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treinamento em redes profibus
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Apostila do Treinamento Noções de Aplicação de Profibus DP/PA em Projetos de Automação - Instalação
Versão 1.0 Outubro 2008
Autoria: Dennis Brandão Centro de Competência Profibus Laboratório de Automação Industrial – EESC/USP Av. Trabalhador Sancarlense, 400 São Carlos, SP Fone: (16) 3373-9357 [email protected]
Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação pode ser reproduzida ou utilizada sem a prévia permissão por escrito do
autor.
Introdução
1.1. 1 - Protocolos de Comunicação
Protocolos de comunicação definem a forma como duas ou mais
estações ou dispositivos trocam dados usando mensagens ou “frames”
em uma rede de computadores ou de campo. Um frame de dados
contém diferentes campos para informações de controle e para dados. O
campo de dados é precedido por um cabeçalho que contém, em geral,
os endereços fonte e destino e detalhes da mensagem, e é seguido por
campos de segurança e de verificação de dados destinados à verificação
e ao reconhecimento de falhas de transmissão.
Uma característica das redes de campo é que elas possibilitam uma
transmissão eficiente de pequenos volumes de dados em tempos críticos
de forma sincronizada com a aplicação ou com o sistema controlado.
Alguns dos requisitos mais importantes de projeto de redes de
campo estão relacionados aos seguintes fatores:
a) Acesso ao barramento
Controle de acesso de barramento (MAC, Medium Access Control) é
o procedimento específico que determina quando uma estação pode
transmitir dados. Enquanto estações ativas podem iniciar a troca de
informações, estações passivas podem somente iniciar a comunicação
quando solicitadas por uma estação ativa.
Uma distinção é feita entre procedimentos controlados de acesso
determinístico com capacidade de tempo real (ex. mestre-escravo no
PROFIBUS) e procedimentos de acesso randômico e não determinísticos
(ex. CSMA/CD na Ethernet).
b) Endereçamento
Endereçamento é necessário para seletivamente identificar uma
estação. Para este propósito, o endereçamento das estações pode ser
realizado por uma chave de endereço (endereçamento por hardware) ou
através de parametrização durante o comissionamento (endereçamento
por software).
c) Serviços de comunicação
Os Serviços de Comunicação cumprem as tarefas de comunicação
de dados das estações cíclica ou aciclicamente. O número e tipo destes
serviços são critérios para a seleção de um protocolo de comunicação.
Uma distinção é feita entre serviços de conexão orientada (com
procedimentos de handshake e monitoração) e serviços sem conexão. O
segundo grupo inclui mensagens de multicast e broadcast que são
enviadas para um grupo específico ou para todas as estações
respectivamente.
d) Perfis
Perfis ou “Profiles” são utilizados na tecnologia de automação para
definir propriedades específicas e comportamento para os dispositivos,
famílias de dispositivos ou o sistema inteiro. Somente dispositivos e
sistemas que utilizam perfis, independentemente do fabricante, provem
interoperabilidade e explorando, assim, completamente as vantagens de
uma rede de campo.
Perfis de aplicação (application profiles) referem-se principalmente
a dispositivos (dispositivos de campo, de controle e ferramentas de
integração) e incluem uma seleção de comunicação de rede e de
aplicações específicas nos dispositivos.
Este tipo de perfil prove a fabricantes uma especificação para o
desenvolvimento de dispositivos interoperáveis em conformidade com
seu perfil de aplicação.
Perfis de sistema (system profiles) descrevem classes de sistemas
que incluem funcionalidade, interfaces de programa e ferramentas de
integração.
1.2. 2 – O modelo de referência ISO/OSI
Um modelo de referência descreve uma estrutura para protocolos
de comunicação entre as estações de um sistema. Para que um modelo
funcione efetivamente, são utilizadas regras, operações e interfaces de
transferência de dados e serviços dentro do protocolo.
De 1978 a 1983, o International Organization for Standardization
(ISO) desenvolveu o modelo de referência OSI (Open Systems
Interconnection Reference Model) para este propósito. Este protocolo
define os elementos, estruturas e tarefas requeridas para comunicação e
as organiza em sete camadas.
Cada camada deve cumprir uma função específica dentro do
processo de comunicação. Se um sistema de comunicação não requerer
alguma destas funções específicas, a camada correspondente não tem
propósito e não é utilizada. O PROFIBUS utiliza as camadas 1, 2 e 7.
Figura 1 – Modelo de Referência ISO/OSI
1.3. 3 - Padronização internacional e normas utilizadas
A padronização internacional para sistemas de rede de campo
torna-se importante em um mercado com diversidade de protocolos e
sistemas, de forma a se ampliar a aceitação e o estabelecimento de
dispositivos interoperáveis. O PROFIBUS obteve padronização nacional
em 1991/1993 sob a DIN 19245, partes 1 a 3 e alcançou a padronização
européia em 1996 com a EN 50170.
