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7/28/2019 PROJETOS_FIELDBUS

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Projetos de Instrumentao

PROJETOS COM INSTRUMENTAO FIELDBUS...1

Projetos com InstrumentaoFIELDBUS

Os sistemas de controle antigos tipo SDCD tem a sua instalao e manuteno

implicando em altos custos principalmente quando se desejava ampliar uma aplicao

onde alm dos custos de projeto e equipamento, custos com cabeamento dos

equipamentos de campo unidade central de controle.

Para minimizar estes custos e aumentar a operacionalidade de uma aplicao

introduziu-se o conceito de rede de comunicao digital para interligar os vrios

equipamentos de uma aplicao. A utilizao de redes em aplicaes industriais prev

um significativo avano nas seguintes reas:

Custos de instalao

Procedimentos de manuteno

Opes de upgrades

Informao de controle de qualidade

Informaes de instrumentos para manuteno

Configuraes dos instrumentos a distncia

O projeto de implantao de sistemas de controle baseados em redes, requer um

estudo para determinar qual o tipo de rede que possui as maiores vantagens de

implementao ao usurio final, que deve buscar uma plataforma de aplicaocompatvel com o maior nmero de equipamentos possveis.

Surge da a opo pela utilizao de arquiteturas de sistemas abertos que, ao

contrrio das arquiteturas proprietrias onde apenas um fabricante lana produtos

compatveis com a sua prpria arquitetura de rede, o usurio pode encontrar em mais

de um fabricante a soluo para os seus problemas. Alm disso, muitas redes abertas

possuem organizaes de usurios que podem fornecer informaes e possibilitar

trocas de experincias a respeito dos diversos problemas de funcionamento de uma

rede.


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Redes industriais so padronizadas sobre 3 nveis de hierarquias cada qual

responsvel pela conexo de diferentes tipos de equipamentos com suas prprias

caractersticas de informao (ver Figura ).

O nvel mais alto, nvel de informao da rede, destinado a um computador centralque processa o escalonamento da produo da planta e permite operaes de

monitoramento estatstico da planta sendo imlpementado, geralmente, por softwares

gerenciais (MIS). O padro Ethernet operando com o protocolo TCP/IP o mais

comumente utilizado neste nvel.

Discrete Control

Control Layer

InformationLayer

TRADITIONAL INDUSTRY NETWORKARCHITECTURE

Figura - Nveis de redes industriais

O nvel intermedirio, nvel de controle da rede, a rede central localizada na planta

incorporando PLCs, DCSc e PCs. A informao deve trafegar neste nvel em tempo

real para garantir a atualizao dos dados nos softwares que realizam a superviso da

aplicao.

O nvel mais baixo, nvel de controle discreto, se refere geralmente s ligaes fsicas

da rede ou o nvel de I/O. Este nvel de rede conecta os equipamentos de baixo nvel

entre as partes fsicas e de controle. Neste nvel encontram-se os sensores discretos,

contatores e blocos de I/O.

As redes de equipamentos so classificadas pelo tipo de equipamento conectado a

elas e o tipo de dados que trafega pela rede. Os dados podem ser bits, bytes ou

blocos. As redes com dados em formato de bits transmitem sinais discretos contendo

simples condies ON/OFF. As redes com dados no formato de byte podem conter

pacotes de informaes discretas e/ou analgicas e as redes com dados em formato

de bloco so capazes de transmitir pacotes de informao de tamanhos variveis.


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Assim, classificam-se as redes quanto ao tipo de rede de equipamento e os dados que

ela transporta como (ver Figura ):

rede sensorbus Utilizada principalmente em automao de manufatura com

controle lgico, onde trafega dados no formato de bits

rede devicebus - Utilizada principalmente em automao de manufatura com

controle lgico, onde trafega dados no formato de bytes

rede fieldbus - Utilizada principalmente em automao de processos com controle

complexo, onde trafega dados no formato de pacotes de mensagens

Sensorbus

SeriplexASIINTERBUS Loop

Devicebus

Device NetSDSProfibus DPLONWorksINTERBUS-S

Fieldbus

IEC/ISA SP50Fieldbus FoundationProfibus PAHART

Low-end Midrange High-end

Simple Devices Complex Devices

bit byte block

Type ofDevices

Type ofControl

TYPE OF CONTROL AND DEVICES

ProcessControl

LogicControl

Figura - Classificao das redes

A rede sensorbus conecta equipamentos simples e pequenos diretamente rede. Osequipamentos deste tipo de rede necessitam de comunicao rpida em nveis

discretos e so tipicamente sensores e atuadores de baixo custo. Estas redes no

almejam cobrir grandes distncias. Exemplos tpicos de rede sensorbus incluem

Seriplex, ASI e INTERBUS Loop.

