diagnostico em fieldbus

8/18/2019 Diagnostico Em Fieldbus

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DIAGNÓSTICO AVANÇADO NO FIELDBUS

1. RESUMO

Este artigo irá apresentar uma série de benefícios significantes para o aumento de confiabilidade nanova tecnologia, através de equipamentos de última geração para diagnóstico avançado da camadafísica quando aplicado às redes Fieldbus Foundation™ ou Profibus PA™ para monitorar acomunicação, infra-estrutura de cabos, fontes de alimentação fieldbus, terminadores, eletrônicas deproteção e outros dispositivos relacionados à camada física. Será apresentado também a maneira decomo a integração do diagnóstico da camada física à qualquer segmento fieldbus pode, de fatoreduzir custos quando utilizado durante toda a fase do projeto. Adicionalmente, a prevenção de falhas

ou manutenção proativa é a principal chave de qualquer sistema de diagnóstico, sendo que estedocumento ira ainda considerar a diferença entre o diagnóstico básico e o avançado da camadafísica.

2. INTRODUÇÃO

Sistemas clássicos de controle e instrumentação de 4-20mA tem sido comumente utilizado porinúmeras plantas de produção ao redor do mundo durante décadas. Enquanto a confiabilidade dos““loops”” de 4-20mA são aceitáveis, falhas ocorrem regularmente, e muitas delas não podem serdetectadas ou discernidas; por exemplo, um caixa de junção pode ter sofrido infiltração de água ecorrentes de desvio através dos terminais imergidos irão resultar em uma leitura errônea,prejudicando assim a performance da planta. Existem inúmeras outras falhas que podem ocorrer, emuitas delas podem ser evitadas preventivamente se forem detectadas a tempo. Infelizmente, para

instalar um equipamento automático de teste, suficientemente sofisticado para disponibilizar talpreventividade para cada sinal 4-20mA é mais dispendioso que os instrumentos que estarãorealizando a medição da grandeza, portanto a opção custo e complexidade deverá sempre serconsiderada. Tradicionalmente, a atenção aplicada aos cabos de 4-20mA e instrumentos durante asfases de construção e comissionamento irão envolver equipamentos de operação manual outestadores de “loop” utilizado por engenheiros altamente qualificados que agem de forma reativa – seuma falha é descoberta, o reparo é feito. Através da ‘pressão do tempo’ muitos ““loops”” acabam nãosendo verificados principalmente com relação à falhas que poderiam causar problemas no futurodurante a operação da planta. Tendo isto em mente, seria uma grande vantagem ter um equipamentode teste automático, disponibilizando sinais gerados por computador que pudessem ser conectados acada “loop” de 4-20mA e operados ao “toque de um botão”.Levando este estágio adiante, poderia ser ainda mais vantajoso se o mesmo equipamento automáticode teste pudesse monitorar continuamente as condições de cada “loop” 4-20mA durante a operação

da planta.Com a introdução do fieldbus e com a comunicação digital mais robusta quando comparada com otradicional 4-20mA, agora encontramos apenas um cabo tronco fieldbus que ira servir até 32instrumentos fieldbus. Portanto, a opção de instalar um equipamento de teste com diagnósticoavançado em cada tronco deve ser levada em consideração e até mesmo dizer que esta ferramentapode realmente reduzir gastos com montagem e comissionamento assim como gastos operacionais. As reduções de custo se tornam aparentes quando se consideram as características chaveoferecidas por um equipamento de teste de diagnóstico automático para cada fase do ciclo deprojeto:


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Fase: Construção e comissionamento

Rapidamente, o teste de cada rede pode ser feito através do simples toque de um botão. Relatóriosde teste precisos e completos podem ser impressos através do computador.

Fase: Construção, comissionamento e operação

Teste cada tronco para conformidade ou conformidade continua de acordo com o padrão fieldbus IEC61158-2. Identifique automaticamente e relate qualquer erro que pode levar a uma falha.

Fase: Operação

Sempre conectado e disponivel, irá monitorar e reportar automaticamente durante 24 horas ao dia, 7dias por semana, ano a ano. Para colocar os gastos capitais em perspectiva: o custo de instalação danova geração dos sistemas de diagnóstico avançado que são necessários para diagnosticar 100segmentos fieldbus suportanto aproximadamente 1.200 dispositivos, são equivalentes o custo de umengenheiro de instrumentação por apenas 3 meses – não considerando os custos dos equipamentosde suporte. Naturalmente o fieldbus reduz a densidade da fiação de campo, mas se as coisas vãopara o caminho errado, o sistema de controle pode perder vários dispositivos e muitos ““loops”” de

controle de uma só vez. Portanto, o design, a construção e a manutenção preditiva de um fieldbus, éuma consideração muito importante.

