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

César Cassiolato, Diretor de Marketing, Qualidade e AssistênciaTécnica da Smar Equipamentos Industriais Ltda e 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 segunda 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 statusdas 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 controle por um barramento a dois fios. Também permite alimentar os equipamentos de campo e 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:

 

  • O perfil original da aplicação para a automação do processo e interoperabilidade dos equipamentos de campo dos diferentes fabricantes;
  • Adição e remoção de estações de barramentos mesmo em áreas intrinsecamente seguras sem influência para outras estações;
  • 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);
  • Alimentação e transmissão de dados sobre o mesmo par de fios baseado na tecnologia IEC 61158-2;
  • 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 dehardware, menor tempo para start-up, manutenção livre de problemas, baixo custo do softwarede 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 e a IEC60079-14 para as regulamentações físicas, assim como para as práticas de segurança em instalações elétricas em atmosferas explosivas.

 

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 sistema tem seus detalhes de segurança. Informar-se 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 do 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.

 
Dando continuidade à primeira parte, temos:

 

Repetidores 


Para casos com mais de 32 estações ou para redes densas, devem ser utilizados repetidores. Segundo a EN50170, um máximo de quatro repetidores são permitidos entre duas estações quaisquer. Dependendo do fabricante e das características do repetidor, é permitido instalar até nove repetidores em cascata. Recomenda-se não utilizar uma quantidade maior que a permitida, devido aos atrasos embutidos na rede e ao comprometimento com o slot time (tempo máximo que o mestre irá esperar por uma resposta do slave). Veja Figuras 1.1 e 1.2. 

 


Figura 1.1 - Segmentação em Instalações Profibus.

 

Figura 1.2 – Regra Geral de Segmentação, Repetidor e bus Terminador.

 

 

O comprimento máximo do cabeamento depende da velocidade de transmissão, conforme a Tabela 1.1.

 

 

Cabo Tipo A
Baund Rate (Kbits)
9,6
19,2
93,75
187,5
500
1500
3000
6000
12000
Cumprimento / Segmento (m)
1200
1200
1200
1000
400
200
100
100
100

Tabela 1.1 – Comprimento em Função da Velocidade de Transmissão com Cabo Tipo A.

 

 

O padrão Profibus considera a capacitância máxima para cada taxa de comunicação. A Tabela 1.2 apresenta os comprimentos máximos dos troncos principais e dos spurs em função do baud rate. A topologia e a distribuição do cabeamento são fatores que devem ser considerados para a proteção de EMI (Emissão Eletromagnética).

 

É válido ressaltar que em altas freqüências os cabos se comportam como um sistema de transmissão com linhas cruzadas e confusas, refletindo energia e espalhando-a de um circuito a outro. Deve-se manter em boas condições as conexões, pois conectores inativos podem desenvolver resistência ou se tornar detectores de RF.

 

 

Baud Rate 
(kbit/s)
Tronco Máximo (m)
Spur Máximo
(m)
Máxima Expansão (m)
9.6
500
500
10000
19.2
500
500
10000
93.75
900
100
10000
187,5
967
33
10000
500
380
20
4000
1500
193.4
6.6
2000
3000
100
0
1000
6000
100
0
1000
12000
100
0
1000

Tabela 1.2 – Comprimentos Máximos dos Troncos Principais e dos Spurs em função do Baud Rate.