A rede devicebus preenche o espao entre redes sensorbus e fieldbus e pode cobrir

distncias de at 500 m. Os equipamentos conectados a esta rede tero mais pontos

discretos, alguns dados analgicos ou uma mistura de ambos. Alm disso, algumas

destas redes permitem a transferncia de blocos em uma menor prioridade comparado

aos dados no formato de bytes. Esta rede tem os mesmos requisitos de transferncia

rpida de dados da rede de sensorbus, mas consegue gerenciar mais equipamentos e

dados. Alguns exemplos de redes deste tipo so DeviceNet, Smart Distributed System

(SDS), Profibus DP, LONWorks e INTERBUS-S.

A rede fieldbus interliga os equipamentos de I/O mais inteligentes e pode cobrir

distncias maiores. Os equipamentos acoplados rede possuem inteligncia para

desempenhar funes especficas de controle tais como loops PID, controle de fluxo

de informaes e processos. Os tempos de transferncia podem ser longos mas a


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rede deve ser capaz de comunicar-se por vrios tipos de dados (discreto, analgico,

parmetros, programas e informaes do usurio). Exemplo de redes fieldbus incluem:

Fieldbus Foundation, Profibus PA e HART.

Os tipos de equipamentos que cada uma destas classes agrupam podem ser vistos naFigura a seguir.

AnalyticalSLCs, Temp. Controllers

Control Valves

Process SensorsDCSsPCs, PLCs

Operator InterfacesDrives

Motion ControllersSwitches, Sensors, Valves

Motor startersPush buttons

Fieldbus

Sensorbus

Devicebus

PRODUCT GROUPING

Figura - Grupos de produtos por classe de rede

DEFINIES

FIELDBUS um sistema de

comunicao digital

bidirecional (Figura ) que

permite a interligao em

rede de mltiplos

instrumentos diretamente

no campo realizando

funes de controle e

monitorao de processo e

estaes de operao (IHM)

atravs de softwares

supervisrios (Figura ).

A seguir estaremos analisando os detalhes de projeto utilizando-se o protocolo

FIELDBUS elaborado pela Fieldbus Foundation e normalizado pela ISA-The

TWO WAYCOMMUNICATION

DPT + PID FCV TT PT

OPERATIONSTATION

MAINTENANCETOOL


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International Society for Measurement and Control para automao de Plantas de

Processos.

LOCAL AREA NETWORKSUPERVISORY

SYSTEM

FIELDBUS

FIELDDPT301 PT301 FCV301 DPT302 PT302 FCV302

Figura - FIELDBUS em operao conjunta softwares Supervisrios

NVEL FSICO IEC-61158-2

No estudo do nvel fsico estaremos analisando os tipos de ligaes possveis (fiao,

cabos coaxiais, tico ou rdio), conexes, terminadores, caractersticas eletricas, etc...

especificados pela FIELDBUS FOUNDATION PHYSICAL LAYER PROFILE

SPECIFICATION, Document FF-94-816, August 28,1995.

Como complementao de bibliografia, as informaes contidas neste curso esto

baseadas nos seguintes documentos publicados pela ISA - The International Society

for Measurement and Control- pela Fieldbus Foundation e pela IEC The

Electrotechinical Commission :

IEC 1158-2 : 1993, Feldbus Standard for use in Industrial Control Systems - Part 2:

Physical Layer Specification and Service Definition.

ISA - S50.02 - 1992, Fieldbus Standard for use in Industrial Control Systems - Part2: Physical Layer Specification and Service Definition.

ISA - dS50.02-1995-544A, Fieldbus (draft) Standard for use in Industrial Control

Systems - Part 2: Physical Layer Specification and Service Definition, Amendment

to Cluse 24 (Formerly Clause 11)

Fieldbus Preliminary Application Note on Intrinsic Safety,Revision 1.1, 21

September 1995.


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ISA/SP50-1993-466C - Fieldbus Standard for use in Industrial Control Systems,

Part 2: Physical Layer Specification and Service Definition, Amendment 1 : Radio

Medium - Proposed Clauses 18,19&20-1993

ISA/SP50-1993-477 - TR1 : Technical Report for Low Speed Radio MediumPhysical Layer Fieldbus-1993.

