|  

Métodos para Diagnóstico de Falhas em Redes PROFIBUS DP

Carlos Henrique Mota, Gerente de Automação, e Wladimir Lopes Silva, Gerente de Sistemas, Wtech Automação.

1. Objetivo

 

O objetivo principal deste trabalho é apresentar alguns métodos conhecidos para o diagnóstico e localização de falhas na implantação e durante o funcionamento de redes de comunicação industrial PROFIBUS DP. Ao apresentar estes métodos, busca-se também, que os mesmos possam ser efetivamente utilizados pelos profissionais de automação, ajudando-os na solução de problemas e na otimização da comunicação em suas instalações industriais.

 

2. Introdução

 

A rede industrial PROFIBUS DP é o barramento de campo mais utilizado na indústria mundial atualmente. E com o uso cada vez maior desteFieldbus nas plantas industriais, o diagnóstico rápido de falhas tornou-se extremamente necessário e importante, o que permite minimizar os tempos de parada da instalação e conseqüentes prejuízos no processo produtivo.

Existem vários procedimentos possíveis para o diagnóstico de falhas e avaliação do desempenho de uma rede PROFIBUS DP. Estes procedimentos podem abranger desde a validação dos critérios de projeto, configuração e instalação da rede, versões de firmware e dos arquivos de perfil (arquivos “GSD”), passando pela verificação do meio físico, avaliação da forma de onda e dos telegramas trocados entre os equipamentos, etc. Para isto podem-se utilizar vários tipos de ferramentas tais como, multímetro, osciloscópio, softwares de configuração dos Mestres e Escravos e ferramentas de diagnóstico específicas. Este trabalho procura apresentar alguns destes procedimentos.

 

3. Inspeção Visual

Existem algumas condições geradoras de falhas que podem ser detectadas através de uma simples inspeção visual da instalação. São recomendadas as seguintes verificações [MIT04]:

 

  • Verifique se existem curvaturas acentuadas no cabo PROFIBUS que ultrapassem o raio de curvatura mínimo recomendado pelo fabricante. Uma curva muito acentuada no cabo pode esmagá-lo, mudando a sua impedância e facilitando a ocorrência de reflexões, especialmente em altas velocidades de transmissão.
  • Assegure que os cabos PROFIBUS para interconexão dos dispositivos apresentem comprimento mínimo de um metro, especialmente quando se utiliza dispositivos não certificados ou duvidosos, ou ainda dispositivos certificados que serão utilizados em 12 Mbit/s.
  • Verifique se o comprimento do segmento de rede está compatível com a velocidade de transmissão escolhida para operação do barramento.
  • Se a blindagem do cabo puder ser vista fora do conector PROFIBUS, então a fiação do conector deverá ser refeita.
  • Assegure que a blindagem do cabo PROFIBUS esteja fazendo contato com a parte metálica interna existente na carcaça do conector.
  • Verifique se a blindagem e dispositivo estão aterrados nas extremidades do segmento de rede.
  • Assegure que todos dispositivos estejam energizados.
  • Caso seja utilizado algum dispositivo PROFIBUS que não tenha detecção automática da velocidade da rede, assegurar que esteja configurado para a velocidade de transmissão escolhida para o barramento.
  • Verifique o endereçamento de cada dispositivo PROFIBUS existente na rede.  Geralmente o endereçamento dos Mestres é realizado via software e o endereçamento dos Escravos através de dip switches. Confira com o endereçamento especificado no projeto da rede PROFIBUS.

 

4. Utilizando um Multímetro

O multímetro possivelmente é a ferramenta mais simples para a verificação e detecção de problemas em redes PROFIBUS. Com o multímetro pode-se detectar e localizar os seguintes problemas:

 

  • Curto-circuito entre as linhas de dados A e B; ·····.
  • Curto-circuito entre as linhas de dados A e B e a blindagem do cabo; ·.
  • Inversão simples das linhas de dados A e B; ·····.
  • Interrupção de uma das linhas de dados A e B; ····.
  • Interrupção na blindagem do cabo.

