Cap tulo 1

Cap tulo 1
COMO IMPLEMENTAR
PROJETOS COM
FOUNDATION
FIELDBUS
Elaborado pelos
Departamentos de Engenharia de Aplicações
da Área Nacional e Internacional
Departamento de Treinamento
smar Equipamentos Industriais Ltda.
Agosto/98
revisão 2.0
INDICE
Capítulo 1
1- Introdução
1.1-Objetivos
1.2-Considerações Iniciais
1.3-Definições
1.4-Níveis de Protocolo
1.4.1-Níveis de Software
1.4.2-Nível Físico
1.5-Benefícios do FIELDBUS
1.6-Comparações com as tecnologias anteriores
Capítulo 2
2- Detalhando um projeto FIELDBUS
2.1-Considerações e limitações
2.2-Possibilidades de topologias
2.2.1-Arquitetura de sistemas
2.2.2-Uso de barreiras de proteção
2.3-Componentes de um projeto FIELDBUS e suas características
2.3.1-Cabos
2.3.2-Aterramento, “shield” e polaridade
2.3.3-Comprimento dos barramentos
2.3.4-Conectores
2.3.5-Blocos de terminais
2.3.6- “Host Devices”
2.3.7- Repetidores, “Bridges” e “Gateways”
2.3.8-Tipos de equipamentos
2.3.8.1-Interface FIELDBUS controladora de processos (PCI)
2.3.8.2-Fonte FIELDBUS de alimentação (PS 302)
2.3.8.3-Filtro FIELDBUS para Barramento (PSI 302)
2.3.8.4-Barreiras FIELDBUS de segurança intrínseca (SB 302)
2.3.8.5-Terminador FIELDBUS (BT 302)
2.3.8.6-Transmissor FIELDBUS de pressão (LD 302)
2.3.8.7-Transmissor FIELDBUS de temperatura (TT 302)
2.3.8.8-Conversor de FIELDBUS para corrente (FI 302)
2.3.8.9-Conversor de corrente para FIELDBUS (IF 302)
2.3.8.10-Conversor pneumático para FIELDBUS (FP 302)
2.3.8.11-Posicionador FIELDBUS (FY 302)
2.3.8.12-Controlador Lógico Programável LC 700 com
interface FIELDBUS
2.3.8.13-Interface FIELDBUS de Campo Distribuída (DFI 302)
2.3.9-Exemplo de documentação de um projeto
Capítulo 3
3-Configuração dos instrumentos
3.1- Introdução
3.2- Estudo dos blocos funcionais
3.3- Definições Fieldbus
3.3.1- Parâmetros dos Blocos
3.3.2- Tipos de Parâmetros
3.3.3- Modos de operação dos blocos
3.3.4- Status das variáveis
3.3.5- Parâmetros de Opções
3.3.5.1- STATUS_OPTS
3.3.5.2- IO_OPTS
3.3.5.3- CONTROL_OPTS
3.4- Configuração de transmissores e conversores
3.4.1- Escalonamento de blocos de função
3.4.2- Configuração da rede Fieldbus
3.4.3- Exercícios de configuração
3.5- Programação do Controlador Lógico Programável
3.5.1- Uso do configurador
3.5.1.1- Definição do hardware
3.5.1.2- Definição de variáveis reais e virtuais
3.5.1.3- Configuração do ladder
3.5.1.4- Configuração de blocos FIELDBUS
3.5.2- Exercício 1 - Acionamento de motor com proteção
3.5.3- Exercício 2 - Link com FIELDBUS; alarme de alta temperatura
acionando uma saída do LC700
Capítulo 4
4-IHM-Sistemas Supervisórios
4.1- Introdução
4.2- Instalação
4.3- Funções, características e benefícios de overview
4.4- Graphic Builder
4.5- Driver FIELDBUS - Configuração da Base de Dados
4.5.1- Iniciando a Configuração do Sistema
4.5.2- Mapeamento de comunicação para dispositivos FIELDBUS
4.5.3- Configuração das Variáveis FIELDBUS
4.5.3.1- Configuração Single Point
4.5.3.2- Configuração Multi Point
4.6- Projeto AIMAX-WIN com instrumentos FIELDBUS
Capítulo 5
5- Exemplo de projeto com tecnologia FIELDBUS
5.1 - Resumo
5.2 - Introdução
5.3 - Malha de controle
5.4 - Planta civil com metragens
5.5 - Descrição do processo
5.6 - Configuração da rede FIELDBUS
5.7 - Estratégia de controle em blocos
Capítulo 1 - Introdução
1. Introdução
1.1.
Objetivos
Este curso tem como objetivo a difusão de informações básicas para que o
engenheiro/projetista possa detalhar um projeto com a tecnologia FIELDBUS, desde o
desenho da arquitetura do sistema de controle até a sua conexão com os softwares de
informação de processo.
Por ser um assunto novo e vasto não se pretende esgotar o tema mas
iniciar um debate sobre a implementação de projetos com esta tecnologia.
1.2.
Considerações Iniciais
A instalação e manutenção de sistemas de controle tradicionais implicam
em altos custos principalmente quando se deseja ampliar uma aplicação onde são
requeridos além dos custos de projeto e equipamento, custos com cabeamento destes
equipamentos à unidade central de controle.
De forma a minimizar estes custos e aumentar a operacionalidade de uma
aplicação introduziu-se o conceito de rede para interligar os vários equipamentos de uma
aplicação. A utilização de redes em aplicações industriais prevê um significativo avanço
nas seguintes áreas:
•
•
•
•
Custos de instalação
Procedimentos de manutenção
Opções de upgrades
Informação de controle de qualidade
A opção pela implementação de sistemas de controle baseados em redes,
requer um estudo para determinar qual o tipo de rede que possui as maiores vantagens de
implementação ao usuário final, que deve buscar uma plataforma de aplicação compatível
com o maior número de equipamentos possíveis.