3. DIAGNÓSTICO BÁSICO


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Os tipos de fieldbus considerados para o sistemas de diagnóstico descritos neste artigo são oFieldbus Foundation™ e o Profibus PA™

O que é a camada física ?

A camada física envolve o cabo tronco ou cabo principal, cabos de spur, instrumentos, terminais,

terminadores posicionados em cada extremidade do cabo, fontes de alimentação, interfaces,equipamentos de proteção (Segment Protectors, etc) assim como a comunicação física do fieldbus (osinal, etc).

O que é diagnóstico da camada física ?

Diagnóstico da camada física é simplesmente um equipamento de teste, que é conectado a cadarede fieldbus através do cabo tronco, o qual é capaz de reliazar um teste, monitoramento ediagnóstico contínuo de toda a rede para verificação da degradação de componentes físicos e

desvios que podem levar à uma falha parcial ou total. Ela também verifica a conformidade da rede deacordo com a IEC61158-2, o padrão fieldbus.

Ferramentas de diagnóstico da camada física

A fig. 3-1 ilustra um típico sistema de diagnóstico on-line. Diferentes versões de equipamentos deteste são gradualmente introduzidos no mercado em vários graus e performance e custo.

O resumo abaixo descreve a gama de produtos em termos básicos:

Simples handhelds:


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Ferramentas para diagnóstico avançado tipo Handhelds verificam falhas rudimentares e testes off-line.

Dispositivos básicos on-line:

Sistemas de diagnóstico da camada física básicos on-line realizam a detecção de falhas rudimentares

onde eles podem ser utilizados para comissionamento e para medição contínua para detecção defalhas operacionais e alarmes.

Dispositivos de diagnóstico portáteis:

Sistemas portáteis de diagnóstico para a camada física são utilizados para testes avançados onde osistema de controle e as fontes de alimentação associadas ainda não foram disponibilizadas paracomissionamento ou para detecção de falhas operacionais detalhadas.

Dispositivos avançados on-line:

Dispositivos de diagnóstico avançado on-line são utilizados para construção, comissionamento etestes operacionais, detecção de falhas, geração de documentação/relatório e para detecção prévia

de falhas. Sistemas on-line são permanentemente conectados a cada segmento para verificaçãocontínua durante todo o ciclo da instalação.

A evolução do diagnóstico

Retornando ao tempo, os diagnósticos primitivos estavam disponíveis em forma de verificação desaídas com zero elevado ou simples verificações dos estados dos I/O´s, etc. A introdução do HART,certamente trouxe novos benefícios com sua instrumentação superior e diagnóstico de processo.Entretanto, dispositivos HART tem somente capacidade de diagnóstico limitado devido à largura debanda restrita ou processamento. O introdução do fieldbus acelerou o uso de sensores e diagnósticosde processo mais sofisticados e, recentemente com a introdução do diagnóstico avançado dacamada física, o sistema como um todo pode agora ser extensamente monitorado não somente emcaso de falhas, mas também para várias outras situações.

Por que o diagnóstico avançado da camada física é mais benéfico ?


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Você pode ser influenciado a acreditar que o diagnóstico da camada física pode ser realizadosimplesmente através de um voltímetro e um analisador de amplitude/ruído conectado ao tronco comuma característica de alarme. Entretanto, experiências e pesquisas extensivas, tem mostrado quequanto mais tipos de medição forem realizadas, melhor será a detecção de um grande número defalhas envolvidas. Por exemplo, mudanças dos níveis de ruído ou instabilidade de sinal, medição de jitter são utilizadas para detectar variações minutas causada por tais características envolvidas. Veja

também ‘explicação sobre jitter’ neste documento. Alem disso, uma grande quantidade de funções dediagnóstico serão conduzidas a melhores estruturas de relatório e a revelar erros potenciais quepodem se manifestar durante a operação da planta.O diagnóstico avançado da camada física disponibiliza muito mais analises de medição de sinais ACe DC, onde a figura 3-3 apresenta os tipos de medição do diagnóstico avançado da camada física,comparados os disponibilizados pela ferramenta básica.

A importância e limitações do diagnóstico avançado da camada física on-line durante aoperação