ISA/SP50-1994-517A - Fieldbus Standard for Use in Industrial Control Systems,

Part 7: Fieldbus Management, Clause 1: Introduction, Scope, Definitions,

Reference Model-1994

ISA/SP50-1995-518A - Fieldbus Standard for Use in Industrial Control Systems,

Part 2: Physical Layer Specification and Service Definition, Amendment X: Medium

Attachment Unit (MAU) Current Mode (1 Ampere),Wire Medium-1995

IEC 65C/178/CDU IEC 61158-3 Data Link Layer DLL Service Part 3

IEC 65C/179/CDU IEC 61158-4 Data Link Layer DLL Protocol Part 4

A Norma ANSI/ISA-S50.02-1992, aprovada em 17 de Maio de 1994 - Fieldbus

Standard for Use in Industrial Control Systems Part 2: Physical Layer Specification and

Service Definition trata do meio fsico para a realizao das interligaes os principais

tens so:

transmisso de dados somente digital

self-clocking

comunicao bi-direcional

cdigo Manchester

modulao de voltagem (acoplamento paralelo)

velocidades de transmisso de 31,25 kb/s, 100 Mb/s

barramento sem energia, no intrinsecamente seguro

barramento com energia, no intrinsecamente seguro

barramento sem energia, intrinsecamente seguro

barramento com energia, intrinsecamente seguro

REGRAS

Na velocidade de 31,25 kb/s a norma determina, dentre outras, as seguintes regras:


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1. um instrumento FIELDBUS deve ser capaz de se comunicar entre os seguintes

nmeros de equipamentos:

entre 2 e 32 instrumentos numa ligao sem segurana intrseca e alimentao

separada da fiao de comunicao;

entre 2 a 6 instrumentos alimentados pela mesma fiao de comunicao numa

ligao com segurana intrnseca;

entre 1 e 12 instrumentos alimentados pela mesma fiao de comunicao numa

ligao sem segurana intrnseca.

Obs.: Esta regra no impede a ligao de mais instrumentos do que o especificado,

estes nmeros foram alcanados levando-se em considerao o consumo de 9 mA +/-

1 mA, com tenso de alimentao de 24 VDC e barreiras de segurana intrnseca com11 a 21 VDC de sada e 80 mA mximos de corrente para os instrumentos localizados

na rea perigosa.

2. um barramento carregado com o nmero mximo de instrumentos na velocidade de

31,25 kb/s no deve ter entre a soma dos trechos do trunk e de todos os spurs um

comprimento maior que 1.900 m (ver Figura );

Obs.: esta regra no impede o uso de comprimentos maiores desde que sejam

respeitadas as caractersticas eletricas dos equipamentos.

Signal

Isolation

Circuit

Fieldbus

Power Supply

Terminator

-

+Control or

Monitoring

Device

Terminator

Field Devices

BUSFieldbus Segment

1900M Max.

Line Drawing Representation of Simple Fieldbus Segment

Figura - Comprimento mximo de um segmento FIELDBUS

3. nmero mximo de repetidores para a regenerao da forma de onda entre dois

intrumentos no pode exceder a 4 (quatro) (ver Figura;

4. um sistema FIELDBUS deve ser capaz de continuar operando enquanto um

instrumento est sendo conectado ou desconectado;


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PHYSICAL LAYER

DISTANCE CAN BE INCREASED WITH REPEARTERSMAXIMUM = 4

REP1 REP2 REP3 REP4

1.900 M 1.900 M 1.900 M 1.900 M 1.900M

Terminator

5. as falhas de qualquer elemento de comunicao ou derivao (com excesso de

curto-circuito ou baixa impedncia) no dever prejudicar a comunicao por mais de

1 ms;

6. deve ser respeitada a polaridade emsistemas que utilizem pares tranados, seus

condutores devem ser

identificados e esta polarizao

deve ser mantida em todos os pontos de

conexo;

7. para sistemas com meio fsico

redundante:

cada canal deve atender as regras de configurao de redes;

no deve existir um segmento no redundante entre dois segmentos

redundantes;

os repetidores tambm devero ser redundantes;

os nmeros dos canais devero ser mantidos no FIELDBUS, isto , os canais do

FIELDBUS devem ter os mesmos nmeros dos canais fsicos.

8. shield dos cabos no devero ser utilizados como condutores de energia.

DISTRIBUIO DE ENERGIA

A alimentao de equipamentos FIELDBUS pode ser feita opcionalmente

atravs dos mesmos condutores de comunicao ou separadamente; um instrumento

com alimentao separada pode ser conectado a um outro instrumento com

alimentao e comunicao no mesmo par de fios.

Na sequncia algumas especificaes eltricas para sistemas FIELDBUS :

Um equipamento pode opcionalmente receber energia por condutores de sinal ou

por condutores separados;

Um equipamento pode ser certificado como intrinsecamente seguro recebendo

energia tanto pelos condutores de sinal quanto por condutores separados;

Um equipamento energizado separadamente pode ser conectado a um

equipamento energizado pelo mesmo condutor de sinal.