Surge daí a opção pela utilização de arquiteturas de sistemas abertos que,
ao contrário das arquiteturas proprietárias onde apenas um fabricante lança produtos
compatíveis com a sua própria arquitetura de rede, o usuário pode encontrar em mais de
um fabricante a solução para os seus problemas. Além disso, muitas redes abertas possuem
organizações de usuários que podem fornecer informações e possibilitar trocas de
experiências a respeito dos diversos problemas de funcionamento de uma rede.
Redes industriais são padronizadas sobre 3 níveis de hierarquias cada qual
responsável pela conexão de diferentes tipos de equipamentos com suas próprias
características de informação (ver Figura 1.1).
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Capítulo 1 - Introdução
O nível mais alto, nível de informação da rede, é destinado a um
computador central que processa o escalonamento da produção da planta e permite
operações de monitoramento estatístico da planta sendo imlpementado, geralmente, por
softwares gerenciais (MIS). O padrão Ethernet operando com o protocolo TCP/IP é o
mais comumente utilizado neste nível.
TRADITIONAL INDUSTRY NETWORK
ARCHITECTURE
Information
Layer
Control Layer
Discrete Control
Figura 1.1 - Níveis de redes industriais
O nível intermediário, nível de controle da rede, é a rede central localizada
na planta incorporando PLCs, DCSc e PCs. A informação deve trafegar neste nível em
tempo real para garantir a atualização dos dados nos softwares que realizam a supervisão
da aplicação.
O nível mais baixo, nível de controle discreto, se refere geralmente às
ligações físicas da rede ou o nível de I/O. Este nível de rede conecta os equipamentos de
baixo nível entre as partes físicas e de controle. Neste nível encontram-se os sensores
discretos, contatores e blocos de I/O.
As redes de equipamentos são 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 condições ON/OFF. As redes com dados no formato de byte podem conter
pacotes de informações discretas e/ou analógicas e as redes com dados em formato de
bloco são capazes de transmitir pacotes de informação de tamanhos variáveis.
Assim, classificam-se as redes quanto ao tipo de rede de equipamento e os
dados que ela transporta como (ver Figura 1.2):
• rede sensorbus - dados no formato de bits
• rede devicebus - dados no formato de bytes
• rede fieldbus - dados no formato de pacotes de mensagens
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Capítulo 1 - Introdução
TYPE OF CONTROL AND DEVICES
Type of
Control
Fieldbus
Process
Control
Devicebus
Sensorbus
Logic
Control
Seriplex
ASI
INTERBUS Loop
Low-end
Device Net
SDS
Profibus DP
LONWorks
INTERBUS-S
Midrange
Simple Devices
bit
IEC/ISA SP50
Fieldbus Foundation
Profibus PA
HART
High-end
Type of
Devices
Complex Devices
byte
block
Figura 1.2 - Classificação das redes
A rede sensorbus conecta equipamentos simples e pequenos diretamente à
rede. Os equipamentos deste tipo de rede necessitam de comunicação rápida em níveis
discretos e são tipicamente sensores e atuadores de baixo custo. Estas redes não almejam
cobrir grandes distâncias, sua principal preocupação é manter os custos de conexão tão
baixos quanto for possível. Exemplos típicos de rede sensorbus incluem Seriplex, ASI e
INTERBUS Loop.
A rede devicebus preenche o espaço entre redes sensorbus e fieldbus e
pode cobrir distâncias de até 500 m. Os equipamentos conectados a esta rede terão mais
pontos discretos, alguns dados analógicos ou uma mistura de ambos. Além disso, algumas
destas redes permitem a transferência de blocos em uma menor prioridade comparado aos
dados no formato de bytes. Esta rede tem os mesmos requisitos de transferência rápida de
dados da rede de sensorbus, mas consegue gerenciar mais equipamentos e dados. Alguns
exemplos de redes deste tipo são 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 distâncias maiores. Os equipamentos acoplados à rede possuem inteligência para
desempenhar funções específicas de controle tais como loops PID, controle de fluxo de
informações e processos. Os tempos de transferência podem ser longos mas a rede deve
ser capaz de comunicar-se por vários tipos de dados (discreto, analógico, parâmetros,
programas e informações do usuário). Exemplo de redes fieldbus incluem IEC/ISA SP50,
Fieldbus Foundation, Profibus PA e HART.
Os tipos de equipamentos que cada uma destas classes agrupam podem ser
vistos na Figura 1.3.
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Capítulo 1 - Introdução
PRODUCT GROUPING
Devicebus
Analytical
SLCs, Temp. Controllers
Control Valves
Process Sensors
DCSs
PCs, PLCs
Operator Interfaces
Drives
Motion Controllers
Switches, Sensors, Valves
Motor starters
Push buttons
Fieldbus
Sensorbus
Figura 1.3 - Grupos de produtos por classe de rede
1.3.
Definições
FIELDBUS é um sistema de comunicação digital bidirecional (Figura 1.4)
que permite a interligação em rede de múltiplos instrumentos diretamente no campo
realizando funções de controle e monitoração de processo e estações de operação (IHM)
através de softwares supervisórios (
Figura 1.5).
Figura 1.4 - Comunicação digital bidirecional
A seguir estaremos analisando os detalhes de projeto utilizando-se o
protocolo FIELDBUS elaborado pela Fieldbus Foundation e normalizado pela ISA-The
International Society for Measurement and Control para automação de Plantas de
Processos.
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Capítulo 1 - Introdução
Figura 1.5 - FIELDBUS em operação conjunta à softwares Supervisórios
1.4.
Níveis de Protocolo
O protocolo FIELDBUS foi desenvolvido baseado no padrão ISO/OSI
embora não contenha todos os seus níveis, podemos em primeira análise dividi-lo em nível
físico (“Physical Layer” - que trata das técnicas de interligação dos instrumentos) e níveis
de software (“Communication Stack”) que tratam da comunicação digital entre os
equipamentos (Figura 1.6).