Para qualquer sistema, falhas que ocasionam paradas podem afetar a produção, qualidade doproduto e em raras ocasiões, conduzir à uma catástrofe ambiental ou situação insegura. Portanto,avisos precoces de falhas são a essência por trás da manutenção proativa e eliminação de falhas –para o fieldbus, isto é uma tarefa extremamente importante para se implementar tendo em vista onúmero de dispositivos e “loops” de controle suportados no segmento – e uma das que podem serfeitas com baixo custo. O primeiro objetivo do sistema de diagnóstico é monitorar e anunciar pequenas mudanças ou características de uma falha, antes que ela se torne destrutiva para então serreparada ou retificada. Este objetivo irá também incluir a conformidade da camada física com asnormas apropriadas. Aplicando o diagnóstico da camada física on-line, combinados com capacidades de diagnósticoexistentes, irá disponibilizar um indicação de muitas falhas. Estando on-line, e em cada segmento,significa que uma falha ou falha intermitente podem ser verificadas imediatamente à qualquermomento e em qualquer segmento ou em qualquer parte do segmento. O tempo de ação éimportante porque muitas falhas ou falhas de propagação podem ser aleatórias e/ou intermitentes ouassociadas à um evento externo. Sistemas de diagnóstico individuais não irão garantir altaconfiabilidade. Existem falhas óbvias que podem ocorrer, onde avisos de diagnóstico serão parte deuso preditivo, por exemplo um curto direto do cabo tronco ou uma abertura de circuito causado poralguém em algum instrumento. Enquanto estes tipos de falhas são indesejadas, há medições deproteção que podem colocar a rede livre destas falhas. Com considerações cautelosas aos pontoscomuns de falha, por exemplo cabo tronco e terminais, terminadores, fontes de alimentação, proteçãomecânica e/ou eletrônica podem ser aplicadas às estas áreas para melhorar o efeito e portantoreduzir a probabilidade deste tipos de falhas para um nível baixo – ou até mesmo eliminar o riscoconjunto. A outra vantagem significante com equipamentos on-line é que quando não há tempo paramonitoramento, detecção de falhas, teste ou validação é possível levantar registros e se referir àdiagramas de fiação. Rastrear pontos terminais através de testes de conexão ou equipamentos dediagnóstico também. Modificar cabeamento em painéis da sala de controle ou cabos de passagem.Se faz necessário ir à campo e abrir caixas de junção até que se detecte um ponto específico para

manutenção e reparo. Portanto o potencial de introdução de erros são minimizados e o tempo paradecteção de erros é reduzido drasticamente.


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A desvantagem de se utilizar testadores fieldbus ‘off-line’ tipo handheld

Testadores fieldbus tipo handheld são somente utilizados para manutenção reativa onde já ocorre afalha do segmento (quando já é tarde) ou quando o sistema de controle indicou que a troca de dadosfoi corrompida na forma de gravação de dados de retransmissão. Retransmissão de dados irá afetar

a velocidade do “loop” de controle, e em alguns casos, múltiplas retransmissões irão causar o sistemade controle à instigar uma queda do segmento ou forçar o “loop” para operação manual. Aretransmissão devido à dados corrompidos é de fato uma falha e, portanto, qualquer indicação decorrompimento de dados potenciais deverá ser analisada antes que a retransmissão de dados ocorra.Isto não é uma tarefa fácil, e para cobrir efetivamente, requer medições de diagnóstico avançado on-line e softwares analíticos.

4. INFORMAÇÃO DE DIAGNÓSTICO E RELATÓRIO


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Como indicado anteriormente, uma maior quantidade de funções de diagnóstico irá conduzir a umaestrutura de relatório mais detalhada. Embora os tipos de medição sejam extremamente complexos, ainformação entregue deverá ser formatada de forma que o operador observe avisos de diagnóstico eseja capaz de agir através dela apropriadamente, por exemplo o operador deve decidir se através dainformação disponibilizada o engenheiro de manutenção deverá ser chamado para ação imediata, ouse deverá ser programado reparo para a próxima parada. Por outro lado, a informação disponibilizadaserá mais detalhada, especificamente desenhada para detecção de erros extensiva por umengenheiro de manutenção o até mesmo um engenheiro especialista remoto. Boas medições dediagnóstico requerem bons softwares de análise, os que são geralmente complexos para seremimplementados em dispositivos tipo handheld, e para que se possa decodificar estes resultados sefaz necessário o uso de softwares de análise sofisticados. A informação gerada através dedispositivos de diagnóstico portáteis e softwares de diagnóstico on-line deve ser confiável para servira vários níveis de usuário:

O engenheiro de comissionamento/manutenção

O engenheiro de manutenção e comissionamento irá necessitar de informação de diagnósticoavançado para acessar e indicar falhas de queda de comunicação e falhas tolerantes que podem seresquecidas durante as atividades normais de comissionamento. Por outro lado, para agilizar oprocesso para segmentos livres de falhas, tudo o que será requerido é simplificado e indicadoclaramente através de sinalizações.

O operador

O operador irá necessitar de informações gerais sobre as condições do segmento fieldbus. Anecessidade do operador está em ser informado de qualquer desvio a partir de condições iniciaisdefinidas para o segmento e ser capaz de tomar a ação correta, devendo uma falha ser detectada ouanunciada. Isto pode ser uma decisão para convocar o engenheiro de manutenção imediatamente,colocar o “loop” em operação manual, e ser requisitada para manutenção na próxima programaçãode parada.