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CARACTERSTICAS DOS EQUIPAMENTOS ENERGIZADOS EM REDE

PARA O MODO DE VOLTAGEM DE 31,25 KBIT/S

Caractersticas dos equipamentos energizados em rede Limites para 31,25 Kbit/s

Voltagem de operao 9,0 a 32,0 V DC

Mxima voltagem 35 V

Mxima taxa de mudana de corrente de repouso (no

transmitindo); este requisito no aplicado nos primeiros 10 ms

aps a conexo do equipamento em uma rede em operao ou

nos primeiros 10 ms aps a energinzao da rede.

1,0 mA/ms

Mxima corrente; este requisito ajustado durante o intervalode 100 s at 10 ms aps a conexo do equipamento a uma

rede em operao ou 100 s at 10 ms aps a energizao da

rede.

Corrente de repouso mais 10 mA

REQUISITOS PARA A ALIMENTAO DE REDES PARA O MODO DE

VOLTAGEM DE 31,25 KBIT/S

Requisitos para a alimentao de redes Limites para 31,25 Kbit/s

Voltagem de sada, no intrinsecamente seguro 32 V DC

Voltagem de sada, intrinsecamente seguro (I.S.) depende da faixa da barreira

Impedncia de sada no intrinsecamente segura, medida

dentro da faixa de frequncia 0,25 f r 1,25 fr

3 K

Impedncia de sada, intrinsicamente segura, medida dentro da

faixa de frequncia 0,25 fr 1,25 fr

400 K (A alimentaointrinsecamente segura inclui uma

barreira intrinsecamente segura).

Um equipamento FIELDBUS que inclui o modo de voltagem de 31,25 Kbit/s

ser capaz de operar dentro de um intervalo de voltagem de 9 V 32 V DC entre os

dois condutores incluindo o ripple. O equipamento poder ser submetido a mxima

voltagem de 35 V DC sem causar danos.

NOTA: Para sistemas intrinsecamente seguros a voltagem de operao pode ser

limitada pelos requisitos de certificao. Neste caso a fonte de energia estar


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localizada na rea segura e sua voltagem de sada ser atenuada por uma barreira de

segurana ou um componente equivalente.

Um equipamento FIELDBUS que inclui o modo de voltagem de 31,25 Kbit/s obedecer

os requisitos da norma ISA-S50.02 quando energizada por uma fonte com asseguintes especificaes:

A tenso de sada da fonte de alimentao para redes no intrinsecamente seguras

ser no mximo de 32 V DC incluindo o ripple;

A impedncia de sada da fonte de alimentao para redes no intrinsecamente

seguras ser 3 K dentro da faixa de frequncia 0,25 fr 1,25 fr (7,8 KHz 39 KHz).Este requisito no aplicado dentro dos 10 ms da conexo nem na remoo de um

equipamento do campo;

A impedncia de sada de uma fonte de alimentao intrinsecamente segura ser

400 K dentro da faixa de frequncia 0,25 fr 1,25 fr (7,8 KHz 39 KHz);

Os requisitos de isolao do circuito de sinal e do circuito de distribuio de energia

em relao ao terra e entre ambos devem estar de acordo com a IEC 61158-2 (1993).

Figura - Barramento de comunicao energizado

ISOLAO ELTRICA

Todos os equipamentos FIELDBUS que usam fios condutores, seja na energizao

separada ou na energizao atravs dos condutores de sinal de comunicao,

devero fornecer isolao para baixas frequncias entre o terra, o cabo do barramento

e o equipamento. Isto deve ser feito pela isolao de todo o equipamento do terra ou

pelo uso de um transformador, opto-acoplador, ou qualquer outro componente isolador

entre o trunk e o equipamento.

AAA

1

Power

to BUS

T Single Twisted Pair

(Terminator)

Field Devices and Control Devices

Simple Fieldbus Topology Representation

T

(Terminator)

I/O

Multi-conductor Cable

(Only one pair required)


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Uma fonte de alimentao combinada com um elemento de comunicao no

necessitar de isolao eltrica.

Para cabos blindados, a impedncia de isolao medida entre a blindagem do cabo

FIELDBUS e o terra do equipamento FIELDBUS dever ser maior que 250 K emtodas as frequncias abaixo de 63 Hz.

A mxima capacitncia no balanceada para o terra de ambos terminais de entrada de

um equipamento no dever exceder 250 pF.

ESPECIFICAO DO MEIO CONDUTOR

Conectores

Conectores para os cabos, se utilizados,podero ser do tipo engate rpido ou

conectores tradicionais. Terminaes no

campo, nao devem ser feitas

diretamente nos terminais dos

instrumentos e sim atravs de

conectores em caixas de terminao.