THE FOUNDATION FIELDBUS
FIELDBUS MODEL
OSI MODEL
USER
LAYER
APPLICATION LAYER
USER
LAYER
FIELDBUS MESSAGE
SPECIFICATION
FIELDBUS ACCESS
SUBLAYER
PRESENTATION LAYER
COMMUNICATION
“STACK”
SESSION LAYER
TRANSPORT LAYER
NETWORK LAYER
DATA LINK LAYER
DATA LINK LAYER
PHYSICAL LAYER
PHYSICAL LAYER
PHYSICAL LAYER
Figura 1.6 - Níveis de Protocolo
1.4.1. Níveis de Software
Embora o objetivo deste curso não seja um estudo aprofundado dos níveis
de software, a seguir explicaremos alguns detalhes. Destacamos que para o usuário tudo
isto é transparente e é tratado pelo software de configuração ou pelo software
supervisório.
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Capítulo 1 - Introdução
FOUNDATION TECHNOLOGY
USER
LAYER
DEVICE DESCRIPTION SERVICES (DDS)
COMMUNICATION
“STACK”
PHYSICAL LAYER
Figura 1.7 - DDL - Garantia de interoperalidade
NÍVEL DE ENLACE (Data Link Layer)
O nível de enlace garante a integridade da mensagem através de dois bytes
calculados através de um polinômio aplicado a todos os bytes da mensagem e que é
acrescentado no final da mesma. Este nível controla também o acesso ao meio de
transmissão, determinando quem pode transmitir e quando. O nível de enlace garante que
os dados cheguem ao equipamento correto.
Características Técnicas:
1- Acesso ao meio
Existem três formas para acessar a rede:
a) Passagem de Token: O Token é o modo direto de iniciar uma transição no
barramento. Quando termina de enviar as mensagens, o equipamento retorna o
"Token" para o LAS (Link Active Scheduler). O LAS transmite o "Token" para
o equipamento que requisitou, via preconfiguração ou via escalonamento.
b) Resposta Imediata: o mestre dará uma oportunidade para uma estação
responder com uma mensagem.
c) Requisição de "Token": um equipamento requisita um Token usando um código
em alguma das respostas que ele transmitiu para o barramento. O LAS recebe
esta requisição e envia um "Token" para o equipamento quando houver tempo
disponível nas fases aperiódicas do escalonamento.
2- Modelo Produtor/Consumidor:
Um equipamento pode produzir ou consumir variáveis que são transmitidas através
da rede usando o modelo de acesso à rede de resposta imediata. O produtor coloca as
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Capítulo 1 - Introdução
variáveis em Buffers e qualquer estação pode acessar estes dados. Com apenas uma
transação, dados podem ser transmitidos para todos os equipamentos que necessitam
destes dados. Este modelo é o modo mais eficiente para transferência de dados entre
vários usuários. Um controlador consome a variável de processo produzida pelo
sensor, e produz a saída consumida pelo atuador.
3- Escalonamento para suportar aplicações de tempo crítico:
O LAS coordenará o tempo necessário para cada transação na rede, garantindo o
período de troca de dados.
4- Sincronização do Tempo:
Existe um mecanismo para garantir uma referência de tempo da rede para
conseguir sincronização do barramento e atividades de processo.
5- Endereçamento:
Pode ser usado para endereçar um grupo de estações, uma estação ou até uma
variável. Este endereçamento permite uma otimização do acesso às mensagens.
6- Passagem do Token num anel lógico:
Este método é usado pelo Profibus e pelo ISP para acessar a rede. Ele pode ser
simulado, mas não com a mesma eficiência, pelo uso da atual definição do nível de
enlace do SP50.
NÍVEL DE APLICAÇÃO (Application Layer)
O nível de aplicação fornece uma interface para o software aplicativo do
equipamento. Basicamente este nível define como ler, escrever ou disparar uma tarefa em
uma estação remota. A principal tarefa é a definição de uma sintaxe para as mensagens.
Ele também define o modo pelo qual a mensagem deve ser transmitida:
ciclicamente, imediatamente, somente uma vez ou quando requisitado pelo consumidor.
O gerenciamento define como inicializar a rede: atribuição do Tag,
atribuição do endereço, sincronização do tempo, escalonamento das transações na rede ou
conexão dos parâmetros de entrada e saída dos blocos funcionais.
Ele também controla a operação da rede com levantamento estatístico de
deteção de falhas e de adição de um novo elemento ou remoção de uma estação. O
gerenciamento monitora continuamente o barramento para identificar a adição de novas
estações.
NÍVEL DO USUÁRIO (User Layer)
Define o modo para acessar a informação dentro de equipamentos
FIELDBUS e de que forma esta informação pode ser distribuída para outros equipamentos
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Capítulo 1 - Introdução
no mesmo nó ou, eventualmente em outros nós da rede FIELDBUS. Este atributo é
fundamental para aplicações em controle de processo.
A base para arquitetura de um equipamento FIELDBUS são os blocos
funcionais, os quais executam às tarefas necessárias as aplicações existentes hoje, tais
como: aquisição de dados, controle PID, cálculos e atuação. Todo bloco funcional contém
um algoritmo, uma base de dados (entradas e saídas) e um nome definido pelo usuário (o
Tag do bloco, deve ser único na planta do usuário). Os parâmetros do bloco funcional são
endereçados no FIELDBUS via TAG.PARAMETER-NAME.
Um equipamento FIELDBUS conterá um número definido de blocos
funcionais. A base de dados pode ser acessada via comunicação.