 

A Figura 4.1 mostra o diagrama esquemático de um cabo RS-485 PROFIBUS típico, utilizando conectores Sub-D com 9 pinos e resistores de terminação e polarização nas extremidades.

 


 
Figura 4.1: Diagrama esquemático de um cabo PROFIBUS.

 

Com um multímetro pode-se determinar também o comprimento estimado do segmento de rede, através da informação de Resistência de Loop do cabo PROFIBUS. Para isto, são necessárias as seguintes condições de teste:

 

  • Os dispositivos PROFIBUS não podem estar conectados ao segmento de rede.
  • O cabo PROFIBUS deverá estar desenergizado.
  • As terminações de rede deverão estar desconectadas.
  • Caso existam componentes, tais como Repetidores, OLMs e Acopladores, os mesmos devem ser desconectados. Cada segmento deve ser testado separadamente.

 

4.1. Determinando a Resistência de Loop

 

Resistência de Loop é determinada pela medição da resistência dos dois condutores do cabo PROFIBUS (linhas de dados A e B) e é dada em [Ohms]. A resistência destes condutores depende da construção do cabo e da sua temperatura de operação.

 

Resistência de Loop Específica do cabo é normalmente dada em [Ohms/km] para uma determinada temperatura de trabalho, e corresponde a medição da Resistência de Loop de um cabo PROFIBUS com o comprimento de 1 km. O valor típico para um cabo PROFIBUS tipo A é de 110 Ohms/km a 20ºC, mas pode ser diferente para cabos especiais (cabo extra-flexível, por exemplo). Portanto, é sempre importante consultar a Resistência de Loop Específica fornecida pelo fabricante do cabo PROFIBUS utilizado na instalação. A resistência do cabo tipicamente incrementa com a temperatura, cerca de 0,4% por grau Celsius.

 

A medição da Resistência de Loop de um cabo PROFIBUS pode ser realizada do seguinte modo:

 

  • Devem ser curto-circuitadas as linhas de dados A e B, em uma das extremidades do cabo PROFIBUS.
  • Na outra extremidade do cabo, será medida a Resistência de Loop entre estes mesmos condutores.

 

Com a utilização da Resistência de Loop Específica, que pode ser encontrada na documentação técnica fornecida pelo fabricante do cabo, pode-se estimar o tamanho do segmento de rede:

 

Onde,

 

Tamanho do segmento de rede em [km]
Resistência de Loop medida em [Ohms]
Resistência de Loop Específica do cabo em [Ohms/km]

 

Portanto, se a Resistência de Loop encontrada para um cabo PROFIBUS tipo A foi de 30 Ohms em 20ºC, é possível estimar o seguinte comprimento para o segmento de rede:

 

30 / 110 = 0,273km, ou seja, 273m.

 

 

É importante ressaltar que o tamanho do cabo, estimado pela medição da Resistência de Loop, não é muito preciso, pois a resistência medida sofre variação com a temperatura de operação e com a possível resistência adicional dos conectores PROFIBUS existentes no segmento de rede.

 

5. Utilizando um Osciloscópio


Medições com osciloscópio são o mais efetivo método para solução de problemas em PROFIBUS, entretanto, exigem um certo nível de experiência do usuário e um equipamento com algumas características mínimas listadas a seguir [PRO06b]:

 

  • Osciloscópio digital com armazenamento de dados;
  • Largura de banda: 100 MHz;
  • Canais: 2, com isolação entre os canais e também em relação ao terra do equipamento;
  • Trigger: Interno e Externo;
  • Tipo de acoplamento: DC.

 

A Figura 5.1 mostra um conector PROFIBUS com uma interface adicional para programação, que pode ser utilizado para as medições das linhas de dados A e B simultaneamente em um canal do osciloscópio. Neste caso, o conector PROFIBUS do osciloscópio pode ser inserido entre a estação PROFIBUS e o conector PROFIBUS original da rede.

