camadas utilizadas: Física (Physical Layer), Enlace (Data Link Layer), Aplicação (Application Layer) e Interface com o Usuário (User Interface).
• Velocidade de transmissão utilizada: modo H1 – 31,25 Kbps. modo HSE – 10 Mbps ou 100 Mbps
• Tipo de codificação: Manchester.
• Alimentação: cada equipamento na rede deve ser alimentado com no mínimo 9V. Essa alimentação pode ser externa ou via barramento.
• Comprimento máximo do segmento: 1900m sem repetidor (H1) e 100 m (HSE). É permitido o uso de até 4 repetidores, o que faz com que a extensão da rede alcance 9,5 km.
• Número de equipamentos no barramento: até 32. Este número pode variar de acordo com a classificação da área, o consumo de corrente nestes equipamentos, as distâncias envolvidas entre mestre e escravos e o tipo de cabo utilizado na instalação.
• Áreas com segurança intrínseca: utilização de até 9 equipamentos em áreas classificadas como Grupo IIC e até 23 equipamentos em áreas classificadas como Grupo IIB. Esses valores usam como referência uma corrente quiescente de 10 mA.
• Topologias: barramento, árvore ou estrela.

Diferencial

O protocolo FOUNDATION fieldbus é semelhante a vários outros padrões existentes, porém, se destaca por possuir um LAS (Link Active Scheduler). De acordo com [2], o LAS é uma entidade responsável por gerenciar as mensagens. Um outro diferencial é a possibilidade de usar um Mestre Backup na rede. Com isto, um equipamento de campo pode ser configurado para assumir o controle da rede caso haja algum problema no controlador principal. Isto assegura que a rede não pare de funcionar enquanto o problema não é resolvido. Isto é possível pois, a base para a arquitetura de um equipamento FF é formada por blocos funcionais, que são responsáveis por executar tarefas como, aquisição de dados, controle PID, cálculos e atuação [2]. Os blocos funcionais possuem algoritmos e bases de dados que são definidos pelo usuário. Os parâmetros de cada bloco são endereçados no Fieldbus FOUNDATION através do esquema TAG/PARÂMETRO/NOME [2].

Vantagens [2]

Este protocolo apresenta diversas vantagens, como:

• Em redes convencionais, por exemplo uma rede 4-20 mA, existe a necessidade de se ter um equipamento que media a troca de mensagens entre os equipamentos de campo (que produzem sinais analógicos)e os sistemas de supervisão. Esses equipamentos mediadores podem ser chamados de Estações de Controle de Campo, e têm como função converter os sinais analógicos do barramento para sinais digitais, que serão utilizados nos sistemas de supervisão. No FOUNDATION fieldbus, tem-se esses equipamentos (sensores, atuadores etc) ligados em rede diretamente com o sistema de supervisão, que gera uma significativa redução nos custos com cabeamento, já que não existem mais a necessidade de se ter um par de fios conectando cada equipamento de campo à Estação de Controle de Campo e cada estação ao sistema de supervisão.
• Rápido diagnóstico de falhas em equipamentos de campo, que podem ser detectados antes de se tornarem graves;
• Função Mestre Backup: distribuição das funções de controle nos equipamentos de campo. Dispensa a necessidade de equipamentos dedicados à tarefas de controle;
• Aumento na robustez do sistema;
• Custos de engenharia reduzidos;
• Qualidade da informação de um sinal digital é muito melhor do que dos sinais analógicos;

Meio Físico

De acordo com [3]:

As primeiras versões da norma especificam duas opções para a camada física: H1 e H2. O H1, com taxa de 31,25 Kbits/s é voltado basicamente para equipamentos de campo (transmissores, posicionadores de válvula, etc), e pode ser usado em áreas onde é necessária segurança intrínseca (ambientes explosivos). O H2, com taxa de 1 a 2,5 Mbps, seria utilizado para integrar controladores e equipamentos mais complexos. Devido à rápida evolução tecnológica, o H2 foi substituído pelo HSE, que usa Ethernet a 100 Mbps. Assim, para conexão de equipamentos de campo há o FOUNDATION™ Fieldbus H1, com camada física baseada na ISAS50.02-1992 ou IEC61158-2:2000. Para conexão entre PLCs, Linking Devices, Gateways e PCs, há o FOUNDATION™ Fieldbus HSE, baseado em Ethernet (IEEE802.3-2000, ISO/IEC8802.3-2000).

A Tabela 1 mostra um comparativo entre os meios físicos H1 e HSE.

Fazendo uma comparação entre os protocolos Profibus e FOUNDATION fieldbus, o Profibus PA atua no mesmo nível que o FOUNDATION fieldbus, e o Profinet atua no mesmo nível que o HSE.

FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept)

O FISCO é uma norma internacional que dita as regras para instalações em áreas classificadas. De acordo com [3] o modelo FISCO tem as seguintes restrições:

• Cada segmento de rede deve possuir um único elemento ativo no barramento de campo localizado na área não-classificada;
• Os demais equipamentos na área classificada são passivos;
• Cada equipamento deve ter um consumo quiescente mínimo de pelo menos 10 mA;
• Em áreas de segurança intrínseca e à prova de explosão o barramento deve ter no máximo 1000m;
• Derivações individuais devem ser limitadas a 30m;
• Deve-se utilizar 2 terminadores de barramento no barramento principal;
• É necessário utilizar transmissores e barreiras/fontes aprovadas pelo FISCO;
• Parâmetros dos cabos: Resistência: 15 a 150 Ohm/km;   Indutância: 0,4 a 1 mH/km;   Capacitância: 80 a 200 nF/km
• Cabo tipo A: 0,8 mm² (AWG18);
• Deve-se verificar para cada transmissor se: Tensão de saída < Tensão de entrada;   Corrente de saída < Corrente de entrada;   Potência de saída < Potência de entrada
• Parâmetros das terminações: R = 90 a 100 Ohm;   C = 0 a 2,2 uF

Um outro conceito utilizado como regra para instalações em áreas classificadas é o FNICO (Fieldbus Nonincendive Concept). De acordo com [3] este é um conceito emergente similar ao FISCO, mas limitado para o uso em Zona 2. O FNICO é permitido em países da América do Norte e ou que se baseiam em padrões desta região.

Tipos de Cabos [3]

Existem 4 tipos de cabos que podem ser utilizados em uma instalação. Veja na Tabela 2 as principais características de cada um deles.

Distâncias Mínimas de Separação entre os Cabos [3]

Como foi falado em um dos artigos sobre Profibus DP, uma das situações que podem causar interferência nos sinais que estão sendo transmitidos é a proximidade com alguns tipos de cabos. Para evitar este tipo de problema, veja na Tabela 3 as distâncias mínimas recomendadas para instalação de cabos Profibus.

Bom pessoal…é isso. Neste artigo foram apresentados os conceitos básicos sobre o protocolo FOUNDATION fieldbus. Espero que tenha sido esclarecedor e que vocês tenham gostado.

Até mais!!!

Referência Bibliográfica:

[1] MATA, R. S. (2011). Descobrindo a Tecnologia Foundation Fieldbus Parte 1: Fundamentos e Principais Características. Disponível em: http://www.mecatronicaatual.com.br/secoes/leitura/756 Acesso feito em 11/12/12.
[2] ALBUQUERQUE, P. U. B., ALEXANDRIA, A. R. (2009). Redes Industriais – Aplicações em Sistemas Digitais de Controle Distribuído. Ensino Profissional Editora.
[3] Manual dos procedimentos de instalação, operação e manutenção – Geral Profibus PA. Smar, 2009.