Como complementação de bibliografia, as informações contidas neste curso
estão baseadas nos seguintes documentos :
Ø ISA/SP50-1995-359M - Industrial Automation Systems - Systems Integration and
Communication - Fieldbus, Part 3 : Data Link Service Definition - 1995
Ø ISA/SP50-1995-360M - Industrial Automation Systems - Systems Integration and
Communication - Fieldbus, Part 4 : Data Link Protocol Specification-1995
Ø ISA/SP50-1993-389F - User Layer (Fieldbus) Technical Report-1993
Ø ISA/SP50-1994-505B - Fieldbus Specification, Part 5 : Application Layer Service
Definition (Core Set)-1994
Ø ISA/SP50-1994-508B - Fieldbus Specification, Part 6: Application Layer Protocol
Specification (Core Part)-1994
1.4.2. Nível Físico
No estudo do nível físico estaremos analisando os tipos de ligações
possíveis (fiação, cabos coaxiais, ótico ou rádio), conexões, terminadores, características
eletricas, etc... especificados pela FIELDBUS FOUNDATION PHYSICAL LAYER
PROFILE SPECIFICATION, Document FF-94-816, August 28,1995.
Como complementação de bibliografia, as informações contidas neste curso
estão baseadas nos seguintes documentos publicados pela ISA - The International Society
for Measurement and Controlpela Fieldbus Foundation e pela IEC – The
Electrotechinical Commission :
Ø IEC 1158-2 : 1993, Feldbus Standard for use in Industrial Control Systems - Part 2:
Physical Layer Specification and Service Definition.
Ø ISA - S50.02 - 1992, Fieldbus Standard for use in Industrial Control Systems - Part 2:
Physical Layer Specification and Service Definition.
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Capítulo 1 - Introdução
Ø 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)
Ø Fieldbus Preliminary Application Note on Intrinsic Safety,Revision 1.1, 21 September
1995.
Ø 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
Ø ISA/SP50-1993-477 - TR1 : Technical Report for Low Speed Radio Medium Physical
Layer Fieldbus-1993.
Ø ISA/SP50-1994-517A - Fieldbus Standard for Use in Industrial Control Systems,
Part 7: Fieldbus Management, Clause 1: Introduction, Scope, Definitions, Reference
Model-1994
Ø 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
Ø IEC 65C/178/CDU – IEC 61158-3 – Data Link Layer – DLL Service Part 3
Ø 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 físico para a realização das
interligações os principais ítens são:
•
•
•
•
transmissão de dados somente digital
self-clocking
comunicação bi-direcional
código Manchester
smar
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Capítulo 1 - Introdução
•
•
•
•
•
•
modulação de voltagem (acoplamento paralelo)
velocidades de transmissão de 31,25 kb/s, 100 Mb/s
barramento sem energia, não intrinsecamente seguro
barramento com energia, não intrinsecamente seguro
barramento sem energia, intrinsecamente seguro
barramento com energia, intrinsecamente seguro
No nível de instrumentos ligados aos barramentos de campo, a velocidade
normalizada é 31,25 kb/s, as outras velocidades deverão ser utilizadas para a interligação
de “bridges” e “gateways” para a conexão em alta velocidade destes dispositivos
(Figura 1.8).
FOUNDATION TECHNOLOGY
USER
LAYER
BRIDGE CAPABILITY
COMMUNICATION
“STACK”
PHYSICAL LAYER
100 Mbit/s Fieldbus
Bridge
31.25 kbit/s Fieldbus
Devices
Figura 1.8 - Utilização de "Bridges"
Na velocidade de 31,25 kb/s a norma determina, dentre outras, as seguintes regras:
a) um instrumento FIELDBUS deve ser capaz de se comunicar entre os seguintes
números de equipamentos:
− entre 2 e 32 instrumentos numa ligação sem segurança intríseca e alimentação
separada da fiação de comunicação;
− entre 2 a 6 instrumentos alimentados pela mesma fiação de comunicação numa
ligação com segurança intrínseca;
− entre 1 e 12 instrumentos alimentados pela mesma fiação de comunicação numa
ligação sem segurança intrínseca.
Obs.: Esta regra não impede a ligação de mais instrumentos do que o especificado, estes
números foram alcançados levando-se em consideração o consumo de 9 mA +/- 1
mA, com tensão de alimentação de 24 VDC e barreiras de segurança intrínseca com
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Capítulo 1 - Introdução
11 a 21 VDC de saída e 60 mA máximos de corrente para os instrumentos
localizados na área perigosa.
b) um barramento carregado com o número máximo de instrumentos na velocidade de
31,25 kb/s não deve ter entre quaisquer dois equipamentos o comprimento maior que
1.900 m (incluindo as derivações) (ver Figura 1.9);
Obs.: esta regra não impede o uso de comprimentos maiores desde que sejam respeitadas
as características eletricas dos equipamentos.
Figura 1.9 - Comprimento máximo de um segmento FIELDBUS
c) o número máximo de repetidores para a regeneração da forma de onda entre dois
intrumentos não pode exceder a 4 (quatro) (ver Figura 1.10);
d) um sistema FIELDBUS deve ser capaz de continuar operando enquanto um
instrumento está sendo conectado ou desconectado;
e) as falhas de qualquer elemento de comunicação ou derivação (com excessão de curtocircuito ou baixa impedância) não deverá prejudicar a comunicação por mais de 1 ms;
f) deve ser respeitada a polaridade em sistemas que utilizem pares trançados, seus
condutores devem ser identificados e esta polarização deve ser mantida em todos os
pontos de conexão;
g) para sistemas com meio físico redundante:
− cada canal deve atender as regras de configuração de redes;
− não deve existir um segmento não redundante entre dois segmentos
redundantes;
− os repetidores também deverão ser redundantes;
− os números dos canais deverão ser mantidos no FIELDBUS, isto é, os canais
do FIELDBUS devem ter os mesmos números dos canais físicos.
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Capítulo 1 - Introdução
h) o “shield” dos cabos não deverão ser utilizados como condutores de energia.
PHYSICAL LAYER
DISTANCE CAN BE INCREASED WITH REPEARTERS
MAXIMUM = 4
1.900 M
1.900 M
REP1
REP2
1.900 M
REP3
1.900 M
REP4
1.900M
Terminator
Figura 1.10 - Distâncias máximas entre repetidores
DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA
A alimentação de equipamentos FIELDBUS pode ser feita opcionalmente
através dos mesmos condutores de comunicação ou separadamente; um instrumento com
alimentação separada pode ser conectado a um outro instrumento com alimentação e
comunicação no mesmo par de fios.