 

 

A recomendação é acrescentar um repetidor onde há a necessidade em criar braços além do tronco principal. Na prática, pode-se ter uma margem de 5% destes comprimentos máximos, não havendo a necessidade de comprar um repetidor quando se ultrapassa os limites dentro desta proporção. Utiliza-se a seguinte regra para determinar a máxima distância entre duas estações conforme a taxa de comunicação, considerando o número de repetidores:

 

(Nrep+1)*seg

 

Onde Nrepseg é o número máximo de repetidores em série e seg é o comprimento máximo de um segmento de acordo com o baud rate
Por exemplo, a uma taxa de 1500kbit/s (de acordo com a Tabela 1.1, é possível obter a distância máxima de 200m), o fabricante de um determinado repetidor recomenda que se utilize no máximo nove repetidores em série, é possível obter:

 

(9+1)*200=2000(m)

 

Outro detalhe a ser observado na prática, de acordo com a Figura 1.2, é o uso dos terminadores de barramento, onde preferencialmente o mestre está localizado no início do barramento com um terminador ativo e o último escravo, o mais distante do mestre, também possui terminador ativo. Isto significa que o último escravo deve permanecer alimentado o tempo todo e durante sua manutenção ou reposição, pode haver comunicação intermitente com os outros devices.

 

Devido à arquitetura e/ou topologia, algo como a Figura 1.3 é obtido, onde o mestre está localizado no meio do barramento. Os terminadores devem estar localizados no primeiro escravo (o mais à esquerda do mestre) e no último (o mais distante), mantendo-os sempre energizados. Durante a manutenção ou reposição, pode haver comunicação intermitente com os outros devices.

 



Figura 1.3 – Mestre Localizado no Meio do Barramento.

 

ATENÇÃO

Alguns repetidores não se programam automaticamente com a taxa de comunicação e nem mesmo possuem indicação luminosa de alimentação ativa. É comum o uso de repetidores onde se tem diferença de potencial de terra, assim como para isolar galvanicamente duas áreas. Alguns fornecedores de CCMs já incluem repetidores em suas soluções.

É aconselhado evitar colocar estações baseadas em PC como último elemento da rede, pois durante o reset a linha de +5V no conector 9-in sub D fica desabilitada e pode causar comunicação intermitente. Neste caso, costuma-se utilizar terminação ativa. 
As características desejáveis de um cabo Profibus DP são:

 

  • Área condutora: 0.34 mm2 (AWG 22);
  • Impedância: 35 a 165 Ω (nominal 150 Ω) nas freqüências de 3 a 20 Mhz;
  • Capacitância: < 30 pF/m;
  • Resistência de Loop: < 110 Ω/km;
  • Para o cabo tipo A, a maior distância é 1900m.

 

A resistência de loop é determinada da seguinte maneira: através de um curto-circuito entre os conectores em uma das extremidades do cabo, mede-se a resistência entre os dois conectores na outra extremidade com um multímetro e aplicam-se os valores à seguinte fórmula:

 

Onde o valor medido (Ω) = Rm (valor este que será usado posteriormente). O valor de Rs deve ser < 110 Ω/Km.

 

 

É necessário lembrar que cabos com capacitâncias maiores podem deformar as bordas e as formas do sinal de comunicação com a taxa de comunicação e a comunicação intermitente pode prevalecer. Cabos onde a resistência de loop é muito alta e a capacitância for menor que 30pF/m podem ser utilizados, mas a atenção deve estar voltada para a atenuação do sinal.

 

Os fabricantes de cabos recomendam a temperatura de operação entre -40ºC a +60ºC. Deve-se verificar os pontos críticos de temperatura por onde o cabeamento passa e se o cabo suporta a mesma. Como exemplo, tem-se que a resistência de loop de um cabo tipo A Profibus RS485 é 110 Ω a 20 ºC, podendo haver um aumento de 0,4% ºC.

 

Existem algumas regras que devem ser seguidas em termos do cabeamento e separação entre outros cabos, quer sejam de sinais ou de potência. Deve-se preferencialmente utilizar bandejamentos ou calhas metálicas, observando as distâncias conforme Tabela 1.3. Nunca se deve passar o cabo Profibus PA ao lado de linhas de alta potência, pois a indução é uma fonte de ruído e pode afetar o sinal de comunicação.