O engenheiro de manutenção


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A manutenção necessitará acesso total às informações técnicas para aplicação correta das açõescorretivas seja no caso das falhas ocorridas serem detectadas ou registradas. Eles irão aindanecessitar de resumos ou relatórios conclusivos de modo à indicar a causa do problema. Histórico dealarmes irão também ser armazenados na ferramenta de gerenciamento de alarmes, portantoqualquer falha registrada poderá ser vista no real momento da ocorrência do evento.

4.1 O rastreamento de falhas

Obviamente o diagnóstico não irá ajudar a prevenir falhas tais como na ocorrência de curto circuitosno tronco ou abertura de circuitos. O software de diagnóstico terá pelo menos o armazenamento doevento da falha e tempo de ocorrência assim como os dados que conduziram ao evento da falha – damesma forma que a caixa preta do avião funciona. Portanto, irá ser disponibilizado uma trilha defalhas que podem ser utilizadas para indicar o ponto e o que poderia ter causado a falha ou desastremais decisivamente e também ser usado para ajudar nas medidas de implementação para prevenir arecorrência de falhas ou disastres.

4.2 O Osciloscópio fieldbus

O osciloscópio fieldbus realiza a conexão entre o diagnóstico automático e a detecção manual deproblemas onde maiores informações em profundidade podem ser acessadas por engenheirosespecializados a partir de um osciloscópio digital dedicado, incorporado com uma vasta seleção depontos de “trigger” específicos. Um osciloscópio é de longe a melhor ferramenta para a detecção deproblemas incomuns ou complexos, e integrando o osciloscópio com o módulo de diagnóstico trazuma série de vantagens:

Fig. 4-3: Exemplo de osciloscópio com propriedades de zoom, pontos de ‘trigger específicos e armazenamentodigital.

Economia valiosa de tempo durante as paradas

Integrando um osciloscópio no modulo de diagnóstico pode-se economizar muitas horas de parada –o tempo gasto para se ler e encontrar arquiteturas, rastrear os terminais corretos e conectardispositivos de teste na sala de controle, e assim por diante.

Eliminação de distúrbios nas caixas de junção e cabos


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Também distúrbios dos cabos na sala de controle, ou abertura de caixas de junção no campo paraconexão de osciloscópios podem trazer ou adicionar mais falhas. Utilizando um osciloscópioincorporado on-line, elimina-se a necessidade de se alterar qualquer hardware até que um reparoespecífico seja necessário.

Uma gravação também para uso remotoOs dados do osciloscópio podem ser gravados de forma simples, nos terminais de manutenção.Deste modo, um registro pode ser encontrado, e a informação pode também ser enviadaremotamente à um especialista para detecção adicional de problemas, novamente economizandotempo valioso.

5 Infra-estrutura do diagnóstico Avançado

A integração do diagnóstico avançado da camada física nas fontes de alimentação fieldbus

Para diminuição de custos, um módulo de diagnóstico da camada física deve ser capaz de monitorar

vários segmentos fieldbus ao mesmo tempo. Uma ótima preocupação entre performance,complexidade dos dispositivos e custo de hardware, resulta em um módulo simples de diagnósticoque gerencia quatro segmentos simultaneamente. Para se minimizar esforços de fiação, o módulo dediagnóstico deve ser parte do sistema de alimentação do fieldbus. Hoje fontes fieldbus de altatecnologia oferecem módulos de diagnóstico integrados, simples fontes de alimentação (comredundância opcional) são agrupadas em uma placa mãe para manter a fiação e a manutençãosimples e de baixo custo. Esta configuração vem ganhando grande atenção do usuário e em umfuturo próximo, a maioria das fontes de alimentação fieldbus serão fornecidas já com o diagnóstico dacamada física como padrão.

5.1 Informação de Diagnóstico – integração à arquitetura

A informação do hardware de diagnóstico pode ser transferida através de uma rede de diagnósticodedicada ou através do próprio fieldbus. Mas o caminho mais efetivo é utilizar uma rede dedicada ouseparada, onde vários módulos de diagnóstico podem ser conectados, através de Ethernet, para osistema superior. Informações de status são utilizadas pelo operador e o acesso completo édisponibilizado pela estação de gerenciamento dos instrumentos.


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Importante consideração:

Transmitindo a informação de diagnóstico através do próprio segmento fieldbus, requer custosadicionais de interfaces de controle e fontes de alimentação com aumento significativo no custo dosistema de controle. Além disto, a disponibilidade da informação de diagnóstico depende dadisponibilidade do segmento fieldbus através do qual a informação de diagnóstico é transferida. Seum erro fatal ocorrer no segmento, a informação de diagnóstico pode não ser enviada para o controleno caso onde há mais necessidade. Adicionalmente, a banda de comunicação de um segmento H1não foi desenvolvida para enviar a quantidade de falhas de diagnóstico avançado on-line da camadafísica - efeito e detecção de dados os quais são necessários para se analisar adequadamente a partefísica do segmento fieldbus. Portanto, o direcionamento dos dados de diagnóstico através de umcabo digital separado é a única saída para uma coleta confiável e eficiente do diagnóstico.