Gland

Terminator


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Junction

Box

Junction

Box

ToFieldbusH1 Card Fieldbus

TerminatorMolded Cordset with4-Prong Connector

DeviceReceptacle

CABOS

De acordo com os requisitos da norma ISA-S50.02, o cabo utilizado para ligar

equipamentos FIELDBUS com o modo de voltagem de 31,25 Kbit/s pode ser um

simples par de fios tranados com a sua blindagem atendendo os seguintes requisitos

mnimos (a 25 C):

Z0 em fr (31,25 KHz) = 100 20%;

Atenuao mxima em 1,25 fr (39 KHz) = 3.0 dB/Km;

Mxima capacitncia no balanceada da blindagem = 2 nF/Km;

Resistncia DC mxima (por condutor) = 22 /Km;

Atraso mximo de propagao entre 0,25 fr e 1,25 fr = 1.7 s/Km;

rea seccional do condutor (bitola) = nominal 0,8 mm2 (#18 AWG);

Cobertura mnima da blindagem dever ser maior ou igual a 90%.


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Para novas instalaes devemos especificar cabos de par tranado com blindagem do

tipo A, outros cabos podem ser usados mas respeitando as limitaes da tabela abaixo

como por exemplo os cabos mltiplos com pares tranados com uma blindagem geral

(denominado cabo tipo B).

O tipo de cabo de menos indicao o cabo de par tranado simples ou multiplo sem

qualquer blindagem (denominado cabo tipo C).

O tipo de cabo de menor indicao o cabo de mltiplos condutores sem pares

tranados (denominado cabo tipo D) e blindagem geral.

A seguir a tabela de especificaes dos tipos de cabos (a 25 C):

Parmetros Condies Tipo A Tipo B Tipo C Tipo D

Impednciacaracterstica, Z0,

fr (31,25 KHz) 100 20 100 30 ** **

Resistncia DC

mxima, /km

por condutor 22 56 132 20

Atenuao mxima,

dB/km

1,25 fr (39 kHz) 3.0 5.0 8.0 8.0

rea seccional

nominal do condutor(bitola), mm2

0.8

(#18 AWG)

0.32

(#22 AWG)

0.13

(#26 AWG)

1.25

(#16 AWG)

Capacitncia mx.

no balanceada, pF

1 metro de

comprimento

2 2 ** **

** no especificado

Observaes:

Outros tipos de cabo que atendam ou suplantem as especificaes podem ser

utilizados. Cabos com especificaes melhoradas podem habilitar barramentos comcomprimentos maiores e/ou com imunidade superior interferncia. Reciprocamente,

cabos com especificaes inferiores podem provocar limitaes de comprimento para

ambos, barramentos (trunk) e derivaes (spurs) mais nao sao aceitos cabos que no

atendam a conformidade com os requisitos RFI/EMI.

Para aplicaes de segurana intrnseca, a razo indutncia/resistncia (L/R) deve ser

menor que o limite especificado pela agncia regulamentadora local.


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Trunk Junctionbox

Spurs

Cable Length = Trunk Lenght + All Spur LengthsMaximum Length = 1900 metres with Type ACable

CONTROL ROOMEQUIPMENT

FOUNDATION TECHNOLOGY

31.25 kbit/s FIELDBUS WIRING

COMMUNICATIONSTACK

USERLAYER

PHYSICAL LAYER

Figura - Cabos utilizados no FIELDBUS

Cabo tipo Distncia (m)

A 1900

B 1200

C 400

D 200

Tabela - Comprimentos tpicos de barramento e derivaes

ACOPLADORES

O acoplador pode prover um ou muitos pontos de conexo para o barramento. Pode

ser integrado ao equipamento FIELDBUS caso no haja nenhuma derivao. Caso

contrrio, dever ter pelo menos 3 pontos de acesso como visto na Figura um para o

spur e um para cada lado do trunk.


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Um acoplador passivo deve conter qualquer um ou todos os elementos opcionais

descritos abaixo:

Um transformador para fornecer isolao galvnica e um transformador de

impedncia entre trunk e spur;

Conectores, para fornecer conexes fceis de spur e/ou trunk;

Resistores de proteo como visto na figura abaixo, para proteger o barramento dotrfego entre outras estaes dos efeitos de um spur em curto-circuito num trunk

desenergizado, no intrinsecamente seguro.

Acopladores ativos, que requerem alimentaes externas, podem conter componentes

para amplificao do sinal e retransmisso.

Figura - Acoplador FIELDBUS

Trunk Acoplador Trunk

Equipamento

Spur

Figura - Resistores de proteo

Trunk no energizado

e no intrinsecamente

seguro

Spur

Resistores de pro-

teo opcionais


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Atravs das ligaes internas dos acopladores (Figura ), pode-se construir vrias

topologias.

