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Dicas de dimensionamento e instalação em redes Profibus PA

César Cassiolato, Gerente de Produtos, e Marcos Mesquita, Gerente Turnkey & Assistência Técnica, ambos da Smar Equipamentos Industriais Ltda.

Introdução

Com a tecnologia Fieldbus, os usuários podem ter diversos benefícios proporcionados pela tecnologia digital e, além disso, podem tirar vantagens e conseguir otimização e redução de custos de distribuição das redes, garantindo segurança e confiabilidade nas operações.



Para o sucesso de qualquer rede de automação e controle, a instalação deve ser criteriosa e dentro das especificações. Este artigo mostra alguns cuidados e práticas no dimensionamento e instalação que devem ser adotadas em redes Profibus PA, onde o meio físico está definido pelo padrão IEC61158-2.

 

Definição do meio físico H1

 

 

O Profibus PA são protocolos de comunicação digital bidirecional que permite a interligação em rede de vários equipamentos diretamente no campo, realizando funções de aquisição e atuação, assim como a monitoração de processos e estações (IHMs) através de softwares supervisórios.São baseados no padrão ISO/OSI, onde se tem as seguintes camadas: Physical Layer, Communication Stack e User Application, onde podemos citar o gerenciamento de forma abrangente com a aplicação e com advento de modelos baseados em Function Blocks (Blocos Funcionais) mais Device Descriptions (Descrição de Dispositivos). O Physical Layer (Meio Físico) é definido segundo padrões internacionais (IEC, ISA). Ele recebe mensagens da camada de comunicação (Communication Stack) e as converte em sinais físicos no meio de transmissão fieldbus e vice-versa, incluindo e removendo preâmbulos, delimitadores de começo e fim de mensagens.



O meio físico é baseado na IEC61158-2, onde podemos citar as seguintes características:
· Transferência de dados usando codificação Manchester, com taxa de 31.25 kbit/s.

 

· Para um sinal de comunicação integro, cada equipamento deve ser alimentado com, no mínimo, 9 volts. O meio físico H1 permite que se alimente os equipamentos via barramento. O mesmo par de fios que alimenta o equipamento também fornece o sinal de comunicação.
 

· Comprimento máximo de 1900m/seguimento sem repetidores.
 

· Usando-se até 4 repetidores, o comprimento máximo pode chegar a 9.5 Km.
 

· Um barramento Profibus PA sem segurança intrínseca e alimentação externa à fiação de comunicação dever suportar de 2 até 32 equipamentos em aplicação.
 

· O barramento Profibus PA deve ser capaz de se suportar vários equipamentos em aplicação com segurança intrínseca e sem alimentação:
- Explosion Group IIC: 9 equipamentos e,
- Explosion Group IIB: 23 equipamentos.

 

Obs: Pode-se ligar mais equipamentos do que foi especificado, dependendo do consumo dos equipamentos, fonte de alimentação e características das barreiras de segurança intrínseca, e modelo FISCO.
 

· Não interrupção do barramento com a conexão e desconexão de equipamentos enquanto estiver em operação.
 

· Topologia em barramento, árvore ou estrela ou mista.

 

O modelo FISCO tem as seguintes características:
a) ter um único elemento ativo (fonte de alimentação) no barramento de campo, localizado na área não-classificada;
b) os demais equipamentos na área classificada são passivos;
c) cada equipamento de campo deve ter consumo mínimo de 10mA;
d) em áreas Ex ia o comprimento máximo do barramento deve ser 1000m e em Ex ib, 1000m;
e) Em termos de cabo (sem restrições para cabeamento até 1000m) deve-se ter os seguintes parâmetros:
- R´:15 ... 150 Ohm/km
- L´: 0.4 ... 1 mH/km
- C´: 80 ... 200 nF/km

Cabo tipo A: 0.8mm2(AWG18) (*)

f) Em termos de terminação:
a. R = 90 ... 100 ohms
b. C = 0 ... 2.2 µF.

 

O conceito FISCO foi otimizado para que seja permitido um número maior de equipamentos de campo, de acordo com o comprimento do barramento, levando-se em conta a variação das características do cabo (R', L',C'), terminadores, atendendo categorias e grupos de gases com uma simples avaliação da instalação envolvendo segurança intrínseca. Com isto aumentou-se a capacidade de corrente por segmento e facilitou para os usuários a avaliação. Além disso, ao adquirirem produtos certificados não precisam se preocupar mais com cálculos, mesmo em substituição em operação.

 

 

Exemplo de sinal Fieldbus em modo tensão.

 

Exemplo de codificação Manchester.