Na sequência algumas especificações elétricas 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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Capítulo 1 - Introdução
CARACTERÍSTICAS DOS EQUIPAMENTOS ENERGIZADOS EM REDE PARA O
MODO DE VOLTAGEM DE 31,25 KBIT/S
Características dos equipamentos energizados em rede
Voltagem de operação
Máxima voltagem
Máxima taxa de mudança de corrente de repouso (não
transmitindo); este requisito não é aplicado nos primeiros
10 ms após a conexão do equipamento em uma rede em
operação ou nos primeiros 10 ms após a energinzação da
rede.
Máxima corrente; este requisito é ajustado durante o
intervalo de 100 µs até 10 ms após a conexão do
equipamento a uma rede em operação ou 100 µs até 10 ms
após a energização da rede.
Limites para 31,25 Kbit/s
9,0 a 32,0 V DC
35 V
1,0 mA/ms
Corrente de repouso mais
10 mA
Tabela 1.1 - Características dos equipamentos energizados em rede
REQUISITOS PARA A ALIMENTAÇÃO DE REDES PARA O MODO DE
VOLTAGEM DE 31,25 KBIT/S
Requisitos para a alimentação de redes
Voltagem de saída, não intrinsecamente seguro
Voltagem de saída, intrinsecamente seguro (I.S.)
Impedância de saída não intrinsecamente segura, medida
dentro da faixa de frequência 0,25 fr à 1,25 fr
Impedância de saída, intrinsicamente segura, medida dentro
da faixa de frequência 0,25 fr à 1,25 fr
Limites para 31,25 Kbit/s
≤ 32 V DC
depende da faixa da barreira
≥ 3 KΩ
≥ 400 KΩ (A alimentação
intrinsecamente
segura
inclui
uma
barreira
intrinsecamente segura).
Tabela 1.2 - Requisitos para a alimentação de redes
FONTE DE ALIMENTAÇÃO
Um equipamento FIELDBUS que inclui o modo de voltagem de 31,25
Kbit/s será capaz de operar dentro de um intervalo de voltagem de 9 V à 32 V DC entre
os dois condutores incluindo o ripple. O equipamento poderá ser submetido a máxima
voltagem de 35 V DC sem causar danos.
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Capítulo 1 - Introdução
NOTA: Para sistemas intrinsecamente seguros a voltagem de operação pode ser limitada
pelos requisitos de certificação. Neste caso a fonte de energia estará localizada na
área segura e sua voltagem de saída será atenuada por uma barreira de segurança
ou um componente equivalente.
Autonomous Fieldbus Segment with Host in the field
(Terminator)
Power
Supply
T
AAA
Single Twisted Pair
1
Field Devices
with embedded
control functions
Figura 1.11 - Rede FIELDBUS com mestre no campo
Um equipamento FIELDBUS que inclui o modo de voltagem de 31,25
Kbit/s obedecerá os requisitos da norma ISA-S50.02 quando energizada por uma fonte
com as seguintes especificações:
a) A tensão de saída da fonte de alimentação para redes não intrinsecamente
seguras será no máximo de 32 V DC incluindo o ripple;
b) A impedância de saída da fonte de alimentação para redes não intrinsecamente
seguras será ≥ 3 KΩ dentro da faixa de frequência 0,25 fr à 1,25 fr (7,8 KHz à
39 KHz). Este requisito não é aplicado dentro dos 10 ms da conexão nem na
remoção de um equipamento do campo;
c) A impedância de saída de uma fonte de alimentação intrinsecamente segura será
≥ 400 KΩ dentro da faixa de frequência 0,25 fr à 1,25 fr (7,8 KHz à 39 KHz);
d) Os requisitos de isolação do circuito de sinal e do circuito de distribuição de
energia em relação ao terra e entre ambos devem estar de acordo com a
IEC 1158-2 (1993).
ENERGIZAÇÃO VIA CONDUTORES DE SINAL DE COMUNICAÇÃO
Um equipamento FIELDBUS operando no modo de voltagem de 31,25
Kbit/s é energizado pelos condutores de sinal, deve obedecer os requisitos da norma
ISA-S50.02 quando estiver operando com níveis máximos de ripple e ruído da fonte de
alimentação como segue:
a) 16 mV pico-a-pico dentro da faixa de frequência 0,25 ff à 1,25 fr (7,8 KHz à 39
KHz);
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18
Capítulo 1 - Introdução
b) 2,0 V pico-a-pico dentro da faixa de frequência 47 Hz à 63 Hz para aplicações
não intrinsecamente seguras;
c) 0,2 V pico-a-pico dentro da faixa de frequência 47 Hz à 625 Hz para aplicações
intrinsecamente seguras;
d) 1,6 V pico-a-pico em frequências maiores que 125 fr, até o máximo de 25 MHz.
Figura 1.12 - Barramento de comunicação energizado
ISOLAÇÃO ELÉTRICA
Todos os equipamentos FIELDBUS que usam fios condutores, seja na
energização separada ou na energização através dos condutores de sinal de comunicação,
deverão fornecer isolação para baixas frequências entre o terra, o cabo do barramento e o
equipamento. Isto deve ser feito pela isolação 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.
Uma fonte de alimentação combinada com um elemento de comunicação
não necessitará de isolação elétrica.
Para cabos blindados, a impedância de isolação medida entre a blindagem
do cabo FIELDBUS e o terra do equipamento FIELDBUS deverá ser maior que 250 KΩ
em todas as frequências abaixo de 63 Hz.
A máxima capacitância não balanceada para o terra de ambos terminais de
entrada de um equipamento não deverá exceder 250 pF.