 

 
Cabo de comunicação Profibus
Cabos com e sem shield: 60Vdc ou 25Vac e < 400Vac
Cabos com e sem shield > 400Vac
Qualquer cabo sujeito à exposição de raios
Cabo de comunicação Profibus
 
10 cm
20 cm
50 cm
Cabos cocm e sem shield
10 cm
 
10 cm
50 cm
60 Vdc ou 25 Vac e < 400 Vac
       
Cabos com e sem shield: > 400 Vac
20 cm
10 cm
 
50 cm
Qualquer cabo sujeito à exposição de raios
50 cm
50 cm
50 cm
 

Tabela 1.3 – Distâncias de Separação entre Cabeamentos.

 

Em termos de cabo, não existe nenhuma nomenclatura padrão, mas na prática tem-se adotado:

  • Para condutores: verde (A);
  • Para as linhas de dados: vermelho (B), sendo o B positivo e o A negativo.

 

É conveniente que se utilize as linhas A e B de forma continuada ao longo de todo barramento, evitando inversões e cruzar os cabos. Se não for possível evitar o cruzamento de cabos, aconselha-se realizar cruzamentos perpendiculares.

 

Shield e Aterramento

 

shield (a malha, assim como a lâmina de alumínio) deve ser conectado ao terra funcional do sistema em ambas as extremidades do cabo, de tal forma a proporcionar uma ampla área de conexão com a superfície condutiva aterrada.

 

Ao passar o cabo, deve-se ter o cuidado de que somente o shield esteja aterrado nestes dois pontos. A máxima proteção se dá com os dois pontos aterrados, onde se proporciona um caminho de baixa impedância aos sinais de alta freqüência.

 

Em casos onde se tem um diferencial de tensão entre os pontos de aterramento e não se consegue passar junto ao cabeamento uma linha de equalização de potencial (a própria calha metálica pode ser usada ou um cabo AWG 10-12), é indicado que se aterre somente um ponto. Veja Figura 1.4.

 

Quando se tem o aterramento nas duas extremidades, a proteção é mais efetiva para uma ampla faixa de freqüência, ao contrário do aterramento em uma só extremidade, onde é mais eficaz para as baixas freqüências.

 


Figura 1.4 – Linha de Equipotencial.

 

Em termos de cabeamento, é recomendado o par de fios trançados com 100% de cobertura do shield. As melhores condições de atuação doshield se dão com pelo menos 80% de cobertura. Ao aterrar o shield em um só ponto, deve-se realizar na outra extremidade o devido acabamento, evitando que a malha metálica encoste e dê contato com pontos indesejáveis, por isso é necessário isolá-lo adequadamente. 
Quando se fala em shield e aterramento, na prática existem outras maneiras de tratar este assunto, onde há muitas controvérsias, como por exemplo, o aterramento do shield pode ser feito em cada estação através do conector 9-pin sub D (veja Figura 1.5), onde a carcaça do conector dá contato com o shield neste ponto e ao conectar na estação é aterrado. Este caso, porém, deve ser analisado pontualmente e verificado em cada ponto a graduação de potencial dos terras e se necessário, equalizar estes pontos.

 

Em áreas perigosas deve-se sempre fazer o uso das recomendações dos órgãos certificadores e das técnicas de instalação exigidas pela classificação das áreas. Um sistema intrinsecamente seguro deve possui componentes que devem ser aterrados e outros que não. O aterramento tem a função de evitar o aparecimento de tensões consideradas inseguras na área classificada. Na área classificada evita-se o aterramento de componentes intrinsecamente seguros, a menos que o mesmo seja necessário para fins funcionais, quando se emprega a isolação galvânica. A normalização estabelece uma isolação mínima de 500 Vca. A resistência entre o terminal de aterramento e o terra do sistema deve ser inferior a 1Ω. No Brasil, a NBR-5418 regulamenta a instalação em atmosferas potencialmente explosivas. 
Um outro cuidado que deve ser tomado é o excesso de terminação. Alguns dispositivos possuem terminação on-board.