6 Causa, efeito e deteçção da falha

Causas potenciais de falhas e seus efeitos

Sem dúvida, um fieldbus bem projetado e cuidado irá operar sem problemas durante muitos anos.Entretanto, como todo sistema eletrônico, falhas podem ocorrer em alguns segmentos e em algunspontos durante a vida operacional. Falhas de fieldbus podem desenvolver ou ocorrer a qualquermomento sem aviso prévio. Falhas podem surgir de mudanças insignificantes, desde um simplesalarme até uma falha fatal. O próximo tópico irá cobrir detalhes de vários tipos de falhas – nãosomente falhas óbvias cobertas pelo diagnóstico básico. Também deve ser lembrado que muitas dasfalhas indicadas abaixo podem também ser aplicadas aos sistemas 4-20mA:


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Falhas Pólo-Shield (desbalanceamento)

O pólo de um cabo, seja negativo ou positivo, pode criar diretamente um contato resistivo com oshield. Isto é uma falha comum, presente normalmente quando pontas de cabo são deixadas deforma inadequada no invólucro do instrumento, ou quando um cabo foi danificado durante amontagem. Entretanto, nem todas as falhas estão diretamente relacionadas com curto circuitos ou

com baixas resistências de contato.- elas podem ser capacitivas ou de alta impedância: Um cabopode ter desbalanceamento capacitivo inaceitável em razão de condições ruins de instalação oudeficiências de manutenção, as quais são adicionalmente compostas por desbalanceamento deinstrumento ou o cabo, e uma falha subseqüente será normalmente conduzida a um problema – porexemplo, um pólo pode ter uma conexão capacitiva à terra e o outro pólo pode estar curto-circuitadodiretamente ao “shield”. O desbalanceamento irá aumentar a sensibilidade da rede à ruídos eportanto irá aumentar a probabilidade de erros de comunicação.

Falhas Pólo-Pólo

Assim como uma falha de pólo-shield é uma falha possível, então uma falha pólo-pólo também temigual probabilidade de ocorrer. Um curto-circuito direto em um tronco é uma falha que não pode sertolerada, e o segmento irá falhar. Mais uma vez, nem todas as falhas são curto-circuitos diretos sendo

que algumas podem ser resistivas por exemplo, onde capacitores de filtro de um instrumento ousemicondutores de proteção contra sobre tensão podem romper, cabos ou caixas de junção podemestar cobertas de água, e assim por diante.

Crosstalk, ruído e interferência

Ruídos vem de muitas formas e podem se encontrar em todo o espectro de freqüência. Ruídospodem ser captados de fontes próximas com freqüência variável, ou o cabo por si só pode estarsujeito à vibração. Ruído pode também induzido por interferências eletromagnéticas ou recebidos decabos vizinhos como crosstalk. Os “loops” de terra são outra forma de ruídos de baixa e altafreqüência que podem ser transmitidos pelo shield afetando portanto os cabos de tronco e spur. Defato, as falhas de aterramento são consideradas as piores inimigas da qualidade de sinal e são a

causa mais comum dos problemas. Os padrões fieldbus determinam os limites permitidos para osníveis de ruídos através do espectro de freqüência desde sinais DC até dezenas de Megahertz, ondeo ruído mais destrutivo é o que se encontra na faixa de freqüência de trabalho da rede onde níveismaiores que 75mV pico-a-pico não são permitidos.

Falhas de Terminação

Terminadores simples são considerados pontos comuns de falha – atém mesmo fontes dealimentação redundantes com os tão falados ‘terminadores redundantes eletrônicos’ irão sempre serum simples terminador nos extremos do tronco. Terminadores falham em razão de rompimento deresistores e circuitos abertos causando a perda da terminação, ou em alguns casos causando baixasimpedâncias causadas por distorções de sinal. Capacitores podem falhar em vários casos: circuitos

abertos ocasionando perdas de terminação, curto-circuito ocasionando uma falha fatal do segmentoou destruição de componentes ou ainda baixa impedância, assim como perdas graduais daterminação devido à estados condutivos e resistivos. Terminadores eletrônicos redundantes eterminadores automáticos são pontos de falhas, uma vez que dispositivos eletrônicos complexos quepossuem a função de chaveamento e sensoreamento são mais suscetíveis. Terminadoresautomáticos podem se desativar em pontos inconvenientes do segmento, deixando longoscomprimentos de cabo sem terminação. NOTA: Terminadores redundantes não são redundantes nosentido da palavra, mas uma simples falha de um componente, não irá ocasionar uma falha fatal secomparado ao terminador simples. Ao invés disto ele irá causar uma mudança tolerável naimpedância da rede que poderá ser detectada através do módulo de diagnóstico avançado permitindoportanto a realização de uma manutenção imediata ou programada.