 

 
Figura 5.1: Exemplo de conexão com osciloscópio

 

A medição do sinal existente entre as linhas de dados A e B, mostra a forma de onda do sinal PROFIBUS. O PROFIBUS utiliza os dois condutores para transmissão dos dados, sendo que o sinal transmitido na linha de dados B corresponde à inversão do sinal transmitido na linha de dados A. Este tipo de transmissão de sinal tem a vantagem de que um ruído afetando as linhas de dados A e B uniformemente, não tem efeito sobre o telegrama de dados transmitido, pois, através desta transmissão diferencial, o ruído em um condutor é subtraído do ruído no outro condutor. Deste modo, o telegrama de dados é percebido sem estas distorções.

 

A tensão diferencial entre o nível alto e o nível baixo medida entre as linhas de dados B e A deverá estar entre 4Vcc e 7Vcc. Os valores de tensão positiva e negativa deverão ser aproximadamente do mesmo tamanho. A diferença entre os dois valores, na prática, é aproximadamente 0,5Vcc [PRO06b]. O valor em repouso, ou seja, sem transmissão de dados, deverá ser de 1 Vcc. Os sinais ideais A, B e diferencial “tensão linha B – tensão linha A” podem ser visualizados na Figura 5.2.

 

 
Figura 5.2: Sinal diferencial B-A ideal

 

5.1. Formas Típicas de Onda

Serão apresentadas a seguir algumas formas de onda típicas que poderão ser visualizadas através do osciloscópio. A Figura 5.3 mostra um exemplo de um sinal diferencial real, onde podem ser visualizadas as pequenas reflexões de sinal. Pode-se observar também um nível relativamente baixo de ruído no estado de repouso da comunicação (trecho onde a tensão permanece em 1Vcc).

 

 
Figura 5.3: Exemplo de sinal diferencial B-A real

 

Um cabo muito longo geralmente funciona como um capacitor e, conseqüentemente, altera o formato do sinal transmitido. Em um sinal do tipo onda quadrada, como é o caso do PROFIBUS, o resultado são bordas de subida e descida arredondadas, conforme pode ser visualizado na Figura 5.4. Este efeito é mais acentuado, quanto mais longo for o cabo PROFIBUS. Caso o sinal fique muito deformado, pode acontecer que o receptor não consiga mais reconhecê-lo.

 

 
Figura 5.4: Formato do sinal PROFIBUS em cabos muito longos

 

Para evitar a reflexão do sinal PROFIBUS, deve-se habilitar uma terminação resistiva em cada extremidade do segmento de rede. Quando uma destas terminações está desabilitada, ocorre a reflexão do sinal e, neste caso, o sinal retorna com a amplitude original e sem inversão. No ponto de encontro destes dois sinais, os mesmos poderão se cancelar, ou ainda, apresentar a amplitude dobrada.

 

Quando várias terminações resistivas estão habilitadas na rede PROFIBUS, aproximadamente 1/3 do sinal é refletido e, neste caso, o sinal é invertido em relação ao sinal original. No ponto de encontro destes dois sinais, os mesmos são sobrepostos gerando um sinal distorcido. O nível resultante poderá ser menor ou maior que o nível original, dependendo do resultado da soma dos sinais. 
A Figura 5.5 mostra o formato do sinal PROFIBUS nas duas situações citadas acima.

 

 
Figura 5.5: Formato do sinal PROFIBUS em função das terminações resistivas.

 

6. Utilizando Telegramas de Diagnóstico

O protocolo PROFIBUS possui telegramas para diagnóstico que podem ser utilizados pelos fabricantes de equipamentos. No caso de problemas durante a operação, o Escravo PROFIBUS pode indicar ao Mestre que existe uma condição de diagnóstico. Com isto, no ciclo seguinte de troca de dados, o Mestre pode solicitar informações de diagnóstico ao Escravo que informou a ocorrência do problema.

