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

César Cassiolato, Diretor de Marketing, Qualidade e Assistência Técnica da SMAR Equipamentos Industriais Ltda.

Ana Cecília Della Torre, Engenheira Eletricista da SMAR Equipamentos Industriais Ltda.

 

INTRODUÇÃO


É notório o crescimento do Profibus em nível mundial e principalmente no Brasil. Decidimos escrever este artigo, detalhando desde a instalação até a configuração básica, pois temos visto na prática muita instalação de forma inadequada, assim como erros básicos na configuração básica que têm estendido o tempo de comissionamento e start-up e, conseqüentemente, gerado uma degradação da qualidade da performance da rede. Dividimos este artigo, pela sua extensão e abrangência em seis partes. Esta é a primeira parte.

 

PROFIBUS 


O Profibus é um padrão de rede de campo aberto e independente de fornecedores, onde a interface entre eles permite uma ampla aplicação em processos e manufatura. Esse padrão é garantido segundo as normas EN 50170 e EN 50254, além da IEC 611158-2 no caso do Profibus PA.

 

O Profibus DP é a solução de alta velocidade (high speed) do Profibus. Seu desenvolvimento foi otimizado especialmente para comunicações entre os sistemas de automação e equipamentos descentralizados, voltada para sistemas de controle, onde se destaca o acesso aos dispositivos de I/O distribuídos.

 

O Profibus DP utiliza a RS485 como meio físico, ou a fibra ótica em ambientes com susceptibilidade a ruídos ou que necessitem de cobertura a grandes distâncias.

 

O Profibus PA é a solução Profibus que atende aos requisitos da automação de processos, onde se tem a conexão em processos com equipamentos de campo, tais como: transmissores de pressão, temperatura, conversores, posicionadores, etc. Esta rede pode ser usada em substituição ao padrão 4 a 20 mA.


Existem vantagens potenciais da utilização dessa tecnologia, onde resumidamente destacam-se as vantagens funcionais (transmissão de informações confiáveis, tratamento de status das variáveis, sistema de segurança em caso de falha, equipamentos com capacidades de autodiagnose, rangeabilidade dos equipamentos, alta resolução nas medições, integração com controle discreto em alta velocidade, aplicações em qualquer segmento, etc.). Além dos benefícios econômicos pertinentes às instalações (redução de até 40% em alguns casos em relação aos sistemas convencionais), custos de manutenção (redução de até 25% em alguns casos em relação aos sistemas convencionais) e menor tempo de start-up, oferece um aumento significativo em funcionalidade, disponibilidade e segurança.

 

O Profibus PA permite a medição e o controle por um barramento a dois fios. Também permite alimentar os equipamentos de campo e as aplicações em áreas intrinsecamente seguras, bem como a manutenção e a conexão/desconexão de equipamentos até mesmo durante a operação, sem interferir em outras estações em áreas potencialmente explosivas. O Profibus PA foi desenvolvido em cooperação com os usuários da Indústria de Controle e Processo (NAMUR), satisfazendo as exigências especiais dessa área de aplicação:

 

  1. O perfil original da aplicação para a automação do processo e interoperabilidade dos equipamentos de campo dos diferentes fabricantes;
  2. Adição e remoção de estações de barramentos mesmo em áreas intrinsecamente seguras sem influência para outras estações;
  3. Uma comunicação transparente através dos acopladores do segmento entre o barramento de automação do processo (Profibus PA) e do barramento de automação industrial (Profibus DP);
  4. Alimentação e transmissão de dados sobre o mesmo par de fios baseado na tecnologia IEC 61158-2;
  5. Uso em áreas potencialmente explosivas, intrinsecamente segura.

 

A conexão dos transmissores, conversores e posicionadores em uma rede Profibus DP é feita por um coupler DP/PA. O par trançado a dois fios é utilizado na alimentação e na comunicação de dados para cada equipamento, facilitando a instalação e resultando em baixo custo de hardware, menor tempo para start-up, manutenção livre de problemas, baixo custo do software de engenharia e alta confiança na operação.