Junto com outros sistemas de rede campo, PROFIBUS foi
padronizado na IEC 61158 em 1999 e recebeu atualizações em 2002, tal
norma é denominada “Digital data communication for measurement and
control – Fieldbus for use in industrial control systems” ou Comunicação
digital de dados para medição e controle – Redes de campo para uso em
sistemas de controle industrial.
Atualmente, os mais modernos desenvolvimentos em PROFIBUS e
PROFInet estão incorporados nesta norma.
A IEC 61158 divide-se em 6 partes que são nomeadas como
61158-1, 61158-2, etc. O conteúdo da parte 1 é a sua introdução
enquanto as partes seguintes são orientadas ao modelo de referencia
OSI, camadas 1, 2 e 7, conforme a tabela a seguir.
Documento IEC 61158
Conteúdo Camada OSI
IEC 61158-1 Introdução
IEC 61158-2 Physical layer specification and service definition 1
IEC 61158-3 Data-Link service definition 2
IEC 61158-4 Data-Link protocol specification 2
IEC 61158-5 Application layer service definition 7
IEC 61158-6 Application layer protocol specification 7
Tabela 1 -Divisões da IEC 61158
As várias partes da IEC 61158 definem os numerosos serviços e
protocolos para comunicação entre estações que são considerados como
o conjunto total disponível, do qual uma seleção específica
(subconjunto) compreende redes de campo específicas.
O fato que uma grande gama de diferentes sistemas de rede de
campo estar disponível no mercado é reconhecida na IEC 61158 pela
definição de 10 tipos de protocolos de redes de campo, nomeadas de
Tipo 1 a Tipo 10. PROFIBUS é tipo 3 e PROFInet tipo 10.
Na IEC 61158 nota-se que a comunicação de rede, por definição, é
possível somente entre dispositivos que pertençam ao mesmo tipo de
protocolo.
A IEC 61784, norma complementar, tem o título “Profile sets for
continuous and discrete manufacturing relative to fieldbus use in
industrial control systems” ou Conjunto de perfis para fabricação
contínua e discreta relativo ao uso de redes de campo em sistemas de
controle industrial.
É apresentada uma declaração sobre a IEC 61158 através do
seguinte comentário introdutório: “Este padrão internacional (IEC
61784) especifica um conjunto de perfis de protocolos de comunicação
baseados na IEC 61158, para serem utilizados no desenvolvimento de
dispositivos envolvidos na comunicação de controle de processos e
fabricação de manufaturas”.
A IEC 61784 descreve qual subconjunto, do conjunto total
disponível de serviços e protocolos especificados na IEC 61158 (e outros
padrões), é utilizado por um sistema específico de comunicação de rede
de campo. Os perfis específicos de comunicação de rede de campo
determinados desta maneira são resumidos nas Famílias de Perfis de
Comunicação (CPF – Communication Profile Families) de acordo com sua
implementação no sistema individual de rede de campo.
O conjunto de perfis implementado com PROFIBUS é resumido sob
a designação de Família 3, com subdivisões 3/1, 3/2 e 3/3. A tabela 2
mostra sua declaração para PROFIBUS e PROFInet.
Conjunto de Perfis
Link de Dados Camada Física
Implementação
Perfil 3/1 Subconjuntos da IEC 61158 Transmissão assíncrona
RS485 Plastic fiber Glass fiber PCF fiber
PROFIBUS
Perfil 3/2 Subconjuntos da IEC 61158 Transmissão síncrona
MBP PROFIBUS
Perfil 3/3 ISO/IEC8802-3 TCP/UDP/IP/Ethernet
ISO/IEC 8802-3
PROFInet
Tabela 2 – Propriedades da Família do Perfil de Comunicação CPF3 (PROFIBUS)
Tecnologia PROFIBUS
PROFIBUS é um sistema de comunicação digital aberto, com uma
extensa gama de aplicações, particularmente nos campos de fabricação
de manufatura e automação de processo. PROFIBUS atende aplicações
rápidas com tempos críticos, bem como tarefas complexas de
comunicação.
A comunicação de PROFIBUS é baseada nos padrões internacionais
IEC 61158 e IEC 61784. Os aspectos de engenharia e aplicação são
especificados nas diretrizes gerais e documentos técnicos disponíveis
aos associado da Organização PROFIBUS. Isto cumpre a demanda do
usuário para independência de fabricante e assegura comunicação entre
dispositivos de vários fabricantes.
1.4. 1 - Estrutura PROFIBUS
Os sistemas PROFIBUS têm estrutura modular e oferecem uma
gama de tecnologias de comunicação, numerosas aplicações e perfis de
sistema, bem como ferramentas de administração de dispositivo. Assim,
cobrem as diversas demandas e aplicações específicas no campo de
fabricação de manufatura e automação de processos.
Do ponto de vista tecnológico, o mais baixo nível (comunicações)
da estrutura do sistema PROFIBUS está baseado no modelo de
referencia ISO/OSI antes mencionado. A figura a seguir contém a
implementação do modelo OSI (camadas 1, 2 e 7) no PROFIBUS com
detalhes em como as camadas são implementadas e especificadas
individualmente.
