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

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 consequentemente gerado uma degradação da qualidade da performance da rede. Dividimos este artigo, pela sua extensão e abrangência em seis partes. Esta é a terceira 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 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 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 terceira, temos:

Meio Físico, Cabeamento e Instalação – PROFIBUS PA

O Profibus PA é um protocolo de comunicação digital bidirecional, que permite a interligação em rede de vários equipamentos diretamente no campo, realizando funções de aquisição e atuação, assim como a monitoração de processos e estações (IHMs) através de softwares supervisórios. É baseado no padrão ISO/OSI, onde se têm as seguintes camadas: Physical Layer, Communication Stack e User Application, podendo-se citar o gerenciamento de forma abrangente com a aplicação e com advento de modelos baseados em Function Blocks (Blocos Funcionais) mais Device Descriptions (Descrição de Dispositivos).
O Physical Layer (Meio Físico, conhecido como PA ou H1) é definido segundo padrões internacionais (IEC e ISA). Ele recebe mensagens da camada de comunicação (Communication Stack) e as converte em sinais físicos no meio de transmissão fieldbus e vice-versa, incluindo e removendo preâmbulos, delimitadores de começo e fim de mensagens.
O meio físico é baseado na IEC61158-2, com as seguintes características:

• Transferência de dados usando codificação Manchester, com taxa de 31.25kbit/s;
• Para um sinal de comunicação íntegro, cada equipamento deve ser alimentado com no mínimo 9 volts. O meio físico H1 permite que se alimente os equipamentos via barramento, sendo que o mesmo par de fios que alimenta o equipamento também fornece o sinal de comunicação. Existem alguns equipamentos que são alimentados externamente;
• Comprimento máximo de 1900m/segmento sem repetidores;
• Ao utilizar até 4 repetidores, o comprimento máximo pode chegar a 9.5 Km;
• Um barramento Profibus PA sem segurança intrínseca e alimentação externa à fiação de comunicação dever suportar de 2 até 32 equipamentos em aplicação;
•  O barramento Profibus PA deve ser capaz de se suportar vários equipamentos em aplicação com segurança intrínseca e sem alimentação (valores típicos para equipamentos com 10mA de corrente quiescente):
• Explosion Group IIC: 9 equipamentos;`
• Explosion Group IIB: 23 equipamentos.

Obs.: É possível conectar mais equipamentos que o especificado, mas isso depende do consumo dos equipamentos, fonte de alimentação e características das barreiras de segurança intrínseca e do modelo FISCO;

• Não deve haver interrupção do barramento com a conexão e desconexão de equipamentos enquanto estiver em operação;
• Topologia em barramento, árvore, estrela ou mista.

O modelo FISCO tem as seguintes características:

• Haver um único elemento ativo (fonte de alimentação) no barramento de campo, localizado na área não-classificada;
•  Os demais equipamentos na área classificada são passivos;
•  Cada equipamento de campo deve ter um consumo mínimo de 10mA;
•  Em áreas Ex ia o comprimento máximo do barramento deve ser 1000m e em Ex ib, 5000m;
•  Em termos de cabo (sem restrições para cabeamento até 1000m) é necessário ter os seguintes parâmetros:
• R´:15 ... 150 Ohm/km;
• L´: 0.4 ... 1 mH/km;
• C´: 80 ... 200 nF/km.

Cabo tipo A: 0.8mm2 (AWG18)

• Em termos de terminação:
• R = 90 ... 100 ohms;
• C = 0 ... 2.2 µF.

O conceito FISCO foi otimizado para que seja permitido um número maior de equipamentos de campo, de acordo com o comprimento do barramento, levando-se em conta a variação das características do cabo (R', L',C') e terminadores, atendendo categorias e grupos de gases com uma simples avaliação da instalação envolvendo segurança intrínseca. Com isto, aumentou-se a capacidade de corrente por segmento e facilitou para o usuário a avaliação. Além disso, ao adquirir produtos certificados, o usuário não precisa se preocupar mais com cálculos, mesmo em substituição em operação.

Figura 1.1 – Exemplo de sinal Fieldbus em modo tensão.

Figura 1.2 – Exemplo de codificação Manchester.

A transmissão de um equipamento tipicamente fornece 10mA a 31.25kbit/s em uma carga equivalente de 50 Ω, criando um sinal de tensão modulado de 750mV a 1.0 V pico a pico. A fonte de alimentação pode fornecer de 9 a 32 VDC, porém em aplicações seguras (IS) devem-se atender os requisitos das barreiras de segurança intrínseca.

Figura 1.3 – Modo Tensão 31.25 kbit/s.

O comprimento total do cabeamento é a somatória do tamanho do trunk (barramento principal) e todos os spurs (derivações maiores que 1m), sendo que com o cabo tipo A é de no máximo 1900m em áreas não seguras. Em áreas seguras é de no máximo 1000mm com o cabo tipo A e os spurs não podendo exceder 30m.