Os requisitos de isolação do circuito de sinal de transmissão e do circuito
de distribuição de energia em relação ao terra e entre ambos devem estar de acordo com a
IEC 1158-2 (1993).
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Capítulo 1 - Introdução
ESPECIFICAÇÃO DO MEIO CONDUTOR
Ø Conectores
Conectores para os cabos, se utilizados, deverão seguir o padrão
FIELDBUS IEC (anexo). Terminações no campo, podem ser feitas diretamente nos
terminais dos instrumentos ou através de conectores em caixas de terminação.
Ø 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 trançados com a sua blindagem atendendo os seguintes requisitos
mínimos (a 25 ºC):
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
Z0 em fr (31,25 KHz) = 100 Ω ± 20%;
Atenuação máxima em 1,25 fr (39 KHz) = 3.0 dB/Km;
Máxima capacitância não balanceada da blindagem = 2 nF/Km;
Resistência DC máxima (por condutor) = 22 Ω/Km;
Atraso máximo de propagação entre 0,25 fr e 1,25 fr = 1.7 µs/Km;
Área seccional do condutor (bitola) = nominal 0,8 mm2 (#18 AWG);
Cobertura mínima da blindagem deverá ser maior ou igual a 90%.
Observações:
• Outros tipos de cabo para conformidade de testes podem ser utilizados. Cabos com
especificações melhoradas podem habilitar barramentos com comprimentos maiores
e/ou com imunidade superior à interferência. Reciprocamente, cabos com
especificações inferiores podem provocar limitações de comprimento para ambos,
barramentos (trunk) e derivações (spurs) mais a não conformidade com os requisitos
RFI/EMI.
• Para aplicações de segurança intrínseca, a razão indutância/resistência (L/R) deve ser
menor que o limite especificado pela agência regulamentadora local.
Ø Acopladores
O acoplador pode prover um ou muitos pontos de conexão para o
barramento. Pode ser integrado ao equipamento FIELDBUS caso não haja nenhuma
derivação. Caso contrário, deverá ter pelo menos 3 pontos de acesso como visto na Figura
1.13: um para o spur e um para cada lado do trunk.
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Capítulo 1 - Introdução
Trunk
Acoplador
Trunk
Spur
Equipamento
Figura 1.13 - Acoplador FIELDBUS
Um acoplador passivo deve conter qualquer um ou todos os elementos
opcionais descritos abaixo:
a) Um transformador para fornecer isolação galvânica e um transformador de
impedância entre trunk e spur;
b) Conectores, para fornecer conexões fáceis de spur e/ou trunk;
c) Resistores de proteção como visto na figura abaixo, para proteger o barramento
do tráfego entre outras estações dos efeitos de um spur em curto-circuito num
trunk desenergizado, não intrinsecamente seguro.
Acopladores ativos, que requerem alimentações externas, podem conter
componentes para amplificação do sinal e retransmissão.
Trunk não energizado
e não intrinsecamente
seguro
Resistores de proteção opcionais
Spur
Figura 1.14 - Resistores de proteção
Através das ligações internas dos acopladores (Figura 1.15), pode-se
construir várias topologias como visto na seção 2.2.
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21
Capítulo 1 - Introdução
Figura 1.15 - Ligações internas de uma caixa de campo
Ø Splices
Um splice é qualquer parte da rede na qual as características de impedância
do cabo da rede não são preservadas. Isto é possivelmente oportuno para operação dos
condutores de cabos, remoção da blindagem do cabo, troca do diâmetro do fio ou seu
tipo, conexão à spurs, conexão em terminais nús, etc. Uma definição prática para splice é,
portanto, qualquer parte da rede que não tem um comprimento contínuo de um meio
condutor especificado.
Para redes que têm um comprimento total de cabos (trunk e spurs) maior
que 400 m, a soma de todos os comprimentos de todos os splices não deve exceder 2,0 %
do comprimento do cabo. Para comprimento de cabos de 400 m ou menos, a soma dos
comprimentos de todos splices não deve exceder 8 m. O motivo para esta especificação é
preservar a qualidade de transmissão requerendo que a rede seja construída quase
totalmente com o meio condutor especificado.
A continuidade de todos os condutores do cabo devem ser mantidas em um
splice.
Ø Terminadores
Um terminador deve estar em ambas pontas do cabo de trunk, conectado
de um condutor de sinal para o outro. Nenhuma conexão deve ser feita entre o terminador
e a blindagem do cabo.
Pode-se ter o terminador implementado internamente à uma caixa de
campo (Junction Box) como sugere a Figura 1.16.
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Capítulo 1 - Introdução
Terminal Block in Field Mounted Junction Box
To Control
Building
Inside Junction Box
(Single or
Multi-Pair)
Twisted Pair
(Shielded)
Field Wiring and
Field Devices
Fieldbus
Terminator
Shields not shown
Figura 1.16 - Terminador interno à uma caixa de campo
O valor da impedância do terminador deve ser 100 Ω ± 20% dentro da
faixa de frequência 0,25 fr à 1,25 fr (7,8 KHz a 39 KHz). Este valor é aproximadamente o
valor médio da impedância característica do cabo nas frequências de trabalho e é escolhido
para minimizar as reflexões na linha de transmissão.
O vazamento de corrente direta pelo terminador não deve exceder 100 µA.
O terminador deve ser não polarizado.
Todos os terminadores usados em aplicações intrinsecamente seguras
devem atender as necessidades de isolação e distanciamento (necessárias para a
aprovação I.S.).
É aceito para as funções de fonte de alimentação, barreiras de segurança e
terminadores a combinação de várias maneiras (desde que a impedância equivalente atenda
os requisitos da norma ISA-S50.02).
Figura 1.17 - Esquema da linha de transmissão balanceada
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Capítulo 1 - Introdução
Ø Regras de Blindagem
Para atender os requisitos de imunidade a ruídos é necessário assegurar a
continuidade da blindagem através do cabeamento, conectores e acopladores, atendendo
as seguintes regras:
a) A cobertura da blindagem do cabo deverá ser maior do que 90% do
comprimento total do cabo;
b) A blindagem deverá cobrir completamente os circuitos elétricos através também
dos conectores, acopladores e splices.