 


A transmissão de um equipamento tipicamente fornece 10mA a 31.25kbit/s em uma carga equivalente de 50 Ohms criando um sinal de tensão modulado em 1.0 Volt pico a pico. A fonte de alimentação pode fornecer de 9 a 32 VDC, porém em aplicações seguras (IS) deve atender os requisitos das barreiras de segurança intrínseca.

 

Modo Tensão 31.25 kbit/s

 

O comprimento total do cabeamento é a somatória do tamanho do trunk (barramento principal) e todos os spurs (derivações maiores que 1m) sendo que com cabo do tipo A (*), é de no máximo 1900m em áreas não seguras. Em áreas seguras, é de no máximo 1000 m, com cabo tipo A e os spurs não podem exceder 30m.

 

Topologias

 

Em termos de topologia podemos ter os seguintes modelos, lembrando que estes exemplos são para uma rede Profibus PA: estrela (fig.4), barramento (fig.5) e ponto-a-ponto (fig.6). Na prática normalmente tem-se uma topologia mista:

 

 

Figura 4 - Topologia Estrela

 

 

Figura 5 - Topologia Barramento.

 

 

Figura 6 - Topologia Ponto-a-Ponto

 

 

Dimensionando o número de equipamentos em uma rede Profibus PA



Observe-a figura 7, onde temos uma arquitetura típica em Profibus.

 

Figura 7 – Arquitetura típica de uma rede Profibus.

 

Basicamente, podemos citar os seguintes elementos de uma rede Profibus:

 

1) Mestres (Masters): são elementos responsáveis pelo controle do barramento.Eles podem ser de duas classes:
· Classe 1: responsável pelas operações cíclicas (leitura/escrita) e controle das malhas abertas e fechadas do sistema de controle/automação (PLC).
· Classe 2: responsável pelos acessos acíclicos dos parâmetros e funções dos equipamentos PA estação de engenharia ou estação de operação: Simatic PDM CommuwinII, Pactware, FieldCare.



2) Acopladores (Couplers): são dispositivos utilizados para traduzir as características
físicas entre o PROFIBUS DP e o PROFIBUS PA (H1:31,25kbits/s).E ainda:
· São transparentes para os mestres (não possuem endereço físico no barramento);

 


· Atendem aplicações seguras (Ex) e (Non-Ex), definindo e limitando o número máximo de equipamentos em cada segmento PA. O número máximo de equipamentos em um segmento depende entre outros fatores, da somatória das correntes quiescentes e de falhas dos equipamentos (FDE) e distâncias envolvidas no cabeamento.


· Podem ser alimentados até 24 Vdc, dependendo do fabricante e da área de classificação.


· Podem trabalhar com as seguintes taxas de comunicação, dependendo do fabricante: P+F (93.75 kbits/s e SK2:12Mbits/s) e Siemens (45.45 kbits/s).

 

Supplier Siemens Siemens Siemens Pepperl+Fuchs Pepperl+Fuchs
Order Code 6ES7157-0AD00-0XA0 6ES7157-0AC00-0XA0 6ES7157-0AA00-0XA0 PA/Link KFD2-BR-Ex1.PA. KFD2-BR-1.PA.
"Ex" Eex ia IIC - Eex ia IIC Eex ia IIC -
Operating Voltage( V ) 12.5 19 ( 3 ) 12.6 22
Max. operating current ( mA ) 100 400 ( 3 ) 110 380
Max. Power ( W ) 1.8   ( 3 ) 1.93  
Max. line resistance ( ohm ) 35 25 ( 3 ) 32.7 34.2
Max. cable length ( m ) 1000 1900 ( 2 ) ( 3 ) 1000 ( 1 ) 1900 ( 2 )
DP baud rate 45.45 kbits/s 45.45 kbits/s Up to 12 Mbits/s 93.75 kbits/s 93.75 kbits/s
 
 

Table 1.1 - Supplier

( 1 ) Maximum cable for Eex ia IIC to 1000m.
( 2 ) Maximum value specified in IEC 1158-2
( 3 ) Both PA couplers from Siemens, 6ES7157-0AD00-0XA0 and 6ES7157-0AC00-0XA0 can be connected to the PA link.

 

Tabela 1 – Dados dos couplers.

 

 

3) Link devices: São dispositivos utilizados como escravos da rede PROFIBUS DP e mestres da rede PROFIBUS PA (H1:31,25kbits/s).São utilizados para se conseguir altas velocidades, de até 12Mbits/s no barramento DP. E ainda:
§ Possuem endereço físico no barramento;
§ Permitem que sejam acoplados até 5 couplers, mas limitam o número de equipamentos em 30 em um barramento “Non-Ex” e 10 em barramento “Ex”.Com isto, aumentam a capacidade de endereçamento da rede DP.