Figura 2 – Estrutura técnica do sistema PROFIBUS
Especificações combinadas entre os fabricantes e usuários sobre
aplicações específicas de dispositivo são organizado sobre a camada 7
em perfis de aplicação I e II.
Do ponto de vista do usuário PROFIBUS apresenta-se na forma de
diferentes aplicações típicas com suas ênfases principais que não são
definidas especificamente, mas tem se comprovado útil como resultado
de aplicações freqüentes.
Cada aplicação típica resulta de uma combinação de elementos
modulares dos grupos "tecnologia de transmissão", "protocolo de
comunicação" e "perfil de aplicação". Os seguintes exemplos, vistos na
figura 3, ilustram este princípio:
• PROFIBUS DP é a ênfase principal para automação de
fabricação de manufatura. Ele utiliza a tecnologia de
transmissão rápida RS485, uma das versões (V0, V1 ou V2)
do protocolo de comunicação DP e um ou mais perfis de
aplicação típicos de automação de fabricação como sistemas
de identificação ou robôs e comandos numéricos.
• PROFIBUS PA é a ênfase principal para automação de
processos, tipicamente com tecnologia de transmissão MBP-
IS com segurança intrínseca e alimentação dos dispositivos
pelo barramento de dados, protocolo de comunicação DP-V1
e o perfil de aplicação de dispositivos PA.
Figura 3 – Exemplos típicos de aplicações orientadas de PROFIBUS
a) Tecnologias de transmissão
RS485 é a tecnologia de transmissão geralmente utilizada no
Profibus DP. Utiliza um cabo de par trançado blindado e alcança taxas
de transmissão de até 12 Mbits por segundo.
A versão especificada recentemente RS485-IS, foi concebida como
um meio de transmissão com um cabo de quatro fios com tipo de
proteção EEx-i para utilização em áreas potencialmente explosivas. Os
níveis especificados de tensão e de corrente referem-se aos valores
máximos relativos à segurança e não devem ser excedidos nos seus
dispositivos individuais ou durante a conexão no sistema. Ao contrário
do modelo FISCO, no qual o sistema tem somente uma fonte
intrinsicamente segura, neste caso todas estações representam fontes
ativas.
A tecnologia de transmissão MBP (Manchester Coded, Bus Powered,
designação prévia "IEC 1158-2 - Physics") está disponível para
aplicações em automação de processos com uma demanda para redes
de campo energizadas e com equipamentos intrinsecamente seguros.
Comparados aos procedimentos anteriormente utilizados, o
“Fieldbus Intrinsically Safe Concept” (FISCO) tem desenvolvimento
especial para interconexão de dispositivos de rede de campo
intrinsecamente seguros, consideravelmente simplifica o planejamento e
a instalação.
Transmissão em Fibra Óptica é utilizada para uso em áreas com
alta interferência eletromagnética ou onde são requeridas maiores
distâncias de rede.
b) Protocolos de comunicação
No nível de protocolo, PROFIBUS DP com suas versões o DP-V0 a
DP-V2 oferece um grande espectro de opções de comunicação entre
aplicações diferentes. Historicamente, o FMS foi o primeiro protocolo de
comunicação PROFIBUS, sua aplicação foi descontinuada e substituída
pelo protocolo DP, após a especificação de troca assíncrona de dados no
DP.
DP (Decentralized Periphery) é um meio de troca de dados de
processo simples, rápido, cíclico e determinístico entre o mestre de rede
e os seus declarados dispositivos escravos. A versão original, declarada
como DP-V0, foi expandida para incluir a troca de dados acíclica entre
mestres e escravos, o que resultou na versão DP-V1. Uma posterior
versão, DP-V2 também está disponível o qual também prove
comunicação direta de escravo para escravo com ciclo de rede isócrono.
O protocolo de acesso ao barramento, camada 2 ou camada de
enlace (data link), define os procedimentos entre mestres e escravos e
os procedimentos de passagem de token para coordenação de vários
mestres na rede (figura 4). As funções da camada 2 também incluem
segurança dos dados e manuseamento dos frames de dados.
Muitas companhias oferecem chips ASIC que implementam
totalmente ou parcialmente o protocolo DP, tais chips são encontrados
em grande parte dos produtos PROFIBUS disponíveis no mercado.
A camada de aplicação, camada 7, define a forma e a interface para
o programa de aplicação. Ela oferece vários serviços para troca de
dados cíclica e acíclica.
Figura 4 – Configuração PROFIBUS com mestres ativos e escravos
c) Perfis
Perfis são as especificações definidas pelos fabricantes e usuários.
Especificações de Perfis definem os parâmetros e comportamento de
dispositivos e sistemas que pertencem a uma família de perfil construída
nos moldes de desenvolvimento e de conformidade, o qual facilita a
interoperabilidade de dispositivos, e em algumas instâncias,
intercambeabilidade de dispositivos na rede. Perfis levam em conta a
aplicação e as características especiais específicas do tipo dos
dispositivos de campo, controles e métodos de integração (engenharia).
