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

César Cassiolato, Diretor de Marketing, Qualidade e Assistência Técnica 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 startup 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 sexta e última 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 startup, 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 de hardware, menor tempo para startup, 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 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 voltagem 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 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.
Dando continuidade à quinta parte, temos:

Parametrização do Barramento

Um mestre Profibus DPV1 como, por exemplo, o DF73 da SMAR, suporta taxas de comunicação até 12 Mbits/s, onde esta taxa deve ser selecionada de acordo com a velocidade do equipamento mais lento na rede DP.
           
Quando se tem o PROFIBUS PA, deve-se atentar aos tipos de couplers, pois alguns possuem taxas de velocidade menores:

• P+F SK1: 93.75 kbits;
• P+F SK2, SK3: 45.45 kbits a 12 Mbits/s;
• Siemens DP/PA coupler: 45.45 kbits;
• Siemens DP/PA linkDP/PA: 9.6 kbits a 12 Mbits/s.

Tabela 1.1 – Parâmetros de Barramento para o DF73 da SMAR

Para outros mestres, consultar o manual do fabricante.

Algumas dicas de configuração dos tempos envolvidos no PROFIBUS

Os parâmetros de barramento do PROFIBUS são comumente dados em “bit times (TBIT)”. Esta é a unidade que é mostrada tipicamente nos arquivos GSD e nas ferramentas de configuração, etc.

O Target Token Rotation Time (TTR) é dado em bit times e normalmente é calculado pelas ferramentas de configuração. É o tempo para se passar o token por toda a rede e retorna ao seu mestre inicial. Quando se tem múltiplos mestres, isto inclui o tempo total para cada mestre completar seu ciclo de I/O, passar o token ao próximo mestre e este retornar ao mestre inicial. Alguns fatores influenciam diretamente o TTR: o baud rate, o número de escravos com troca de dados cíclicos, o número total de I/Os durante a troca de dados e o número de mestres.

Um parâmetro diretamente influenciado pelo TTR é o watchdog time. Este é o tempo descarregado na configuração de cada escravo e que será usado pelo escravo para detectar falhas de comunicação. A cada falha detectada com a expiração do time, o escravo vai ao estado de reset e com isto nenhuma troca de dados cíclica é permitida e deverá ser inicializado pelo mestre. Este procedimento levará pelo menos 4 ciclos de barramento. É comum, porém não recomendado, se ver na prática usuários reduzindo o tempo de TTR e com isto se tem watchdog time muito pequeno, o que faz com que no final do tempo de barramento sempre se tem a expiração do time do escravo e sempre o escravo levará 4 ciclos para trocar dados novamente e a performance da rede fica comprometida.

Figura 1.2 – Parametrização do Barramento

Se um escravo detecta um erro de transmissão ao receber um pedido do mestre, ele simplesmente não responde e depois de esperar um slot time, o mestre enviará novamente o pedido (retry). Da mesma forma, se o mestre detectar uma falha na resposta do escravo, também enviará novamente o pedido. O número de vezes que o mestre tentará sucesso na comunicação com o escravo dependerá da taxa de comunicação, sendo:

• 9.6kbits/s a 1.5Mbits/s à 1;
• 3.0 Mbits/s à 2;
• 6.0 Mbits/s à 3;
• 12.0 Mbits/s à 4.

Após esgotar todos os retries, o mestre marca o escravo, indicando um problema e realiza o logout. Nos ciclos subseqüentes, se o mestre consegue sucesso, ele realiza a seqüência do startup novamente (4 ciclos para trocar dados novamente).

É comum, por exemplo, em redes onde não se tem uma comunicação íntegra devido ao nível de ruído ou devido a uma má condição de shield e de aterramento aumentar o número de retries, até que se corrija o problema. Outra situação em que se procura aumentar este número é quando há mais de 9 repetidores. A utilização de repetidores provoca congestionamento de tráfego (atrasos crescentes nas filas) e com o objetivo de resolver esse problema, é proposto um mecanismo inovador de inserção de tempos mortos (idle time) entre transações, recorrendo para o efeito à utilização dos dois temporizadores Idle Time do Profibus.