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Subterminação e sobreterminação

Um sistema pode tolerar certos graus de subterminação ou sobreterminação dependendo daconfiguração da rede e da qualidade do sinal. Outros fatores influenciáveis envolvem a qualidade dasfontes de alimentação fieldbus e a carga da rede. Um terminador perdido ou em falha na extremidade

de um longo cabo de tronco irá sempre deixar o cabo aberto para reflexões de sinal e irão criardistorções. Até mesmo em laboratórios de teste pode-se demonstrar que isto pode ser tolerado empequenos comprimentos de cabo, porém no campo e na vida real pode ser uma história diferente.

Falhas de fontes de alimentação ou de impedância

Impedâncias passivas de fontes de alimentação fieldbus podem ser ajustadas, pois são constituídaspor indutores passivos e robustos, portanto mudanças de impedância são possíveis. Por outro lado, aimpedância de fontes de alimentação ativas dependem de capacitores e transistores, e estescomponentes podem falhar até mesmo em casos onde as fontes trabalham em pares redundantes.Variações de impedância ou falhas de fontes de alimentação fieldbus ativas não irão sempre conduzira uma atenuação de sinal. O que normalmente irá ocorrer é que os topos de sinal irão crescer oudecrescer dependendo de quão capacitivo ou indutivo estiver o circuito: Sinais de queda ou ascençãopodem ocasionar erros de ‘jitter’ , e portanto podem resultar em múltiplas retransmissões de dadosantes que a falha fatal ocorra. (Veja Fig. 6-2)


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Infiltração de água

Infiltração de água nos cabos e terminais, causadas por uma falha de isolação, selamento de caixasde junção, cabos fraturados ou porosos, não irão induzir ruído. Ao invés disto, irão conduzireletricidade resultante do aumento considerável de corrente do tronco ou do aterramento. De fato, ainfiltração de água é mais complexa que somente analisar um caminho condutor, e pode realmente

não fazer nada – no caso de condensação por exemplo, na forma pura, a água não é condutora. Elasomente passa a conduzir quando impurezas são adicionadas ou dissolvidas. Assim que acondutividade é estabelecida, falhas pólo-pólo irão sofrer imediatamente corrosões galvânicas ondeos terminais e cabos podem ser completamente dissolvidos em dias.

Falhas de dispositivos

Muitos dispositivos possuem FDE – desconexão eletrônica em falhas. A idéia do FDE é que no casode detecção de falha do circuito eletrônico do dispositivo, o mesmo é automaticamente desconectadodo segmento. Entretanto, nem todas as falhas de dispositivo podem ser prevenidas – a impedânciados dispositivos pode chegar a níveis destrutivos. Muitos dispositivos possuem uma ponte de diodospara permitir a conexão bipolar ao tronco. Estas pontes podem também falhar ocasionando baixa

impedância ou curto-circuito.

Dispositivos de supressão de transientes e surtos (TVS)

Dispositivos de supressão de surto ou tensão transiente são sempre utilizados juntamente com asfontes de alimentação e dispositivos de campo para que surtos de tensão não destruam oudanifiquem sua eletrônica sensível. Embora os supressores de surto ou TVS´s (diodos de proteção)podem prevenir a destruição de componentes e dispositivos devido aos picos de tensão, eles são porsi só um ponto de falha comum. O TVS, que é conectado diretamente ao tronco, pode se romper oumesmo sofrer curto-circuito interno, o que é a falha mais comum neste tipo de dispositivo. DiodosTVS não são atingidos por desgastes térmicos ou elétricos em operação normal, e portanto podemdurar indefinidamente. Mas eles podem se tornar fracos após um surto de alta tensão e portantoresultar em um aumento de corrente ou mudanças problemáticas de impedância.

Capacitores de filtro de ruído

Dispositivos, fontes de alimentação e circuitos de proteção utilizam comumente pequenos capacitorespara filtro de ruído. Eles são conectados através dos pólos, e através do shield: Devido à existênciade muitos dispositivos conectados à um simples segmento, o número de pontos de falha irá serproporcional (12 dispositivos = 36 capacitores). Os capacitores podem falhar de modo a abrir ocircuito, ou mesmo ocasionar um curto, provocando baixa impedância com diferentes efeitos quepodem até mesmo ser destrutivos.