O termo Perfil varia de somente algumas especificações para uma classe
específica de dispositivos até abrangentes especificações para
aplicações em uma indústria específica. O termo genérico utilizado para
todos os perfis é Perfis de Aplicação.
Uma distinção é feita então entre:
Perfis Gerais de Aplicação com opções de implantação em
diferentes aplicações (isto inclui, por exemplo, PROFIsafe, Redundância
e Time Stamp);
Perfis Específicos de Aplicação, o qual são desenvolvidos para
aplicações específicas como PROFIdrive, SEMI ou dispositivos PA e
Perfis de Sistema o qual descreve o desempenho específico do
sistema que está disponível para os dispositivos de campo.
1.5.
Transmissão de dados - camada física PROFIBUS
a) RS485
O padrão RS485 é a tecnologia de transmissão mais
freqüentemente encontrada no PROFIBUS. Sua aplicação inclui todas as
áreas nas quais uma alta taxa de transmissão aliada à uma instalação
simples são necessárias. Um par trançado de cobre blindado com um
único par condutor é o suficiente neste caso.
O uso de par trançado não requer nenhum conhecimento ou
habilidade especial. A topologia, por sua vez, permite a adição e
remoção de estações, bem como uma colocação em funcionamento do
tipo passo-a-passo, sem afetar outras estações. Expansões futuras,
portanto, podem ser implementadas sem afetar as estações já em
operação.
Uma nova opção é a habilidade de RS485 também operar em áreas
intrinsecamente seguras.
Taxas de transmissão entre 9.6 kbit/sec e 12 Mbit/sec podem ser
selecionadas, porém uma única taxa de transmissão é selecionada para
todos dispositivos no barramento, quando o sistema é inicializado.
Até 32 estações podem ser conectadas diretamente. O máximo
comprimento de linha permitido depende da taxa de transmissão. Estas
e outras propriedades estão resumidas na tabela 5.
Todos os dispositivos são ligados a uma estrutura de tipo
barramento linear. O barramento contém um circuito terminador ativo
no início e no fim de cada segmento. Para assegurar uma operação livre
de erros, ambas as terminações do barramento devem estar sempre
energizadas, garantindo-se assim potencial pré-determinado de circuito
aberto no barramento. Normalmente estes terminadores encontram-se
nos próprios conectores de barramento ou nos dispositivos de campo,
acessíveis através de uma dip-switch. No caso em que mais que 32
estações necessitem ser conectadas ou no caso em que a distância total
entre as estações ultrapasse o limite estabelecido, devem ser utilizados
repetidores (repeaters) para se interconectar diferentes segmentos do
barramento.
Figura 5 – Fiação e terminação de rede para tecnologia de transmissão RS485
A tabela 4 indica a pinagem completa em conectores PROFIBUS DP
do tipo DB de 9 pinos:
Pino Sinal Significado 1 Shield Blindagem 2 M24 Referência para 24V 3 RxD/TxD-P * Receive/Transmission + (vermelho) 4 CNTR-P Sinal de controle para repetidores (direção) 5 DGND * Referência para 5V
6 VP * +5V 7 P24 +24V 8 RxD/TxD-N * Receive/Transmission – (verde) 9 CNTR-N Sinal de controle para repetidores (direção)
* Sinais obrigatórios
Tabela 3 – Pinagem em conectores SUB D de 9 pinos
A blindagem do cabo deve ser conectada à blindagem do conector
para prevenir o acoplamento de ruídos eletromagnéticos no sinal. Cada
estação escrava deve ter, portanto, um conector fêmea DB de 9 pinos e
fornecer para a linha os potenciais de 5V (VP) e DGND através dos pinos
6 e 5 de forma a ser adequada a operação dos terminadores de linha.
O sinal 5V (VP) deve ser capaz de entregar no mínimo 10mA para
alimentar os terminadores de linha, que podem estar fisicamente
localizados no conector (usualmente) ou no próprio transmissor.
Figura 6 – Exemplo de conector PROFIBUS DP tipo DB de 9 pinos
No caso de redes com taxas de comunicação superiores a 1.5
Mbits/s, a seguinte configuração de terminação deve ser utilizada para
se compensar reflexões de sinal causadas pela carga capacitiva das
estações:
Figura 7 – Conector e pinagem para altas taxas de transmissão
Diferentes tipos de cabos (designados de tipos A – D) para
diferentes aplicações estão disponíveis no mercado para conectar
dispositivos e elementos de rede (acopladores de segmento, links e
repetidores). Quando se utiliza o RS485, a PROFIBUS Internacional (PI)
recomenda o uso de cabo tipo A.