Nota: O não atendimento das regras de blindagem pode degradar a imunidade a ruído.
Ø Regras de Aterramento
O aterramento para um sistema FIELDBUS deve estar permanentemente
conectado à terra através de uma impedância suficientemente baixa e com capacidade
suficiente de condução de corrente para prevenir picos de voltagem, os quais poderão
resultar em perigo aos equipamentos conectados ou pessoas, a linha comum (zero volts)
pode ser conectada à terra onde eles são 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.
Equipamentos FIELDBUS não podem conectar nenhum condutor do par
trançado ao terra em nenhum ponto da rede. Sinais podem ser aplicados e preservados
diferencialmente através da rede.
É uma prática padrão para uma blindagem de um cabo do barramento
FIELDBUS (se aplicável) ser efetivamente aterrado em um ponto único ao longo do
comprimento do cabo. Por esta razão equipamentos FIELDBUS devem ter isolação DC
da blindagem do cabo ao terra. É também uma prática padrão 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 deverão ser
pertos da fonte de alimentação. Para sistemas intrinsecamente seguros o aterramento
deverá ser na conexão de terra da barreira de segurança.
Ø Segurança Intrínseca
As barreiras de segurança intrínsecas devem ter impedância maior do que
400 Ω em qualquer frequência no intervalo de 7,8 KHz a 39 KHz, essa especificação vale
para barreiras de segurança intrínsecas do tipo equipamento separado ou incorporadas
internamente em fontes de alimentação.
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Capítulo 1 - Introdução
Dentro do intervalo de voltagem de funcionamento da barreira de
segurança intrínseca (dentro do intervalo 7,8-39 KHz) a capacitância medida do terminal
positivo (lado perigoso) para a terra não deverá ser maior do que 250 pF da capacitância
medida do terminal negativo (lado perigoso) para a terra.
Uma barreira de segurança intrínseca não deverá estar separado do
terminador por mais de 100 m (Figura 1.18). A barreira pode apresentar uma impedância de
400 Ω na frequência de trabalho e a resistência do terminador deve ser suficientemente
baixa para que quando colocada em paralelo com a impedância da barreira, a impedância
equivalente deverá ser inteiramente resistiva.
Figura 1.18 - Segurança Intrínseca
Ø Especificações e Descrições dos Cabos
Para novas instalações devemos especificar cabos de par trançado com
blindagem do tipo A (Figura 1.19), outros cabos podem ser usados mas respeitando as
limitações da tabela abaixo como por exemplo os cabos múltiplos com pares trançados
com uma blindagem geral (denominado cabo tipo B).
O tipo de cabo de menos indicação é o cabo de par trançado simples ou
multiplo sem qualquer blindagem (denominado cabo tipo C).
O tipo de cabo de menor indicação é o cabo de múltiplos condutores sem
pares trançados (denominado cabo tipo D) e sem blindagem.
A seguir a tabela de especificações dos tipos de cabos (a 25 ºC):
Parâmetros
Condições
Tipo “A”
Tipo “B”
Tipo “C”
Tipo “D”
Impedância característica, Z0, Ω
Resistência
DC
máxima, Ω/km
fr (31,25 KHz)
100 ± 20
100 ± 30
**
**
por condutor
22
56
132
20
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Capítulo 1 - Introdução
Atenuação máxima, dB/km
Área seccional nominal do condutor
(bitola), mm2
Capacitância máx.
não balanceada, pF
1,25 fr (39 kHz)
1 metro de comprimento
3.0
5.0
8.0
8.0
0.8
(#18 AWG)
0.32
(#22 AWG)
0.13
(#26 AWG)
1.25
(#16 AWG)
2
2
**
**
** não especificado
Tabela 1.3 - Especificações dos tipos de cabos
FOUNDATION TECHNOLOGY
USER
LAYER
31.25 kbit/s FIELDBUS WIRING
CONTROL ROOM
EQUIPMENT
COMMUNICATION
“STACK”
PHYSICAL LAYER
Trunk
Junction
box
Spurs
Cable Length = Trunk Lenght + All Spur Lengths
Maximum Length = 1900 metres with “Type A”Cable
Figura 1.19 - Cabos utilizados no FIELDBUS
Comprimentos típicos de barramento e derivações:
Cabo tipo
A
B
C
D
Distância (m)
1900
1200
400
200
Tabela 1.4 - Comprimentos típicos de barramento e derivações
1.5.
Benefícios do Fieldbus
Os benefícios da tecnologia FIELDBUS podem ser divididas em
melhoria e maior quantidade de informações de controle e não de controle (Figura 1.20)
e benefícios econômicos.
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Capítulo 1 - Introdução
1.5.1. Benefícios na obtenção de informação
Nos sistemas de automação tradicionais, o volume de informações
disponíveis ao usuário não ia muito além daquele destinado às informações de controle.
Nos sistemas FIELDBUS, o volume de informações extra controle é bem maior (ver
Figura 1.20) devido às facilidades atribuídas principalmente à comunicação digital entre
os equipamentos.
FIELDBUS BENEFITS
INCREASED PROCESS INFORMATION
FIELDBUS-BASED
AUTOMATION
SYSTEMS
NON-CONTROL
INFORMATION
TRADITIONAL
AUTOMATION
SYSTEMS
CONTROL
INFORMATION
YESTERDAY
TODAY
Figura 1.20 - Comparação do volume de informações entre os dois sistemas
1.5.2. Benefícios econômicos
Ø Baixos custos de implantação:
•
•
•
•
•
•
Engenharia de detalhamento
Mão de obra/materiais de montagens
Equipamentos do sistema supervisório
Configuração do sistema
Obras civil
Ar condicionado
Ø Baixos custos no acréscimo de novas malhas
Instalação apenas de novos instrumentos no campo (Figura 1.21)
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Capítulo 1 - Introdução
FIELDBUS BENEFITS
WIRING SAVINGS
DCS
FCS
CONTROLLER
I/O
SUBSYSTEM
I.S
I.S.