 

Todo Mestre PROFIBUS deve salvar as informações de diagnóstico fornecidas pelo Escravo para que possa ser utilizada pelo programa de controle (aplicação). Entretanto, cada Mestre executa esta tarefa de modo singular, daí, cabe ao usuário familiarizar-se com o modo de acessar estas informações na estação Mestre que esteja utilizando.

 

O Escravo fornece as informações de diagnóstico ao Mestre através de um buffer cuja estrutura pode ser visualizada na Figura 6.1. Estas informações são divididas em quatro diferentes grupos ou blocos, sendo que o grupo de diagnóstico padrão é sempre fornecido pelo Escravo. Os outros grupos, que constituem o diagnóstico estendido, dependem do dispositivo PROFIBUS e são opcionais. A existência de dados de diagnóstico estendido é sempre informada no diagnóstico padrão. Estes dados de diagnóstico estendido podem ser fornecidos em qualquer combinação ou em qualquer ordem, inclusive em seqüência diversa da apresentada na Figura 6.1.

 


Figura 6.1: Estrutura do buffer de diagnóstico.

 

7. Utilizando Ferramentas de Monitoração de Rede

 

Existe uma classe de ferramentas avançadas que pode ser utilizada para diagnóstico de problemas no sistema: são os monitores de rede. Os monitores ou analisadores de rede são dispositivos que podem mostrar e registrar o tráfego de dados na rede e fornecem um efetivo caminho para observar o desempenho da comunicação entre as estações PROFIBUS. Entretanto, a análise das informações registradas exige alguma experiência e conhecimento detalhado do protocolo PROFIBUS e das interações entre Mestres e Escravos.

 

Os monitores de rede são dispositivos passivos, ou seja, são conectados ao barramento, capturam todas as mensagens entre Mestres e Escravos e não geram tráfego adicional. Eles também não afetam os tempos envolvidos na rede PROFIBUS.

 

Existem vários modelos de monitores de rede PROFIBUS disponibilizados no mercado e a maioria deles apresenta funcionalidades bem semelhantes. Um monitor ou analisador de rede PROFIBUS deve ter as seguintes funcionalidades básicas:

 

  • Capturar e mostrar mensagens, permitindo a definição de triggers para monitoração de telegramas específicos ou condições particulares.
  • Operação em tempo real na velocidade de comunicação do sistema, sem a perda de telegramas.                                                                                              
  • Filtro para mensagens, permitindo a visualização apenas dos telegramas selecionados (ver Figura 7.1).                                                                        
  • Live List”, ou seja, uma lista mostrando todos os dispositivos presentes na rede PROFIBUS, com respectivos Ident_Number (Identificador PROFIBUS).
  • Tradução (decodificação) dos telegramas capturados.                                
  • Geração de trigger para osciloscópio, facilitando a captura de formas de onda transmitidas por um Escravo em particular.                                                     
  • Estatísticas da comunicação, mostrando o número de telegramas corrompidos ou repetidos no sistema, ou por estação.

 

 
Figura 7.1: Visualização de mensagem com erro e mensagens repetidas

 

Os analisadores de rede que funcionam em computadores utilizam uma interface para acesso ao barramento PROFIBUS (cartão PCMCIA, hardware externo via porta USB, etc.). Existem algumas interfaces que incorporam internamente um osciloscópio de alta velocidade, o que permite visualizar na mesma ferramenta e simultaneamente, a forma de onda presente no barramento PROFIBUS e a sua interpretação binária (visualização dos bits). Este tipo de interface permite ainda que seja visualizado através de bargraph, o nível médio de tensão do sinal transmitido no barramento, para cada dispositivo PROFIBUS existente na rede. O nível médio de tensão deverá permanecer em torno de 5Vcc, para um barramento que não apresenta problemas. Esta informação ajuda no diagnóstico de falhas na rede, pois se consegue perceber claramente alguns tipos de situação:

 

  • Quando os níveis médios de tensão estão muito elevados, significa que o barramento apresenta forte reflexão de sinal, caracterizando um problema de terminação desabilitada, ou ainda, de rompimento do cabo PROFIBUS.
  • Quando os níveis médios de tensão estão abaixo do esperado, caracterizam a presença de baixa impedância (muitas terminações habilitadas, por exemplo), ou ainda, curto-circuito no cabo PROFIBUS.