 

 

4) Terminador: consiste de um capacitor de 1µF e um resistor de 100 O conectados em série entre si e em paralelo ao barramento.Tem as seguintes funções:
§ Shunt do sinal de corrente: o sinal de comunicação é transmitido como corrente, mas recebido como tensão. O terminador faz esta conversão.
§ Proteção contra reflexão do sinal de comunicação: deve ser colocado nas duas terminações do barramento, um no final e outro geralmente no coupler.


 

Cálculo do número de equipamentos em um segmento PA non-Ex

 

 

Iremos mostrar o cálculo em um comprimento máximo de 1900m(cabo tipo A), considerando os seguintes dados:


§ Tensão mínima para um equipamento fieldbus operar: 9Vdc


§ Tensão típica fornecida por um coupler Siemens Non-Ex: 19Vdc


§ Corrente típica fornecida por um Siemens Non-Ex: 400mA


§ Resistência de loop do cabo Tipo A (AWG 18) : 44 Ohms por Km (duas vias)

§ Desprezaremos as correntes de FDE, por serem insignificantes comparadas com as quiescentes


§ Equipamentos Smar consomem 12 mA

E tomando como base a lei de Ohm:

V = RxIx(N)

N = V/(IxR), onde:
V = queda máxima de tensão no cabo garantindo a tensão mínima de
alimentação no equipamento mais distante do coupler.
I = corrente de cada equipamento PA
R = resistência total
N = número de equipamentos

Substituindo os valores:

N = (19-9)/(12x10-3 x 1.9x 44) = 10 equipamentos

Verificando a corrente total com a máxima corrente fornecida pelo coupler, tem-se:

I = 10 x 12mA = 120mA < 400mA à OK

Vamos admitir agora, cabo tipo A e um comprimento de 1400 m:

N = (19-9)/( 12x10-3 x 1.4 x 44) = 13 equipamentos

Verificando a corrente total com a máxima corrente fornecida pelo coupler, tem-se:

I = 13 x 12mA = 156mA < 400mA à OK

Cálculo do comprimento do cabo(tipo A) para 20 equipamentos em um segmento PA non-Ex

 

L = (19-9) x 1000/(20 x 12x10-3 x 44) = 947 m

Verificando a corrente total com a máxima corrente fornecida pelo coupler, tem-se:

I = 20 x 12mA = 240mA < 400mA à OK

Cálculo do número de equipamentos em um segmento PA Eex ia IIC

 

Iremos mostra o cálculo em um comprimento máximo de 1000m(cabo tipo A, área Ex), considerando os seguintes dados:
§ Tensão mínima para um equipamento fieldbus operar: 9Vdc
§ Tensão típica fornecida por um coupler Siemens Non-Ex: 12.5Vdc
§ Corrente típica fornecida por um Siemens Non-Ex: 100mA
§ Resistência de loop do cabo Tipo A (AWG 18) : 44 Ohms por Km (duas vias)

§ Desprezaremos as correntes de FDE, por serem insignificantes comparadas com as quiescentes
§ Equipamentos Smar consomem 12 mA

E tomando como base a lei de Ohm:

N = V/(IxR), onde:
V = queda máxima de tensão no cabo garantindo a tensão mínima de
alimentação no equipamento mais distante do coupler.
I = corrente total do segmento PA
R = resistência total
N = número de equipamentos

Substituindo os valores:

N = (12.5-9)/( 12x10-3 x 1.0x 44) = 6 equipamentos

Verificando a corrente total com a máxima corrente fornecida pelo coupler, tem-se:

I = 6 x 12mA = 72mA < 100mA à OK

Cálculo do comprimento do cabo(tipo A) para 8 equipamentos em um segmento PA Eex ia IIC


Verificando a corrente total com a máxima corrente fornecida pelo coupler, tem-se:

I = 8 x 12mA = 96mA < 100mA à OK

Determinado-se o comprimento:

L = (12.5-9) x1000/(8x12x10-3 x44) = 828.6 m

Note que a quantidade de equipamentos é totalmente dependente da classificação da área, tipo de cabo, corrente e tensão fornecida pelo coupler e corrente quiescente total dos equipamentos PA.

 

 

Dicas de instalação

 

Seguem algumas dicas de cablagem, blindagem e aterramento, já que em uma rede digital devemos estar sempre atentos aos níveis de ruídos, impedâncias(capacitâncias e indutâncias) indesejáveis e que podem contribuir para a degradação dos sinais:


- deve-se evitar splice, que é qualquer parte da rede que tenha comprimento descontínuo de um meio condutor especificado, por exemplo, remoção de blindagem, troca do diâmetro do fio, conexão a terminais nus, etc.Em redes com comprimento total maior do que 400 m, a somatória de todos os comprimentos de todos os splices não deve ultrapassar 2% do comprimento total e ainda, em comprimentos menores do que 400m, não deve exceder 8m.