Inversão de polaridade

Muitos dispositivos são bipolares, o que significa que podem ser conectados em qualquer polaridadeao segmento fieldbus. Entretanto alguns dispositivos, fontes de alimentação ou repetidores não são

bipolares, e podem ter seu potencial acidentalmente invertido. Isto irá inverter o sinal de dados, o queem alguns casos pode ser tolerado pelo sistema, mas a intercomunicação entre dispositivos irá falhar.


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Se dispositivos durante a instalação e comissionamento tem sua polaridade invertida, muitas dasfalhas podem não ser identificadas.

Falha da fonte de alimentação

A tensão de saída da fonte fieldbus pode falhar em limites inaceitáveis. Até mesmo com fontes de

alimentação redundantes, as tensões podem cair devido à uma combinação de falhas, como porexemplo falhas de curto-circuito dos diodos ‘OU’ e falha de queda de tensão de uma das fontesdevido à baixa impedância. Nos caos de fontes de alimentação redundantes, uma das duas fontespode falhar, e uma troca urgente será necessária.

A importância da medição do jitter

A medição do “jitter” é a mais precisa indicação de uma falha existente, pois é o único parâmetro quepermite a análise da performance da impedância da rede e da fonte de alimentação. A medição de jitter é também o único parâmetro que pode efetivamente verificar a conformidade das fontes fieldbuscom o padrão IEC 61158-2 a sua compatibilidade com outros dispositivos.O uso da medição do jitter irá dar à fonte de alimentação à marca de conformidade com o padrão FF831. Medições contínuas de jitter irão também verificar a conformidade contínua com a FF 831 e suas

condições operacionais. A análise de jitter irá observar pequenas mudanças que não sãosuficientemente significantes para causar retransmissões de dados ou outros alarmes. As mediçõesde jitter ignoram os efeitos individuais de ruído, atenuações e distorções. Por exemplo, níveis de ruídopodem estar dentro dos limites e a atenuação de sinal e distorção podem também estar dentro doslimites, portanto os alarmes não são indicados, mas coletivamente, eles podem causar a falha nadetecção de dados. A medição de jitter permitirá a detecção de falhas prévias antes mesmo que outroparâmetro seja capaz de reagir sem um alarme falso.

6.1 Detecção de falhas através de técnicas avançadas de mediçãoTendo considerado os tipos de falhas, pode ser observado que uma vasta quantidade de técnicas demedição irão ser requeridas se um aviso prévio de qualquer falha potencial deve ser detectada emtempo adequado. Este próximo tópico irá cobrir os tipos de medição e como eles são utilizados paraacessar uma falha:

TIPO DE FALHA DETECTADA DESCRIÇÃO DA FALHA DETECTADA

· Falha do filtro de ruídodo dispositivo e daponte de diodo

· Falha do TVS· Mudanças de tensão

Estas falhas podem ser detectadas através de pequenasmudanças na corrente do tronco. Ocasionalmente, mudançasde corrente do tronco são mais facilmente detectadas do que

mudanças no nível de sinal, e é ideal para avisos prévios deinfiltração de água pólo-pólo que pode levar à uma rápida


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no dispositivo decampo

· Infiltração de água· Falha do terminador · Falha de corrente no

dispositivo de campo

· Falha pólo-pólo

corrosão galvânica, abertura do capacitor do terminador,abertura do capacitor de filtro do dispositivo de campo, aberturada ponte de diodo, abertura do diodo TVS e falhas de correnteno dispositivo de campo.

· Mudança deimpedância do TVS eda ponte de diodo

· Falha da fonte dealimentação ativa oufalha de impedância

· Subterminação ousobreterminação

· Falhas AC pólo-pólo

A medição do jitter é de longe a mais importante medição parase fazer a detecção de qualquer falha de propação AC. Amedição de jitter ignora falhas discretas ou específicas taiscomo nível de ruído, atenuação de sinal; ela se concentra nadetecção dos dados de comunicação

Ela pode detectar várias mudanças causadas por variações deimpedância da rede, distorção de sinal, ressonância da rede,mudanças de impedância da fonte fieldbus ativa, falha doresistor ou capacitor do terminador, capacitor de filtro dodispositivo de campo, falhas de impedância do dispositivo e

influências de ruído de toda a banda de freqüência.

Influências de ruído ou atenuação/distorção do sinal podemindividualmente encontrar os limites requeridos pelaespecificação, mas adicionadas juntas podem resultar em umafalha. A medição de jitter ignora falhas específicas ou discretas,e se concentra em problemas de precisão da detecção dedados e o quão bom os dados estão. Se um sinal de dadostender à uma falha, a detecção de jitter irá indicar antes que aretransmissão devido à dados corrompidos ocorra.