Figura - Ligaes internas de uma caixa de campo

Splices

Um splice qualquer parte da rede na qual as caractersticas de impedncia do cabo

da rede no so preservadas. Isto possivelmente oportuno para operao dos

condutores de cabos, remoo da blindagem do cabo, troca do dimetro do fio ou seu

tipo, conexo spurs, conexo em terminais ns, etc. Uma definio prtica para

splice , portanto, qualquer parte da rede que no tem um comprimento contnuo de

um meio condutor especificado.

Para redes que tm um comprimento total de cabos (trunk e spurs) maior que 400 m,

a soma de todos os comprimentos de todos os splices no deve exceder 2,0 % do

comprimento do cabo. Para comprimento de cabos de 400 m ou menos, a soma dos

comprimentos de todos splices no deve exceder 8 m. O motivo para esta

especificao preservar a qualidade de transmisso requerendo que a rede seja

construda quase totalmente com o meio condutor especificado.

A continuidade de todos os condutores do cabo devem ser mantidas em um splice.

BUS TERMINATOR

Inside Junction BoxMAIN TRUCKCABLE


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Terminadores

Um terminador deve estar em ambas pontas do cabo de trunk, conectado de um

condutor de sinal para o outro. Nenhuma conexo deve ser feita entre o terminador e a

blindagem do cabo.

Pode-se ter o terminador implementado internamente uma caixa de campo (Junction

Box) como sugere a Figura.

Figura - Terminador interno uma caixa de campo

O valor da impedncia do terminador deve ser 100 20% dentro da faixa de

frequncia 0,25 fr 1,25 fr (7,8 KHz a 39 KHz). Este valor aproximadamente o valor

mdio da impedncia caracterstica do cabo nas frequncias de trabalho e escolhido

para minimizar as reflexes na linha de transmisso.

O vazamento de corrente direta pelo terminador no deve exceder 100 A. O

terminador deve ser no polarizado.

Todos os terminadores usados em aplicaes intrinsecamente seguras devem atenderas necessidades de isolao e distanciamento (necessrias para a aprovao I.S.).

aceito para as funes de fonte de alimentao, barreiras de segurana e

terminadores a combinao de vrias maneiras (desde que a impedncia equivalente

atenda os requisitos da norma ISA-S50.02).

Inside Junction Box

FieldbusTerminator

To ControlBuilding

(Single orMulti-Pair)

Twisted Pair(Shielded)

Field Wiring andField Devices

Shields not shown

Terminal Block in Field Mounted Junction Box


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Figura - Esquema da linha de transmisso balanceada

Regras de Blindagem

Para atender os requisitos de imunidade a rudos necessrio

assegurar a continuidade da blindagem atravs do cabeamento, conectores e

acopladores, atendendo as seguintes regras:

A cobertura da blindagem do cabo dever ser maior do que 90% do comprimento total

do cabo;

A blindagem dever cobrir completamente os circuitos eltricos atravs tambm dos

conectores, acopladores e splices.

Nota: O no atendimento das regras de blindagem pode degradar a imunidade a rudo.

Regras de Aterramento

O aterramento para um sistema FOUNDATION FIELDBUS deve estar

permanentemente conectado terra atravs de uma impedncia suficientemente baixae com capacidade suficiente de conduo de corrente para prevenir picos de

voltagem, os quais podero resultar em perigo aos equipamentos conectados ou

pessoas, a linha comum (zero volts) pode ser conectada terra onde eles so

galvanicamente isolados do barramento FIELDBUS.

Equipamentos FIELDBUS devem funcionar com o ponto central de um terminador ou

de um acoplador indutivo conectado diretamente para a terra.

Signal

Isolation

Circuit

Fieldbus

Power

Suply

20 V

Nom

+

-

100

1 F

100

1 F

Near-End

Terminator

Far-End

Terminator

Field Devices

1900M Max.

Schematic Representation of Balanced Transmission Line


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Equipamentos FIELDBUS no podem conectar nenhum condutor do par tranado ao

terra em nenhum ponto da rede. Sinais podem ser aplicados e preservados

diferencialmente atravs da rede.

uma prtica padro para uma blindagem de um cabo do barramento FIELDBUS (seaplicvel) ser efetivamente aterrado em um ponto nico ao longo do comprimento do

cabo. Por esta razo equipamentos FIELDBUS devem ter isolao DC da blindagem

do cabo ao terra. tambm uma prtica padro conectar os condutores de sinal ao

terra de forma balanceada ao mesmo ponto, por exemplo, usando o tap central de um

terminador ou um transformador acoplador. Para sistemas com barramento

energizado, o aterramento da blindagem e dos condutores de sinal balanceado

devero ser pertos da fonte de alimentao. Para sistemas intrinsecamente seguros o

aterramento dever ser na conexo de terra da barreira de segurana.