- deve-se ter terminadores no barramento, um no início e outro no final.Não deve-se ligar a blindagem ao terminador e sua impedância deve ser 100 Ohms +/-20% entre 7.8 a 39 kHz.Este valor é aproximadamente o valor médio da impedância característica do cabo nas freqüências de trabalho e é escolhido para minimizar as reflexões na linha de transmissão, assim como para converter o sinal em níveis aceitáveis de 750 a 1000 mV.Um detalhe importante quando se tem a topologia em árvore ou estrela é que devemos centralizar o terminador de tal forma a otimizarmos os comprimentos máximos dos spurs, respeitando-se o limite de 120m. Em casos onde isto não é possível, o recomendado é incluir este spur como parte integrante do barramento principal.


- Quando repetidores são utilizados, para cada segmento abaixo do repetidor deve ser colocado um terminador.


- O propósito do shield sob o par de fios trançados é proteger o sinal de ruídos, principalmente devidos à interferência eletromagnética.A atuação do shield só será efetiva quando conectado ao terra somente em um ponto, senão passa a contribuir com caminhos que conduzem correntes parasitas facilitando a introdução de ruídos. O shield é normalmente aterrado na fonte de alimentação ou na barreira de segurança intrínseca.Deve-se assegurar a continuidade da blindagem(shield) do cabo em mais do que 90% do comprimento total do cabo. O shield deve cobrir completamente os circuitos elétricos através dos conectores, acopladores, splices e caixas de distribuição e junção.


- Em áreas sujeitas à exposição de raios e picos de alta voltagem, recomenda-se os protetores de surtos.


- Isolar sinal fieldbus de fontes de ruídos, como cabos de força, motores, inversores de freqüência.Colocá-los em guias e calhas separadas.


- Quando utilizar cabos multivias, não misturar sinais de vários protocolos.


- Em relação ao aterramento, deve-se ter uma impedância de terra suficientemente baixa com capacidade de dreno suficiente para conduzir e prevenir picos de tensão.Deve-se evitar múltiplos terras e quando estes forem necessários devem ser capacitivos.


- Evitar loops de terra: quando se tem vários equipamentos aterrados a um terra comum por caminhos diferentes, criando diferenças de potenciais que podem danificar os equipamentos.


- Respeitar as normas de segurança e classificação da área.


- Uso de caixa de junção passivas: estas caixas não consomem potência do barramento e estão previstas de acordo com a IEC 61158-2 em instalações fieldbus
 

O uso do Fieldbus proporciona vários benefícios, como a redução de cablagem e flexibilidade de instalação.Várias topologias podem ser usadas, sendo que a
redução de cabos depende da topologia. A maior parte das instalações não se beneficiam da redução de cablagem, devido ao fato de se utilizar caixas de junções convencionais que distribuem o cabeamento para diversos equipamentos.Neste caso, utilizam-se da topologia estrela onde se necessita um grande número de derivações, sendo que cada equipamento requer um par de fios.Veja figura 7. Para realmente tirar-se vantagem da redução de cabeamento, a topologia em barramento deve ser usada. E neste caso, a solução custo-efetivo é alcançada usando-se caixa de junções distribuídas. Um exemplo é a caixa de junção JM400 da Smar.


Especialmente projetada para o uso em Fieldbus, a JM400, facilita a distribuição do cabeamento e permite maximizar a economia com cabos, além de dar uma maior flexibilidade de instalação, aumentando a disponibilidade da planta.

 

 

Figura 8 – JM400, fácil acomodação do terminador de barramento BT302.

 

- O comprimento máximo do segmento é a somatória dos comprimentos dos troncos e spurs, sendo que comprimentos menores que 1m não são considerados
spurs. A quantidade de spurs e o número de equipamentos devem estar de acordo com a tabela 2:

 

Número de spurs 1 equipamento 2 equipamentos 3 equipamentos 4 equipamentos
25 - 32 1m 1m 1m 1m
19 - 24 30m 1m 1m 1m
15 - 18 60m 30m 1m 1m
13 - 14 90m 60m 30m 1m
1 - 12 120m 90m 60m 30m

Tabela 2 – Spur x número de equipamentos PA.

 

 

 

Figura 9 – Levantamento do comprimento total do segmento PA.

 

Conclusão

Vimos neste artigo vários detalhes da rede Profibus PA em termos de meio físico, dimensionamento e instalação que contribuem fundamentalmente como um todo para o sucesso de um sistema de controle e automação Profibus.

Referências

· Material de Treinamento Profibus Smar, César Cassiolato.
· www.smar.com.br



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