· Falhas de atenuaçãogeral

· Falhas de comunicaçãodo dispositivo decampo

· Falhas desubterminação esobreterminação

. A medição do nível de sinal pode ser utilizado para se detectar

atenuações causadas por falhas de impedância de algumasfontes de alimentação ativas, atenuação de cabos,subterminação e sobreterminação ou falhas de impedância dodispositivo de campo. O fieldbus irá ainda operar com níveis desinal muito baixos, mas os dados podem falhar antes que osavisos de nível de sinal estejam abaixo dos limites aceitáveis. Amedição de jitter em combinação com a medição dos níveis desinal, permitem um diagnóstico focado.

· Falhas pólo-shield AC eDC

· Desbalanceamento decabo

· Infiltração de água· Ruído no capacitor de

filtro do dispositivo

Nem todas as falhas pólo-shield são simples curto-circuitos.Esta medição pode verificar falhas capacitivas e resistivas emvários graus e pode acessar qual pólo está em falha.

Falhas capacitivas ou de desbalanceamento podem sercausadas por capacitores de desacoplamento ou pode ser queum cabo possua elevado desbalanceamento devido à defeitosde fabricação ou pode ser em razão de problemas deinstalação. É também ideal para avisos de infiltração de águapólo-shield.

· Detecção deinterferências, ruído ecrosstalk

Medições de ruído podem detectar interferências destrutivas nafaixa de freqüência da rede assim como uma análise completade espectro pode detectar ruídos de baixa freqüência tais comoa ressonância causada por falhas de terminação, falhas deimpedância da fonte de alimentação, crosstalk, microfonias no


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cabo, interferências de inversores de freqüência ou “loops” deterra, assim por diante.

· Condições da fonte dealimentação e falhas dedetecção

Medições de tensão do tronco são utilizadas para detectarqualquer possível problema na carga de corrente e paramonitorar as condições da fonte de alimentação para aviso

prévio de falha. A medição da tensão do tronco é uma atividadecomum para qualquer engenheiro de manutenção, entretantouma vez o tronco tenha passado por uma simulação, instalaçãoe comissionamento, então os níveis de tensão de cadadispositivo devem já ater sido armazenados. Além disto, através da medição da corrente do tronco, econhecendo-se os parâmetros do cabo, então o cálculo datensão em cada dispositivo pode ser conhecida – significa queum engenheiro não terá que ir a todos os pontos do campo pararealizar a medição em todos os dispositivos. Por exemplo, senão há mudanças na corrente do tronco, então o registro datensão em cada dispositivo não será uma tarefa necessária.

· Inversão de polaridade Esta medição irá detectar a inversão de sinal de um dispositivodurante a construção e comissionamento, ou se um dispositivofoi substituído incorretamente durante reparos operacionais ouapós sua calibração. Sinais invertidos são causados porconexões incorretas de polaridade de alguns dispositivos efontes de alimentação. Em certos casos, sinais invertidospodem ser tolerados, mas muitos sistemas ou dispositivos nãoirão detectá-las precisamente e irão ocasionalmente falhar oucriar muitas retransmissões de dados.

6.2 Decidindo qual hardware/software de diagnóstico utilizar

A decisão de qual modulo de diagnóstico ou sistema deverá ser adquirido irá depender dasnecessidades do usuário, das necessidades do operador ou até mesmo da programação do projeto. A escolha deverá ser baseada nas características, performance e custo, embora a diferença de custoseja muito pequena para os sistemas on-line, e o mesmo deverá ser pesado contra as inúmeraseconomias que poderá se ter durante o ciclo do projeto. Em alguns casos, o sistema de controle e asfontes de alimentação associadas não estarão disponíveis durante a construção e pré-comissionamento e portanto, um sistema de diagnóstico portátil avançado, um software analítico euma fonte de alimentação fieldbus portátil será a única opção. Assegurando-se que o sistema decontrole e ao menos as fontes de alimentação com equipamento de diagnóstico avançado sãoinstalados em qualquer estágio durante o ciclo de vida do projeto, consideráveis reduções de custo etempo existirão.

A tabela abaixo resume as diferenças entre os dispositivos de diagnóstico da camada físicadisponíveis hoje no mercado:


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poderiam ser mais confiáveis que o modelo equivalmente 4-20mA. Além disso, implementando odiagnóstico avançado on-line e relatórios, quando comparado com as alternativas, irão resultar emuma redução significativa dos custos capitais e operacionais.

8 Referências

Diagnóstico Avançado On-line da Camada FísicaRogoll, GuntherGerente Sênior de Tecnologia Fieldbus P+FKitchener, RenEspecialista de Tecnologia Fieldbus P+F

9 Autores

Sr. Lutz LiebersDiretor Global de Contas e Projetos

Empresa: Pepperl+Fuchs GmbHDepartamento: Automação de ProcessosTelefone: +49 621 776-1360Fax: + 49 621 776-1140E-Mail: [email protected]

diagnostico em fieldbus

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