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 deste Fieldbus 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]:

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:

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:

4.1. Determinando a Resistência de Loop

A 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.

A 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:

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]:

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:

 
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:

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:

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