 

O protocolo de comunicação Profibus PA utiliza o mesmo protocolo de comunicação Profibus DP, onde o serviço de comunicação e telegramas são idênticos. Na verdade, o Profibus PA = Profibus DP - protocolo de comunicação + serviços acíclico estendido + IEC 61158, também conhecida como nível H1.

 

O Profibus permite uma integração uniforme e completa entre todos os níveis da automação e as diversas áreas de uma planta. Isto significa que a integração de todas as áreas da planta pode ser realizada com um protocolo de comunicação que usa diferentes variações.

 

No nível de campo, a periferia distribuída, tais como: módulos de E/S, transdutores, acionamentos (drives), válvulas e painéis de operação, trabalham em sistemas de automação, através de um eficiente sistema de comunicação em tempo real, o Profibus DP ou PA. A transmissão de dados do processo é efetuada ciclicamente, enquanto alarmes, parâmetros e diagnósticos são transmitidos somente quando necessário, de maneira acíclica.

 

Este artigo apresenta detalhes de instalações em Profibus DP e Profibus PA.


Sempre que possível, consulte a EN50170 para as regulamentações físicas, assim como as práticas de segurança de cada área.
É necessário agir com segurança nas medições, evitando contatos com terminais e fiação, pois a alta tensão pode estar presente e causar choque elétrico. Lembre-se que cada planta e cada sistema têm seus detalhes de segurança. Se informar deles antes de iniciar o trabalho é muito importante.

 

Para minimizar o risco de problemas potenciais relacionados à segurança, é preciso seguir as normas de segurança e de áreas classificadas locais aplicáveis que regulam a instalação e operação dos equipamentos. Estas normas variam de área para área e estão em constante atualização. É responsabilidade de o usuário determinar quais normas devem ser seguidas em suas aplicações e garantir que a instalação de cada equipamento esteja de acordo com as mesmas.


Uma instalação inadequada ou o uso de um equipamento em aplicações não recomendadas podem prejudicar a performance de um sistema e conseqüentemente a do processo, além de representar uma fonte de perigo e acidentes. Devido a isto, recomenda-se utilizar somente profissionais treinados e qualificados para instalação, operação e manutenção.

 

SINAL FÍSICO NO PROFIBUS PA


Os equipamentos Profibus PA utilizam o modo de tensão 31,25 Kbit/s para a modulação física. Todos os outros equipamentos no barramento devem usar o mesmo tipo de modulação Manchester e devem ser conectados em paralelo ao longo do mesmo par de fios. No mesmo barramento podem ser usados vários tipos de equipamentos Profibus PA de diferentes fabricantes.

 

Estes equipamentos são alimentados via barramento, sendo que alguns podem ser alimentados externamente, não absorvendo a energia do barramento Profibus PA.

 

O sinal de comunicação utilizado é um sinal AC (de 750mV a 1000mV) sobreposto ao sinal DC de alimentação. 
Em áreas perigosas, o número de equipamentos deve ser limitado por barreira de segurança de acordo com as restrições de segurança da área e limites do coupler DP/PA.

 



Figura 1.1 – Rede Profibus.


            
A Figura 1.2 ilustra como conectar um equipamento PA à rede Profibus.

 



Figura 1.2 – Modo de ligação de um equipamento à rede Profibus PA.

 

 

MEIO FÍSICO, CABEAMENTO E INSTALAÇÃO – PROFIBUS DP


A transmissão RS 485 é a tecnologia de transmissão mais utilizada no Profibus, embora a fibra ótica possa ser usada em casos de longas distâncias (maior do que 80 km). Vale lembrar que os equipamentos Profibus DP não são alimentados pelo barramento. Seguem abaixo as principais características:

  1. Transmissão assíncrona NRZ;
  2. Baud rate de 9.6 kbit/s a 12 Mbit/s, único no barramento e selecionável (de acordo com o equipamento que suportar o menor baud rate);
  3. Par trançado com blindagem;
  4. 32 estações por segmento, máximo de 127 estações;
  5. Distância dependente da taxa de transmissão (Veja Tabela 1.1);
  6. Distância expansível até 10 km com o uso de repetidores;
  7. Atenuação máxima de 9 dB ao longo de todo o comprimento do segmento;
  8. 9 PIN, D-Sub conector (mais comum).