 


Figura 1.5 – Detalhe do Conector Típico 9-Pin Sub D.

 

A Figura 1.6 apresenta detalhes de cabeamento, shield e aterramento quando se tem áreas distintas. 
Quanto ao aterramento, recomenda-se agrupar circuitos e equipamentos com características semelhantes de ruído em distribuição em série e unir estes pontos em uma referência paralela. Recomenda-se aterrar as calhas e bandejamentos.

 

Um erro comum é o uso de terra de proteção como terra de sinal. Vale lembrar que este terra é muito ruidoso e pode apresentar alta impedância. É interessante o uso de malhas de aterramento, pois apresentam baixa impedância. Condutores comuns com altas freqüências apresentam a desvantagem de terem alta impedância. Osloops de correntes devem ser evitados. O sistema de aterramento deve ser visto como um circuito que favorece o fluxo de corrente sob a menor indutância possível. O valor de terra deve ser menor do que 10 Ω. 



Figura 1.6 – Detalhe de Cabeamento em Áreas Distintas com Potenciais de Terras Equalizados.

 



Figura 1.7 – Detalhe da Preparação do Cabo Profibus.

 

Algumas recomendações:

  • Deve-se evitar splice, ou seja, 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 que 400m, a somatória dos comprimentos de todos ossplices não deve ultrapassar 2% do comprimento total e ainda, em comprimentos menores que 400m, não deve exceder 8m.
  • Em áreas sujeitas à exposição de raios e picos de alta voltagem, é indicado utilizar os protetores de surtos. Toda vez que houver uma distância efetiva maior que 100m na horizontal ou 10m na vertical entre dois pontos aterrados, recomenda-se o uso de protetores de transientes. Na prática, na horizontal, entre 50 e 100m, recomenda-se o uso dos mesmos;
  • Quando a taxa de comunicação for maior ou igual a 1.5 MHz, é recomendado ter pelo menos 1m de cabo entre dois equipamentos DP. A capacitância de entrada dos dois equipamentos compensará o cabo, a fim de preservar a impedância comum. Quando se tem uma distância menor, a capacitância de entrada pode causar reflexões. Em taxas inferiores a 1.MHz este efeito é bem menor.

 

  • O sinal fieldbus deve ser isolado das fontes de ruídos, como cabos de força, motores, inversores de freqüência e colocá-los em guias e calhas separadas;
  • Quando utilizar cabos multivias, não se deve misturar sinais de vários protocolos;
  • Quando possível, utilizar filtros de linha, ferrites para cabo, supressores de transientes, centelhadores (spark gaps), feedthrue isoladores óticos para proteção;
  • Utilizar canaletas de alumínio onde se tem a blindagem eletromagnética externa e interna. São praticamente imunes as correntes de Foucault devido à boa condutibilidade elétrica do alumínio;
  • Para a taxa de 12 Mbits/s, recomenda-se colocar conectores com indutores de 110 nH, conforme a Figura 1.8;
  • Para cada equipamento, antes de instalá-lo, ler cuidadosamente seu manual e as recomendações do fabricante;
  • Em casos onde existem problemas com distâncias ou alta susceptibilidade a ruídos, recomenda-se o uso de fibras óticas, onde é possível estender a mais de 80Km (fibras sintéticas);
  • É comum o uso de linkótico. Neste caso, recomenda-se estar atento ao uso de repetidores. Veja Figura 1.9;
  • Sempre verificar o endereçamento. No Profibus DP é comum ser local, através de dip switches.

 


Figura 1.8 – Conexão de Conectores e Indutores na Rede Profibus DP.

 

 


Figura 1.9 – Repetidores, Terminadores e Link Ópticos.

 

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:

 

  • - Manuais Smar Profibus
  • www.smar.com.br
    • - Material de Treinamento em Profibus - César Cassiolato
    • - Especificações técnicas Profibus.