B A B A
390Ω 220Ω 390ΩVp DGND
L = 110nH cada
TxR N
TxR P
Taxa de transmissão (Kbit/s) Alcance do seguimento (m)
9.6; 19.2; 45.45 1200 93.75; 187.5 1000
500 400 1500 200
3000; 6000; 12000 100 Estes valores referem-se à utilização de cabo tipo A, com as seguintes características: Impedância: 150 Ohm (3 a 20 MHz) Capacitância: < 30 pF/m Resistência de Loop: < 110 Ohm/Km Diâmetro do condutor: > 0,64 mm Área do condutor: > 0,32 mm2
Tabela 4 – Tipos de cabos e taxas de transmissão e alcance para cabo tipo A
A capacitância típica de um transmissor conectado (conector, driver
RS485, componentes, etc.) é de 15 a 25 pF. Se um conector alternativo
ao DB9 fêmea for utilizado, o fabricante deve garantir que os níveis de
reflexão não extrapolem os limites definidos por norma.
Durante a instalação, observe atentamente a polaridade dos sinais
positiva e negativa de dados (pinos 3 e 8). O uso da blindagem é
absolutamente essencial para se obter alta imunidade contra
interferências eletromagnéticas. A blindagem por sua vez deve ser
conectada ao sistema de aterramento em ambos os lados através de
bornes de aterramento adequados. Adicionalmente recomenda-se que
os cabos de comunicação sejam mantidos separados dos cabos de alta
voltagem, com uma distância mínima de 50cm. O uso de cabos de
derivação deve ser limitado a 500m nas taxas de comunicação até 18,2
Kbit/s, 100m em 93,75 Kbit/s, 20m a 500 Kbit/s e 6,6m a 1.5 Mbit/s e
evitado para taxas de transmissão acima de 1,5 Mbits/s, e, conforme
citado anteriormente, é necessário o uso de terminadores de
barramento. Os conectores disponíveis no mercado permitem que o
cabo do barramento entre e saia diretamente no conector, permitindo
assim que um dispositivo seja conectado e desconectado da rede sem
interromper a comunicação.
Para conexões em locais com grau de proteção IP20, utilizam-se
conectores tipo DB9, já no caso de grau de proteção IP65/67, existem
três alternativas para a conexão:
• Conector circular M12 (IEC 947-5-2);
• Conector HAN-BRID, conforme recomendação DESINA;
• Conector híbrido SIEMENS.
Nota-se que quando problemas ocorrem em uma rede PROFIBUS,
cerca de 90% dos casos são provocados por incorreta ligação e/ou
instalação. Estes problemas podem ser facilmente solucionados com o
uso de equipamentos de teste, os quais detectam falhas nas conexões.
É possível conectar até 126 estações em um sistema PROFIBUS.
Para ser capaz de operar com este número de estações, o sistema deve
ser dividido em segmentos individuais, conectados por repetidores. Em
cada segmento podem se conectar até 32 estações, inclusive o
repetidor. É possível a configuração de segmentos sem estações, de
forma a cobrir longas distâncias. Com o uso de fibras óticas, é possível
que estações escravos se distanciem alguns kilômetros.
Redes PROFIBUS DP trocam dados segundo a codificação NRZ (Non
Return to Zero), onde o nível de tensão na linha não se anula durante
transmissão de bits 0 ou 1 ou durante os períodos entre mensagens.
No PROFIBUS, um caractere é formado por 11 bits (1 start bit, 8
bits de dados, 1 bit de paridade e 1 stop bit).
Figura 8 – Codificação NRZ
b) Codificação MBP
O MBP (Manchester Coded Bus Powered) é o protocolo da camada
física utilizada em redes PROFIBUS PA. Apresenta os seguintes
atributos:
• Codificação “Manchester Coded” (M), e
• Barramento energizado (“Bus Powered”, BP) entre 9 e 32Vcc.
Esta codificação é adotada para a transmissão em sistemas
intrinsecamente seguros conforme as normas “IEC 61158-2”.
Figura 9 - Codificação Manchester
A MBP é uma transmissão síncrona com uma taxa de transmissão
definida em 31.25 Kbit/s e codificação Manchester modulada em
corrente (750mV a 1V sobre uma carga equivalente de 50Ω). Esta
tecnologia de transmissão é freqüentemente utilizada em automação de
processos por ser projetada para, e satisfazer, as demandas
fundamentais de indústrias desta natureza. As características desta
tecnologia de transmissão são resumidas na tabela 5. Isto significa que
PROFIBUS também é adequado para áreas potencialmente explosivas e
pode ser intrinsecamente seguro.