Segurana Intrnseca

As barreiras de segurana intrnsecas devem ter impedncia maior do que 400 em

qualquer frequncia no intervalo de 7,8 KHz a 39 KHz, essa especificao vale para

barreiras de segurana intrnsecas do tipo equipamento separado ou incorporadas

internamente em fontes de alimentao.

Dentro do intervalo de voltagem de funcionamento da barreira de segurana intrnseca(dentro do intervalo 7,8-39 KHz) a capacitncia medida do terminal positivo (lado

perigoso) para a terra no dever ser maior do que 250 pF da capacitncia medida do

terminal negativo (lado perigoso) para a terra.

Uma barreira de segurana intrnseca no dever estar separado do terminador por

mais de 100 m (Figura ). A barreira pode apresentar uma impedncia de 400 na

frequncia de trabalho e a resistncia do terminador deve ser suficientemente baixa

para que quando colocada em paralelo com a impedncia da barreira, a impedncia

equivalente dever ser inteiramente resistiva.


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Figura - Segurana Intrnseca

BUS TERMINATOR

Inside Junction Box

TERMINATOR

INTRINSICSAFETY BARRIER

HAZARDOUS AREA


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Figura - Reduo de custos na implementao de novas malhas

Baixos custos de implantao da automao por rea

Instalao apenas de placas de interfaces

Ganhos tecnolgicos

Instrumentao de ponta (estado da arte)

Vantagens operacionais do sistema (sistema aberto)

Tecnologia atualizada (sistema de controle)

Figura - Informaes obtidas pelos dois sistemas

FIELDBUS BENEFITSWIRING SAVINGS

DCS FCS

4-20 MA

I.S I.S. I.S. I.S.

FIELDBUS

I/OSUBSYSTEM

CONTROLLER

EXPANDED VIEW

FIELDBUS BENEFITS

DCS FCS

TRADITIONAL 4-20 MAVIEW STOPS AT I/O SUBSYSTEM

FIELDBUS

FIELDBUS VIEWEXTENDS INTO INSTRUMENTS

INPUT/OUTPUTSUBSYSTEM

CONTROLLER


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Comparaes com as tecnologias anteriores

Seguramente, devido as vantagens da tecnolgia FIELDBUS o SDCD tradicional

no mais recomendado para novos projetos, para os sistemas existentes os altos

custos de substituio dos instrumentos e a obsolncia do sistema de controlepodem abreviar a sua vida til e provocar a introduo da tecnologia FIELDBUS.

Figura - Fluxo das informaes nos sistemas tradicional e FIELDBUS

2 WAY COMMUNICATIONFIELDBUS BENEFITS

TRADITIONAL 4-20 MAONE VARIABLE

UNI-DIRECTIONALFIELDBUS

MULTIPLE VARIABLESBI-DIRECTIONAL

CONTROL SYSTEMNETWORK

CONTROL SYSTEMNETWORK

INPUT/OUTPUTSUBSYSTEM

CONTROLLER

FIELDBUS


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DOCUMENTAO BSICA

Para a elaborao dos dois tipos de projetos (SDCD e FIELDBUS) so gerados

diversos documentos, tanto para o SDCD como para o FIELDBUS, porm com

graus de complexidades diferentes, que so caractersticos de cada tecnologia.

Podemos observar a seguir uma tabela comparativa:

Projeto SDCD FIELDBUS / Grau de

Complexidade

Reviso de fluxogramas de engenharia sim Igual

Diagrama de malhas sim Menor

Diagrama funcional sim Igual

Diagrama lgico sim Igual

Base de dados sim Igual

Planta de instrumentao sim Menor

Detalhe tpico de instalao sim Igual

Arranjo de painis sim no tem

Diagrama de interligaes de Painis sim no tem

Diagrama de alimentao sim Menor

Arranjo de armrios sim Menor

Lista de cabos sim Menor

Tabela - Comparao entre SDCD e FIELDBUS

ANLISE DE CADA DOCUMENTO

a) Reviso de Fluxogramas de engenharia

A reviso dos fluxogramas, para ambas as tecnologias, SDCD e FIELDBUS

sero parecidas, sendo que para o FIELDBUS, a inteligencia de controle estar

localizada no campo.


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FIELDBUS BENEFITS

REDUCTION IN SYSTEM HARDWARE

DCS FCS

TRADITIONAL

FIELDBUS

FIELDBUS

CONTROL IN THE FIELD DEVICES

CONTROLLER

I/OSUBSYSTEM

Figura - Reduo no hardware com a implementao de transmissores

"inteligentes"

b) Diagrama de malhas

Na tecnologia FIELDBUS haver uma reduo de trabalhos, na elaborao dos

diagramas de malhas, pois sero apresentados, para cada malha, apenas a

configurao de controle dos elementos de campo, pois a fiao ser muito

simples, no necessitando aprensentar o bifilar das malhas, que estar sendo

representado em documento do software de configurao contendo todas as

malhas.