 

8. Utilizando Testadores de Barramento (Bus Testers)

Existem alguns equipamentos que são utilizados basicamente para testes do meio físico da rede PROFIBUS. Eles são conhecidos como “Bus Tester” ou “Net Tester” e otimizam a detecção dos defeitos citados no item 4, além de verificar a perda de terminação resistiva, ou a habilitação excessiva das mesmas. Alguns testadores de barramento possuem ainda recursos adicionais, tais como:

 

  • Determinam o tamanho do segmento de rede;
  • Verificam a existência de reflexões e indicam a localização do problema;
  • Medem os níveis dos sinais de dados A e B com o barramento em operação;
  • Testam os drivers RS-485 de um dispositivo PROFIBUS;
  • Determinam a lista dos endereços presentes no barramento (Live List).

A maioria destes equipamentos permite a realização dos testes com todos dispositivos PROFIBUS conectados ao barramento, entretanto, deve-se checar sempre a documentação do fabricante por garantia.

 

9. Conclusões

 

O PROFIBUS é um padrão aberto de rede de campo, que independe de fornecedores. Este padrão é constituído de tecnologia já amadurecida, mas que mesmo assim vem evoluindo continuamente, adequando-se às novas demandas do mercado. Nesta evolução contínua, incluem-se também as ferramentas de diagnóstico, que facilitam cada vez mais o trabalho dos Usuários.

 

Este trabalho técnico procurou apresentar alguns procedimentos para diagnóstico, entretanto o assunto não está esgotado, pois existem ainda outros métodos, como por exemplo, o diagnóstico através dos LEDs dos dispositivos, a utilização de Repetidores com Diagnóstico, ou ainda, o diagnóstico através das ferramentas de configuração dos Mestres PROFIBUS. Portanto, percebe-se que a rede PROFIBUS disponibiliza muitos recursos para o Usuário, mas que infelizmente ainda são pouco conhecidos e não muito utilizados.

 

10. Referências Bibliográficas

 

  • [CAS06] CASSIOLATO, César; TORRES, Leandro H.B.; CAMARGO, Paulo R. PROFIBUS – Descrição Técnica. São Paulo: Associação PROFIBUS Brasil, 2006.
  • [MIT04] MITCHELL, Ronald W. PROFIBUS – A Pocket Guide. Research Triangle Park: ISA – The Instrumentation, Systems and Automation Society, 2004.
  • [PRO06b] PROFIBUS International – PI. PROFIBUS – Installation Guideline for Commissioning. Karlsruhe: PROFIBUS Nutzerorganisation e.V., 2006.
  • [SIL08] SILVA, Wladimir. Métodos para Diagnóstico de Falhas e Avaliação de Desempenho em Redes PROFIBUS DP. 2008. Monografia (Especialização em Automação Industrial) – Escola de Engenharia, UFMG, Belo Horizonte.
  • [WEI03] WEIGMANN, Josef; KILIAN, Gerhard. Decentralization with PROFIBUS DP/DPV1 – Architecture and Fundamentals, Configuration and Use with SIMATIC S7. Erlangen: Publicis Corporate Publishing, 2003.


Outros Artigos Técnicos

 

» FIBRA ÓTICA E PROFIBUS: A UNIÃO SEM RUÍDOS

» RoboChap - Robo de Chapisco em Moenda - ProfiNet Wireless

» PROFINET The Backbone for Industrie

» IO-LINK

» Algumas dicas de soluções de problemas no PROFIBUS-DP

» Conecte o LabVIEW a qualquer rede industrial e CLP

» Procedimento de atualização de hardware para acesso a dados HART em remotas PROFIBUS

» EDDL - Electronic Device Description Language & FDT/DTM – Field Device Tool/ Device TypeManagement & FDI - Field Device Integration

» O uso de entradas e saídas remotas em Profibus-PA facilitando a automação de processos em sistemas de controle

» Dimensionamento da quantidade de equipamentos em uma rede PROFIBUS-PA

» Soluções National Instruments para barramentos industriais

» PROFIBUS – Fique por dentro do DPV2 na prática

» Raio de Curvatura Mínima e Instalações PROFIBUS

» Gerenciamento de Ativos e Autodiagnose

» DC303 - Entradas e Saídas Discretas em sistemas Profibus com controle híbridos e aplicações de bateladas.