I.S.
I.S.
FIELDBUS
4-20 MA
Figura 1.21 - Redução de custos na implementação de novas malhas
Ø Baixos custos de implantação da automação por área
Instalação apenas de placas de interfaces
Ø Ganhos tecnológicos
• Instrumentação de ponta (estado da arte)
• Vantagens operacionais do sistema (sistema aberto)
• Tecnologia atualizada (sistema de controle)
FIELDBUS BENEFITS
EXPANDED VIEW
DCS
FCS
CONTROLLER
INPUT/OUTPUT
SUBSYSTEM
FIELDBUS
TRADITIONAL 4-20 MA
VIEW STOPS AT I/O SUBSYSTEM
FIELDBUS VIEW
EXTENDS INTO INSTRUMENTS
Figura 1.22 - Informações obtidas pelos dois sistemas
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Capítulo 1 - Introdução
1.6.
Comparações com as tecnologias anteriores
Seguramente, devido as vantagens da tecnolgia FIELDBUS o SDCD
tradicional não é mais recomendado para novos projetos, para os sistemas existentes os
altos custos de substituição dos instrumentos e a obsolência do sistema de controle podem
abreviar a sua vida útil e provocar a introdução da tecnologia FIELDBUS.
FIELDBUS BENEFITS
2 WAY COMMUNICATION
CONTROL SYSTEM
NETWORK
CONTROL SYSTEM
NETWORK
CONTROLLER
INPUT/OUTPUT
SUBSYSTEM
FIELDBUS
TRADITIONAL 4-20 MA
ONE VARIABLE
UNI-DIRECTIONAL
FIELDBUS
MULTIPLE VARIABLES
BI-DIRECTIONAL
Figura 1.23 - Fluxo das informações nos sistemas tradicional e FIELDBUS
DOCUMENTAÇÃO BÁSICA
Para a elaboração dos dois tipos de projetos (SDCD e FIELDBUS) são
gerados diversos documentos, tanto para o SDCD como para o FIELDBUS, porém com
graus de complexidades diferentes, que são característicos de cada tecnologia.
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Capítulo 1 - Introdução
Podemos observar a seguir uma tabela comparativa:
Projeto SDCD
Revisão de fluxogramas de engenharia
Diagrama de malhas
Diagrama funcional
Diagrama lógico
Base de dados
Planta de instrumentação
Detalhe típico de instalação
Arranjo de painéis
Diagrama de interligações de Painéis
Diagrama de alimentação
Arranjo de armários
Lista de cabos
FIELDBUS / Grau de
Complexidade
igual
menor
igual
igual
igual
menor
igual
não tem
não tem
menor
menor
menor
sim
sim
sim
sim
sim
sim
sim
sim
sim
sim
sim
sim
Tabela 1.5 - Comparação entre SDCD e FIELDBUS
ANÁLISE DE CADA DOCUMENTO
a) Revisão de Fluxogramas de engenharia
A revisão dos fluxogramas, para ambas as tecnologias, SDCD e
FIELDBUS serão parecidas, sendo que para o FIELDBUS, a inteligencia de controle
estará localizada no campo.
FIELDBUS BENEFITS
REDUCTION IN SYSTEM HARDWARE
DCS
FCS
CONTROLLER
I/O
SUBSYSTEM
FIELDBUS
TRADITIONAL
FIELDBUS
CONTROL IN THE FIELD DEVICES
Figura 1.24 - Redução no hardware com a implementação de transmissores "inteligentes"
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Capítulo 1 - Introdução
b) Diagrama de malhas
Na tecnologia FIELDBUS haverá uma redução de trabalhos, na elaboração
dos diagramas de malhas, pois serão apresentados, para cada malha, apenas a
configuração de controle dos elementos de campo, pois a fiação será muito simples, não
necessitando aprensentar o bifilar das malhas, que estará sendo representado em
documento do software de configuração contendo todas as malhas.
Figura 1.25 - Representação esquemática de um loop analógico para sistemas convencionais
c) Diagrama Funcional
Este documento não sofrerá alterações.
d) Diagrama Lógico
Este documento não sofrerá alterações.
e) Base de Dados de configuração de controle e supervisão
Haverá praticamente o mesmo volume de trabalho.
f) Planta de instrumentação
Na tecnologia FIELDBUS haverá uma grande redução de trrabalhos, na
elaboração deste documento, devido principalmente, ao encaminhamento de cabos e
bandejas, pois, serão necessários poucos recursos mecânicos, devido a baixa utilização de
cabos de interligação, principalmente com a sala de controle.
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Capítulo 1 - Introdução
g) Detalhes típicos de instalação
Este documento não sofrerá alterações.
h) Arranjos de painéis
Na tecnologia FIELDBUS não serão gerados estes documentos.
i) Diagrama de interligação de painéis
Na tecnologia FIELDBUS não serão gerados estes documentos.
j) Diagrama de alimentação
Esse documento no caso do FIELDBUS, será muito simples, pois a
alimentação é por lotes de instrumentos e não individualmente.
k) Arranjo de armários
Caso exista este documento para o FIELDBUS, ele será muito simples,
pois normalmente não haverá necessidade deste documento.
l) Lista de Cabos
No caso do FIELDBUS, essa lista, dependendo da planta, pode ser até
10% da lista comparativa com o sistema SDCD.
m) Folhas de especificação.
Na tecnologia FIELDBUS haverá uma redução nessas folhas de
especificação, pois a inteligência está localizada nos elementos de campo, e não nos
elementos de controle na sala de controle.
n) Lista de Material
Como haverá uma redução dos componentes de um projeto na tecnologia
FIELDBUS, consequentemente a lista de material será menor.
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