POWER

SUPPLY

+

-

1 - 5 V 1 - 5 V

250 250

4 - 20 mA

Field Indicator

(Optional)

Field

Device

To DCS,

Recorder, etc.

To second Control

Room Device

(Optional)

Schematic Representation of an Analog Loop

Figura - Representao esquemtica de um loop analgico para sistemas

convencionais

c) Diagrama Funcional


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Este documento no sofrer alteraes.

d) Diagrama Lgico


e) Base de Dados de configurao de controle e superviso

Haver praticamente o mesmo volume de trabalho.

f) Planta de instrumentao

Na tecnologia FIELDBUS haver uma grande reduo de trrabalhos, na

elaborao deste documento, devido principalmente, ao encaminhamento de cabos

e bandejas, pois, sero necessrios poucos recursos mecnicos, devido a baixa

utilizao de cabos de interligao, principalmente com a sala de controle.

g) Detalhes tpicos de instalao


h) Arranjos de painis

Na tecnologia FIELDBUS no sero gerados estes documentos.

i) Diagrama de interligao de painis

Na tecnologia FIELDBUS no sero gerados estes documentos.

j) Diagrama de alimentao

Esse documento no caso do FIELDBUS, ser muito simples, pois a

alimentao por lotes de instrumentos e no individualmente.

k) Arranjo de armrios

Caso exista este documento para o FIELDBUS, ele ser muito simples, pois

normalmente no haver necessidade deste documento.

l) Lista de Cabos

No caso do FIELDBUS, essa lista, dependendo da planta, pode ser at 10% da

lista comparativa com o sistema SDCD.


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m) Folhas de especificao.

Na tecnologia FIELDBUS haver uma reduo nessas folhas de especificao,

pois a inteligncia est localizada nos elementos de campo, e no nos elementos

de controle na sala de controle.

n) Lista de Material

Como haver uma reduo dos componentes de um projeto na tecnologia

FIELDBUS, consequentemente a lista de material ser menor.


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Detalhando um projeto FIELDBUS

Vrias topologias podem ser aplicadas em projetos Fieldbus. A Figura , ilustra 4

topologias. De forma a simplificar e tornar mais claro os grficos, as fontes de

alimentao e os terminadores foram omitidos destes.

PLANT HIGHWAY /H2

FIELDBUS I/OJUNCTION

BOX

Possible Fieldbus Topologies

H1 LEVEL

End-to-End Bus with spurs

(or drops)

Point-to-Point Tree

(Terminators

not shown)

Figura - Topologias possveis de ligao FIELDBUS

Total Devices

on Segment

1 Device per

Spur

2 Devices per

Spur

3 Devices per

Spur

4 Devices per

Spur

1-12 394 ft. (120 m) 295 ft. (90 m) 197 ft. (60 m) 98 ft. (30 m)

13-14 295 ft. (90 m) 197 ft. (60 m) 98 ft. (30 m) 3 ft. (1 m)

15-18 197 ft. (60 m) 98 ft. (30 m) 3 ft. (1 m) 3 ft. (1 m)

19-24 98 ft. (30 m) 3 ft. (1 m) 3 ft. (1 m) 3 ft. (1 m)

25-32 3 ft. (1 m) 3 ft. (1 m) 3 ft. (1 m) 3 ft. (1 m)

Um importante aspecto na concepo de um projeto Foundation Fieldbus a

determinao de como sero instalados os equipamentos que faro parte da rede.

Dessa forma devem ser consideradas as distncias mximas permitidas entre os

equipamentos, ou seja, deve-se ter em mos a planta onde ser efetuado o projeto

para a determinao dos melhores pontos para instalao dos equipamentos de


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forma a otimizar ao mximo o comprimento do barramento (trunk) e das derivaes

(spurs) como visto na figura.

H1


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Outro ponto a ser analisado refere-se utilizao de barreiras de segurana

intrnseca e redundncia dos equipamentos. Deve-se fazer uma anlise preliminar

destas caractersticas no ambiente de instalao do sistema visando a maior

otimizao possvel no que se refere s instalaes dos equipamentos (nmero deequipamentos e comprimento de cada barramento), caso se faa necessrio a

utilizao destes recursos.

NUMBEROF ELEMENTS

MAX. SPURLENGTH (m)

25-3219-2415-1813-1401-12

0306090

120

BUS TOTAL LENGTH(TRUNK + SPURS)

projetos_fieldbus

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