» LMP-100 – Solução eficiente para conexão de redes Modbus e Profibus.

» O Profinet na Automação de Processos

» O que é PROFIBUS

» PROFIBUS Integration in PROFINET IO

» Sensor Hall – A tecnologia dos Posicionadores Inteligentes de última geração

» FISCO: Fieldbus Intrinsically Safe Concept

» Implementação de Device Type Manager para posicionador inteligente Profibus PA

» Aterramento, Blindagem, Ruídos e dicas de instalação

» EMI – Interferência Eletromagnética

» Profibus-PA: byte de status e Fail-Safe

» PROFIsafe – o perfil de segurança PROFIBUS

» Conexão a quente de redes Profibus-DP em atmosferas explosivas.

» MEDIÇÃO DE VAZÃO

» A medição de pressão e um pouco de história

» NI LABVIEW COMO SCADA E HMI

» Automação baseada em componentes para indústria de alimentos e bebidas

» Interferência Eletromagnética e Instalações PROFIBUS

» Introdução ao PST - Partial Stroke Test - Teste de Curso Parcial

» Gestão de Ativos em Profibus – uma visão prática para a manutenção.

» Uma visão de Profibus, desde a instalação até a configuração básica – Parte 6

» Diretrizes para Projeto e Instalação de Redes PROFIBUS DP

» Uma visão de Profibus, desde a instalação até a configuração básica – Parte 5

» Métodos para diagnóstico em redes Profibus DP

» Uma visão de Profibus, desde a instalação até a configuração básica – Parte 4

» Uma visão de Profibus, desde a instalação até a configuração básica – Parte 3

» Uma visão de Profibus, desde a instalação até a configuração básica – Parte 2

» Protetor de transientes em redes Profibus

» Uma visão do protocolo industrial Profinet e suas aplicações

» Métodos para Diagnóstico de Falhas em Redes PROFIBUS DP

» Uma visão de Profibus, desde a instalação até a configuração básica – Parte 1

» Uso de repetidores em Profibus-DP

» PROTOCOLO AS-I: AGREGANDO INTELIGÊNCIA A SENSORES E ATUADORES

» A IMPORTÂNCIA DOS TERMINADORES DE BARRAMENTO NA REDE PROFIBUS

» GATEWAY ANYBUS-X

» EVOLUÇÃO DA MEDIÇÃO DA TEMPERATURA E DETALHES DE UM TRANSMISSOR DE TEMPERATURA PROFIBUS-PA

» Profibus-PA: Especificações para o Modelo de Blocos

» Versões do PROFIBUS-DP

» Profibus-PA: Byte de Status e Fail-Safe .

» Profibus: Por dentro da mudança de endereços das estações – Change Station Address .

» Profibus: Tempo de Barramento.

» Profibus: por dentro dos Indentifier Formats.

» Dicas de dimensionamento e instalação em redes Profibus PA

» DT303: transmissor de densidade com tecnologia Profibus-PA

» Instalações em Profibus-DP: técnicas & dicas.

» Implementação de Device Type Manager para posicionador inteligente Profibus PA

» WIKA: Especificação de Transmissores de Pressão

» WIKA: Medição de nível em tanques pela pressão diferencial.

» Medição da Temperatura

» WIKA: Medição de Temperatura. Termopares: Custo e Benefício

» WTECH: MÉTODOS PARA DIAGNÓSTICO EM REDES PROFIBUS DP

» NI LabVIEW como SCADA e HMI

» AS-Interface Integration in PROFINET IO