Existem situações quando se tem múltiplos mestres de um mesmo fabricante e ainda utilizando ferramentas deste mesmo fabricante. Neste caso, na maioria das vezes o tempo de rotação do token (TTR) é otimizado pela própria ferramenta, de tal forma a garantir o perfeito funcionamento da rede. Existe outra situação onde os mestres são de diferentes fabricantes e a ferramenta não calcula automaticamente o TTR e, neste caso, o que se deve fazer é levantar para cada mestre o perfeito TTR isoladamente e depois somar os tempos determinados para ter o TTR de ambos os mestres ao mesmo tempo.

Ainda na Figura 1.2 têm-se os seguintes parâmetros importantes:

• Tid1: Quanto tempo (µs) que o mestre espera se receber uma resposta ou um reconhecimento;
• Tid2: Quanto tempo (µs) que o mestre espera após enviar uma mensagem e antes de enviar a próxima mensagem;
• Quiet time: é o número de bit time que o mestre espera em cada transmissão, antes de começar a enviar dados;
• Gap Actualization Factor: É o número de rotações do token entre solicitações para um novo mestre.

Watchdog Time (TWD)

A característica de watchdog pode ser configurada no Profibus com a intenção de monitorar ciclicamente a troca de dados cíclicos com os escravos. Este tempo é monitorado pelo escravo e é ativado sempre que a última comunicação cíclica expira. Após o tempo decorrido do watchdog time, as saídas vão para um estado seguro e o escravo entra no modo Wait_prm. O valor deste tempo pode variar de acordo com o usuário, mas seu valor mínimo é um tempo de ciclo (Cycle time).
Para a maioria das ferramentas de configuração, este valor é calculado em função da taxa de comunicação e dos tempos anteriormente comentados. O que se recomenda na prática é que este valor não seja tão longo, de forma que leve muito tempo para as saídas irem para um estado seguro ou mesmo muito curto que em qualquer situação leve as mesmas aos estados seguros, mesmo sem o mestre falhar.
Normalmente, quando se tem 12 Mbits/s no PROFIBUS DP e há o PROFIBUS PA, utiliza-se um fator de 300.

Dica: Quando se utiliza o SK2 da P+ F, recomenda-se o uso de TWD = 5s.

O  não deve ser maior do que o maior tempo de atraso  que ocorrerá:

Onde           
: Tempo de ciclo no Profibus DP;
: Tempo de ciclo no Profibus PA.
A P+F recomenda três vezes o tempo de ciclo do Profibus PA para o SK2. O tempo de ciclo do PA depende do número de equipamentos no canal, assim como da quantidade efetiva de bytes trocada pelos escravos com o mestre DP no canal:
- LΣ: Total de bytes de entrada de todos os devices + total de bytes de saída de todos os devices/N;
- N: Número total de devices.
 =
 Para mais detalhes consulte o manual do SK2.
 =
Quando se tem mais de um segmento, deve-se considerar a soma de todos os tempos de ciclos por segmento.

Tempo de Ciclo

O tempo de reposta em um sistema PROFIBUS DP é essencialmente dependente dos seguintes fatores:

• MaxTSDR: Tempo de resposta após o qual uma estação pode responder;
• A taxa de comunicação selecionada;
• Min_Slave_Intervall: Tempo entre dois ciclos de polling no qual um escravo pode trocar dados com um escravo. Depende do ASIC utilizado, porém no mercado encontramos tempos de 100µs.

: Soma de todos os tempos de ciclos + Tempo de ciclo do PLC + Tempo de transmissão do PROFIBUS DP
Quando se utiliza o SK2, o tempo total de ciclo pode ser reduzido.
Como exemplo, tem-se um coupler da Siemens ou o SK1 da P+F e 10 equipamentos de entrada (tempo de resposta 10ms cada um) e que o PLC tenha um tempo de ciclo de 100ms, então:

Neste caso ainda entra o tempo de transmissão do PROFIBUS DP
 Considera-se agora o coupler SK2. Para este coupler vale:

Onde
 =

Onde
: Número total de equipamentos PA;
: Número total de equipamentos PA e DP;
: Número total de bytesde entrada de todos os equipamentos PA no canal;
: Número total de bytes de saída de todos os equipamentos PA no canal;
: Número total de bytes de entrada de todos os equipamentos PA e DP;
: Número total de bytes de saída de todos os equipamentos PA e DP;
: Bit time / (baude rate).