 

O Profibus normalmente se aplica em áreas envolvendo alta taxa de transmissão e instalação simples a um baixo custo. A estrutura do barramento permite a adição e remoção de estações sem influências em outras estações com expansões posteriores e sem nenhum efeito em estações que já estão em operação.
Quando o sistema é configurado, apenas uma única taxa de transmissão é selecionada para todos os dispositivos no barramento.

 

Há necessidade da terminação ativa no barramento no começo e no fim de cada segmento, conforme apresenta a Figura 1.3, sendo que, para manter a integridade do sinal de comunicação, ambos terminadores devem ser energizados, sendo possível perceber a existência do sinal de Vp. É recomendado utilizá-lo somente para alimentar os terminadores, pois qualquer inadequação neste sinal pode gerar uma situação de falha de comunicação.

 

 


Figura 1.3 – Cabeamento e Terminação para Transmissão RS-485 no Profibus.

 

O comprimento da rede é um fator muito importante a ser analisado, pois quanto maior ele for, maior pode ser a distorção dos sinais. O terminador é uma impedância que se acrescenta na rede Profibus a fim de evitar este problema, pois este tem a função de casar a impedância da rede, minimizando erros de comunicação por distorções de sinais. Vale a pena lembrar que se não houver um terminador na rede, o cabeamento irá funciona como uma antena, facilitando a distorção de sinais e aumentando a susceptibilidade a ruídos. A impedância característica é o valor da carga, que colocada no final desta linha, não reflete nenhuma energia. Em outras palavras, é o valor da carga que proporciona um coeficiente de reflexão zero, ou ainda, uma relação de ondas estacionárias igual a um.

 

Tanto a rede Profibus DP quanto a rede Profibus PA exigem terminadores, pois sua ausência causa o desbalanceamento, provocando atraso de propagação, assim como oscilações ressonantes amortecidas, causando transposição dos níveis lógicos (thresholds), além de melhorar a margem de ruído estático. No Profibus DP, os terminadores são ativos, isto é, são alimentados. Veja a Figura 1.4.

 



Figura 1.4 – Terminador de Barramento Profibus DP.

 

 

CUIDADOS NECESSÁRIOS COM TERMINADORES NA REDE PROFIBUS-DP


Devido ao fato dos terminadores serem ativos, um erro muito comum é colocar como escravo DP as estações de trabalho, onde em uma queda de energia ou reset do microcomputador as linhas de alimentação oscilam, desbalanceando a rede.
Na Figura 1.5 a terminação ativa na posição incorreta (esquerda) mostra que tanto o nível quanto a forma de onda são degradados. A ativação incorreta do terminador causa descasamento de impedância e reflexões do sinal, uma vez que além do terminador há um cabo com tal impedância.

 

 


Figura 1.5 – Forma de Onda na RS485 I (PROFIBUS DP).


 

A falta de terminação, ilustrada na forma de onda à esquerda da Figura 1.6, promove o não casamento de impedância, fazendo com que o cabo Profibus fique susceptível à reflexão de sinal, atuando como uma antena. Na forma de onda à direita, é possível observar a terminação adequada.

 


Figura 1.6 – Forma de Onda na RS485 II (Profibus DP).

 

CONCLUSÃO


Vimos neste artigo vários detalhes importantes. Na próxima parte veremos mais detalhes de instalação e configuração básica.
Vale a pena lembrar que o sucesso de toda rede de comunicação está intimamente ligada à qualidade das instalações.
Sempre consulte as normas. O seu tempo de comissionamento,start-up e seus resultados podem estar comprometidos com a qualidade dos serviços de instalações. Como cliente, contrate serviços de empresas que conheçam e dominam a tecnologia Profibus e que façam instalações profissionais e de acordo com o padrão Profibus.

 

REFERÊNCIAS

  1. Manuais SMAR Profibus
  2. www.smar.com.br
  3. Material de Treinamento em Profibus - César Cassiolato
  4. Especificações Técnicas Profibus.