MBP RS485 RS485-IS Fibra Óptica Transmissão de dados
Digital, síncrona,
codificação Manchester
Digital, assíncrona,
sinais diferenciais,
NRZ
Digital, assíncrona,
sinais diferenciais, NRZ
Óptica, digital, NRZ
Taxa de Transmissão
31.25Kbits/s 9.6Kbits/s a 12Mbits/s
9.6Kbits/s a 1.5Mbits/s
9.6Kbits/s a 12Mbits/s
Segurança Preâmbulo, HD=4, bit de HD=4, bit de HD=4, bit de
dos dados proteção de erros,
delimitadores de início e fim
paridade, delimitadores
de início e fim,
checksum
paridade, delimitadores de
início e fim, checksum
paridade, delimitadores
de início e fim,
checksum Cabo Par trançado
blindado Par trançado blindado, tipo
A
Par trançado blindado, 4 fios,
tipo A
Fibra Óptica multímodo ou monomodo, PCF, plástica
Tipo de proteção
Intrinsecamente segura (Eex
ia/ib)
Nenhuma Intrinsecamente segura (Eex ib)
Nenhuma
Topologia Linha e árvore com
terminação, podem ser combinadas
Linha com terminação
Linha com terminação
Estrela, anel e em linha
Número de estações
Até 32 estações por segmento, máximo de 126
por rede
Até 32 estações por segmento
sem repetidores, máximo de
126 por rede com
repetidores
Até 32 estações por segmento
sem repetidores, máximo de 126 por rede com repetidores
Até 126 estações por
rede
Número de repetidores
Máximo de 4 repetidores
Máximo de 9 repetidores
Máximo de 9 repetidores
Ilimitado
Tabela 5 – Tecnologias de transmissão (camada física) em PROFIBUS
Estruturas em árvore ou linear (e combinação das duas) são
topologias de rede suportadas pelo PROFIBUS com transmissão MBP.
Em uma estrutura linear, as estações são conectadas ao cabo ou
barramento principal através de conectores do tipo T, ou caixas de
junção. A estrutura em árvore pode ser comparada à técnica clássica de
instalação em campo. O painel de distribuição continua a ser utilizado
para a conexão dos dispositivos de campo e para a instalação dos
terminadores de barramento. Quando uma estrutura em árvore é
utilizada, todos os dispositivos de campo conectados ao segmento de
rede são interligados em paralelo no distribuidor.
Independente da topologia utilizada, o comprimento da derivação
da ligação deverá ser considerado no cálculo do comprimento total do
segmento. Uma derivação não deve ultrapassar 120m em aplicações em
áreas seguras ou 30m em aplicações em áreas classificadas.
Exemplos de ligações em árvore, linha ou combinação delas são
mostrados nas figuras 10a a 10d.
Figura 10a – Topologia PROFIBUS PA em árvore ou estrela
Figura 10b – Topologia PROFIBUS PA em linha ou tronco
Figura 10c – Topologia PROFIBUS PA em linha e árvore
Figura 10d – Topologia PROFIBUS PA com a utilização de repetidores
Um par de fios blindados é utilizado como meio de transmissão, de
acordo com as especificações apresentadas na tabela 6.b. Ambas as
terminações do cabo principal do barramento devem ser equipados com
um terminador passivo de linha que consiste em um elemento RC em
série com R=100 Ω e C=1 µF. Tanto os couplers quanto os links
possuem o terminador de barramento integrados. Uma ligação com a
polaridade invertida no barramento não afetará o correto funcionamento
do mesmo, somente se os dispositivos de campo forem equipados com
sistemas automáticos de detecção de polaridade.
Figura 11 – Terminador passivo MBP
O número de estações que pode ser conectado a um segmento é
limitado a 32. Este número pode ser ainda mais reduzido em função do
tipo de classe de proteção à explosão. Em redes intrinsecamente
seguras, tanto a tensão máxima quanto a corrente máxima de
alimentação são especificadas dentro de limites claramente definidos.
Observe na tabela 6.a que mesmo nos casos em que a segurança
intrínseca não é utilizada, a potência da fonte de alimentação é limitada.
Tipo Área de Aplicação
Alimentação Corrente Máxima
Potência Máxima
No. Típico de
Estações I Eex ia/ib IIC 13.5V 110mA 1.8W 8 II Eex ib IIC 13.5V 110mA 1.8W 8 III Eex ib IIB 13.5V 250mA 4.2W 22 IV Não
intrinsecamente seguro
24V 500mA 12W 32
Esta especificação é baseada em consumo de 10 mA por dispositivo (típico).
Tabela 6.a – Alimentação padrão
Especificação Valores Tipo de Cabo 0,8 mm2 (AWG 18) Impedância 100 Ohm +- 20% (a 31,25KHz) Resistência em Loop 44 Ohm/Km Diâmetro 0,8 mm
Capacitância Máx 2 nF/Km Atenuação Máx 3 dB/Km Comprimento máximo 1900 m Cobertura da blindagem Min. 90%
Tabela 6.b – Especificação de cabo PA
De modo geral, para determinar o comprimento máximo da linha,
calcula-se a corrente consumida pelos dispositivos de campo, seleciona-
se uma unidade de alimentação, conforme tabela 6, e determina-se o
comprimento de linha para o tipo de cabo selecionado conforme tabela
7. A corrente necessária é obtida da soma das correntes básicas dos
dispositivos de campo do segmento selecionado, somada a uma reserva
de corrente de 9 mA por segmento. Ressalta-se que a distância mínima
recomendável entre cabos de energia e cabos PROFIBUS PA deve ser de
50cm.