Para o link DP/PA da Siemens, considera-se:
≥ 10 ms x número de equipamentos PA + 10 ms (serviços acíclicos mestre classe 2) + 2.0 ms (para cada conjunto de 5 bytes de valores cíclicos).

Figura 1.3 – Tempo de ciclo com o link DP/PA

Conectando Equipamentos ao Profibus
Os Equipamentos Profibus podem ser conectados ou removidos de uma rede Profibus em operação. Ao remover um equipamento assegure-se que os fios Profibus não estão curto-circuitados ou entrem em contato com outros fios, blindagem ou aterramento. Não podem ser misturados equipamentos Profibus com velocidades diferentes de comunicação na mesma rede. Equipamentos alimentados ou não pelo barramento podem ser misturados e compartilhados na mesma rede. Não se deve conectar equipamentos que não sejam Profibus à rede. Indicadores do tipo analógico com bobinas, etc. podem afetar a comunicação. A impedância alta DVMs pode ser usada para troubleshooting, etc.

Procedimento de Recebimento
Ao receber o equipamento, desempacote-o e conecte-o a fonte de alimentação e verifique se a configuração do seu endereço está de acordo com a aplicação usando o procedimento de ajuste local ou durante a inicialização quando é mostrado o seu endereço num tempo curto.
O usuário pode mudar o endereço físico de um equipamento fieldbus em uma rede operacional sem desconectá-lo.

Equipamentos da Rede
O endereço 126 é o endereço default (padrão) para todos os equipamentos.
Usando ferramentas de configuração, como o ProfibusView da SMAR, o usuário pode mudar o endereço do equipamento e configurá-lo para um default genérico igual 126.

Verificação Mínima Antes de Estabelecer a Comunicação na Rede Profibus

• Configuração da rede;
• Verifique se todos os arquivos GSDs estão de acordo com os modelos dos equipamentos instalados e se as versões são compatíveis com os mesmos. No caso da rede possuir o link IM157, verifique se todos os seus escravos PA estão incluídos em seu arquivo GSD. No caso do High Speed Coupler (SK2 e SK3) da P+F, existe uma adequação dos arquivos GSDs que deve ser feita.
  A P+F disponibiliza em seu site um aplicativo que faz a adequação (mais detalhes, consulte o site):
  http://www.pepperl-fuchs.com/selector/navi/productInfo/18/1830112c.zip
  
• Verifique se todos os escravos suportam a taxa de comunicação selecionada;
  
• Verifique a parametrização do coupler DP/PA de acordo com os manuais dos fabricantes;
  
• Verifique se todos os escravos estão endereçados corretamente e se não existem endereços duplicados. Vale lembrar que o default é 126 e somente um equipamento com 126 pode estar presente no barramento de cada vez. No caso da rede possuir o link IM157, verifique o endereçamento e seus escravos. Ao estabelecer a comunicação, haverá indicação de falha no coupler DP/PA e/ou IM157 se houver endereços repetidos.
  
• Verifique se todas as opções escolhidas de módulos nos arquivos GSDs estão adequadas e se os módulos vazios (Empty Module) foram atribuídos aos módulos não utilizados.
  
• Verifique a condição de swap de bytes, pois em alguns sistemas ela é necessária. Veja a Tabela 1.1 a seguir:

Tabela 1.1 – Sistemas Profibus e condição de swap de Bytes
 

Verificação Mínima ao Estabelecer a Comunicação na Rede Profibus

• Verifique se todos os Equipamentos aparecem no Live List;
• Verifique se existe alguma condição de anúncio de diagnóstico. Se houver, procure identificá-la;
• Verifique se existe alguma condição visual de erro no Mestre Classe 1, link DP/PA, couplers DP/PA ou escravos. Lembre-se que o Indentifier Number selecionado no escravo deve estar em Manufacturer Specific(0x01) para que esteja casado com o GSD do escravo.

A Tabela abaixo mostra alguns sintomas, causas prováveis e recomendações que podem ser úteis durante a fase de comissionamento/startup e manutenção:

Tabela 1.5 – Sintomas, causas prováveis e recomendações que podem ser úteis durante a fase de comissionamento/startup e manutenção

Conclusão
Chegamos ao final das seis partes que compõe este artigo, aonde vimos vários detalhes importantes 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, startup 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.