Tipo I Tipo II Tipo III
Tipo IV Tipo IV Tipo IV
Tensão (v) 13.5 13.5 13.5 24 24 24 Soma das Correntes necessárias (mA)
≤110 ≤110 ≤250 ≤110 ≤250 ≤500
Comprimento da linha para seção de 0.8mm2 (m)
≤900 ≤900 ≤400 ≤1900 ≤1300 ≤650
Comprimento da linha para seção de 1.5mm2 (m)
≤1000 ≤1500 ≤500 ≤1900 ≤1900 ≤1900
Tabela 7 - Comprimentos de Linha para IEC 61158-2
A conexão em um barramento intrinsecamente seguro de
dispositivos alimentados pelo barramento e de dispositivos alimentados
externamente é possível somente se os dispositivos alimentados
externamente forem equipados com isolamento apropriado de acordo
com EN 50020. Deve ser considerada, entretanto, no cálculo da corrente
total, a corrente que o dispositivo com alimentação externa consome do
barramento.
O aterramento da malha de blindagem do cabo PROFIBUS PA deve
ser em um único ponto no terminal negativo da fonte de alimentação do
barramento, e não deve existir contato metálico entre a blindagem do
cabo e as carcaças dos instrumentos de campo, que por sua vez são
aterradas localmente.
O modelo FISCO consideravelmente simplifica o planejamento,
instalação e expansão de redes PROFIBUS em áreas potencialmente
explosivas.
c) Conexões entre redes RS485 e MBP
A tecnologia de transmissão intrinsecamente segura, MBP,
normalmente é limitada a um segmento específico (dispositivos de
campo em áreas classificadas) da planta, a qual é interligada ao
segmento RS485 (sistema de controle e dispositivos de engenharia na
sala de controle) por um acoplador de segmento ou por um link device.
Acopladores de segmento, ou Couplers, são conversores de sinais
que modulam os sinais de RS485 aos níveis de sinal MBP e vice-versa.
Do ponto de vista do protocolo os acopladores são transparentes e
passivos. Se acopladores de segmento são utilizados, a velocidade do
segmento RS485 ficará limitada à uma taxa máxima, como por exemplo
93.75 Kbit/s.
Links, ao contrário, têm sua própria inteligência. Eles mapeiam
todos os dispositivos de campo conectados ao segmento MBP e se
comportam como um simples escravo no segmento RS485. Neste caso
não existe limitação de velocidade no segmento RS485 o que significa
que é possível implementar redes rápidas, por exemplo, para funções de
controle, incluindo dispositivos de campo conectados em MBP.
Figura 12 – Topologia da planta com barramento de dispositivos de campo
energizados usando tecnologia de transmissão MBP
d) Fibra Óptica
Algumas condições de aplicações de rede de campo impõem
restrições à tecnologia de transmissão limitada por fios como as em
ambientes com alta interferência eletromagnética ou quando uma
grande distância necessita ser alcançada. A transmissão por fibra óptica
ou condutores ópticos (FOC ou Fibre-Optic Cable) é apropriada nesses
casos. A orientação PROFIBUS 2022 para a transmissão em fibra óptica
especifica a tecnologia disponível para esse propósito sem a necessidade
de alteração do comportamento do protocolo PROFIBUS, isto assegura a
compatibilidade retroativa com instalações existentes PROFIBUS.
Os tipos suportados de fibra óptica são apresenados na tabela 8. As
características de transmissão suportam estruturas do tipo estrela, anel
e linear.
Nos casos mais simples de redes sobre fibra óptica a
implementação é dada utilizando-se conversores elétrico-óptico (OLPs
ou Optical Link Plugs) conectados ao barramento RS485 e à fibra óptica.
Isso possibilita que se alterne entre RS485 e transmissão de fibra óptica
dentro de uma planta, dependendo das circunstâncias.
Existe no mercado existe um chip ASIC (Fiber Optical
Communication System Interface) com porta FOC, fornecido pela
Siemens, entretanto com esta tecnologia só é possível a configuração de
topologias do tipo em linha. Para a configuração de tipologias em anel, é
necessário o uso de repetidores que realizam a conversão do sinal.
Tipo da Fibra Diâmetro do núcleo (µm)
Alcance
Fibra de vidro multimodo 62.5/125 2 a 3 Km Fibra de vidro monomodo
9/125 > 15 Km
Fibra plástica 980/1000 < 80 m Fibra HCS 200/230 Até 500 m
Tabela 8 – Características das fibras ópticas
Anexo I1
1 - Tempos de operação da rede profibus
Segundo as normas PROFIBUS, para que a rede funcione de modo
adequado, sem colisões, atraso ou tempo ocioso, é definido um grupo
de parâmetros referente a tempo, que, obrigatoriamente, deve ser
obedecido por todas as estações-mestres e estações-escravas da rede.
Estes parâmetros de tempo são usados pelo FDL no gerenciamento
do tráfego de mensagens no barramento; alguns deles são calculados
pelo próprio FDL, enquanto outros são ajustados pelo usuário ou
calculados automaticamente através de ferramentas de configuração.
A unidade usada na medição desses parâmetros é a tBIT, o que
indica que qualquer outra unidade deve ser convertida para tBIT.
BIT TIME - tBIT
Bit Time é o tempo de transmissão de um bit, parâmetro
diretamente relacionado ao baud rate em bit/s
tBIT = 1 / baud rate (Baud rate in Bits/s)
SLOT TIME (TSL)
1 Valéria Paula Venturini. Desenvolvimento de um mestre PROFIBUS com a
finalidade de análise de desempenho. Dissertação (Mestrado) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2007.
O Slot Time (TSL) define o tempo máximo aguardado por um
reconhecimento ou resposta, após transmissão da mensagem. Se esse
tempo se expirar antes do reconhecimento ou resposta, a estação que
fez a requisição deve repetir o pedido, respeitando o número de
retransmissões suportadas.
LARGEST STATION DELAY RESPONDER (maxTSDR)
Máximo tempo que um escravo necessita para responder a uma
mensagem. Deve ser menor que o TSL.
SMALLEST STATION DELAY RESPONDER (minTSDR)
Mínimo tempo que um escravo espera para responder a uma
mensagem, este parâmetro é configurado no escravo pelo mestre.
Tipicamente é de 11 tBIT.
QUIET TIME (TQUI)
Tempo que a eletrônica ou o software do emissor de uma
mensagem leva para ligar o modo de escuta ou de recepção após o
envio da mensagem. Este parâmetro deve ser configurado em situações
de reflexões de sinais. Tipicamente é de 0 tBIT.
SETUP TIME (TSET)
É um tempo de espera adicional que começa a ser contado antes
do envio de uma mensagem. Geralmente é configurado em redes com
couplers DP/PA ou outros conversores de mídia. Deve ser configurado
no dispositivo que necessita de um tempo de setup longo (de acordo
com o manual).
DELIVERY DELAY (TID)
Tempo que um dispositivo leva para envias dados de rede para seu
software de aplicação.
TARGET ROTATION TIME (TTR)
O parâmetro Target Rotation Time (TTR) define o tempo máximo
esperado para que o token circule entre todas as estações-mestres do
anel e retorne ao seu mestre inicial, no entanto, alguns fatores podem
influenciar no tempo de ciclo do token, como por exemplo, o baud rate,
número de mestres e de escravos com troca de dados cíclicos.
O ajuste do TTR deve ser feito pelo usuário ou automaticamente
pela ferramenta de configuração e deve assegurar que cada estação-
mestre do anel disponha de tempo suficiente para executar suas tarefas
de comunicação.
Tqui
min TSDR
max TSDR
Response Frame
Tid1
Request Frame
GAP UPDATE TIME (TGUD)
O parâmetro Gap Update Time (TGUD) determina o momento em
que se deve iniciar a atualização da GAPL. Se durante a rotação do
token não houver tempo suficiente para manutenção da rede, deve-se
atualizar o GAPL na próxima rotação do token.
TGUD = GAPFATOR * TTR.
O parâmetro GAPFATOR deve ser configurado pelo o usuário que
indicará o número de rotação do token, que deve ocorrer antes de se
expirar o tempo do TGUD.
HIGHEST STATION ADDRESS (HSA)
Este parâmetro refere-se ao máximo endereço na rede que um
mestre procurará por outros mestres. A diminuição deste endereço
torna o reconhecimento de mestres mais rápido. Um meste com
endereço maior que o HSA não será identificado na rede. O padrão é
126.
TIMEOUT TIME (TTO)
Se no decorrer do tempo definido por este parâmetro nenhuma
mensagem for transmitida no barramento, o temporarizador se expira e
um erro ocorre. Normalmente, um valor diferente para esse parâmetro
é definido para cada estação da rede, de acordo com o endereço das
mesmas.
MAXIMUM RETRIES (Max Retries Limit)
Ajusta o número de tentativas de envio quando um destinatário não
responde a mensagem. Deve ser aumentado pelo usuário em redes
expostas a altos níveis de distorção. O tempo de ciclo da rede é
prejudicado por repetições de mensagens.
WATCHDOG
Tempo de supervisão que o mestre envia para todos os escravos
que configura. Se dentro deste tempo o escravo configurado não for
solicitado pelo mestre, ele deixa o modo de troca de dados. Quando
calculado pela ferramenta de configuração, este tempo é de 6 x o pior
caso do tempo de ciclo.
2 - Estrutura das mensagens
O protocolo PROFIBUS disponibiliza cinco tipos de estruturas de
mensagens, todas elaboradas conforme o serviço.
Representação da estrutura das mensagens
A Figura a seguir mostra o significado de cada byte da mensagem.
Descrição dos bytes da mensagem
Bibliografia
Manfred Popp. The New Rapid Way to PROFIBUS DP. From DP-
V0 to DP-V2. PROFIBUS Nutzerorganisation e. V. 2003.
PROFIBUS Technology and Application. System Description. PROFIBUS International Support Center. 2002.
Valéria Paula Venturini. Desenvolvimento de um mestre PROFIBUS com a finalidade de análise de desempenho. Dissertação (Mestrado) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2007.
Roberto Pinelli e Dennis Brandão. Apostila do Treinamento Integradores Profibus. Associação Profibus do Brasil. 2007