Tipos de Cabo Recomendados

A IEC61158-2 determina que o meio físico do Profibus PA deve ser um par de fios trançados. As propriedades de um barramento de campo são determinadas pelas condições elétricas do cabo utilizado. Embora a IEC61158-2 não especifica tecnicamente o cabo, o cabo tipo A é altamente recomendado a fim de garantir as melhores condições de comunicação e distâncias envolvidas.

A Tabela 1.1 apresenta em detalhes as especificações dos diversos cabos à 25ºC. Vale lembrar que a maioria dos fabricantes de cabos recomendam a temperatura de operação entre -40ºC a +60ºC. É necessário verificar os pontos críticos de temperatura por onde é passado o cabeamento e se o cabo suporta a mesma. A resistência do cabo tipo A de 22 Ω/Km é válida a 25 ºC. Por exemplo, a resistência do cabo tipo A a 50 ºC é 24.58 Ω/Km. Isso deve ser levado em conta em países quentes como o Brasil.

Tabela 1.1 – Características dos Diversos Cabos Utilizados em Profibus-PA.

Comprimento Total do Cabo e Regras de Distribuição e Instalação

O comprimento total do cabo Profibus-PA deve ser totalizado desde a saída do ponto de conversão DP/PA até o ponto mais distante do segmento, considerando as derivações. Vale lembrar que braços menores que 1m não entram neste total.

O comprimento total do cabeamento é a somatória do tamanho do trunk (barramento principal) mais todos os spurs (derivações maiores que 1m), sendo que com cabo do tipo A, é de no máximo 1900m em áreas não seguras. Em áreas seguras com cabo tipo A, é de no máximo 1000m, considerando que os spurs não podem exceder 30m.

Em termos de instalação e distribuição, é recomendado evitar splice, ou seja, qualquer parte da rede que tenha um meio condutor especificado e um comprimento descontínuo menor que 1m, como 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 os splices não deve ultrapassar 2% do comprimento total e ainda, em comprimentos menores do que 400m, não deve exceder 8m.

O comprimento máximo de um segmento PA quando se utiliza cabo de tipos diferentes fica limitado de acordo com a seguinte fórmula:

Onde:

• LA: Comprimento do cabo A;
• LB: Comprimento do cabo B;
• LC: Comprimento do cabo C;
• LD: Comprimento do cabo D;
• LA max: Comprimento máximo permitido com o cabo A (1900m);
• LB max: Comprimento máximo permitido com o cabo B (1200m);
• LC max: Comprimento máximo permitido com o cabo C (400m);
• LD max: Comprimento máximo permitido com o cabo D (200m).

Com relação aos braços (spurs), é necessário estar atento aos comprimentos dos mesmos. A quantidade de equipamentos PA (deve ser considerado os repetidores quando houver) deve estar de acordo com a Tabela 1.2. Em áreas classificadas o spur máximo é de 30m.

Tabela 1.2 - Spur x Número de Equipamentos PA.

Observação: O limite de capacitância do cabo deve ser considerado desde que o efeito no sinal de um spur seja menor que 300m e se assemelha a um capacitor. Na ausência de dados do fabricante do cabo, um valor de 0.15 nF/m pode ser usado para cabos Profibus.

Onde:
CT: Capacitância total em nF;
LS: Comprimento do spur em m;
Cs: Capacitância do fio por segmento em nF (padrão: 0.15);
Cd: Capacitância do equipamento PA.

A atenuação associada a esta capacitância é 0.035 dB/nF. Sendo assim, a  atenuação total vale:

Sendo que 14 dB é o que permitirá o mínimo de sinal necessário para haver condições de detectá-lo com integridade.

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. Além disso, o sinal fieldbus deve ser isolado de fontes de ruídos, como cabos de força, motores e inversores de freqüência. Recomenda-se colocá-los em guias e calhas separadas. O ideal é utilizar canaletas de alumínio, onde se tem a blindagem eletromagnética externa e interna. As correntes de Foucault são praticamente imunes, devido à boa condutibilidade elétrica do alumínio. Convém lembrar que o cruzamento entre os cabos deve ser feito em ângulo de 90º.

Tabela 1.3 – Distâncias Mínimas de Separação entre Cabeamentos.

Terminadores da Rede PROFIBUS-PA

Dois terminadores de barramento devem estar conectados na rede Profibus-PA, sendo um na saída do coupler DP/PA e o outro no último equipamento (normalmente o mais distante do coupler), dependendo da topologia adotada.

Se na distribuição do cabeamento houver uma caixa de junção no final do tronco principal com vários braços (spurs), o terminador de campo deve ser colocado neste ponto, o que facilitará na manutenção quando for necessário remover equipamentos.

É preciso se certificar da correta conexão do terminador, lembrando que a falta de terminadores proporcionam a intermitência da comunicação, uma vez que não há casamento de impedância e há aumento da reflexão de sinal.

A falta de um terminador ou sua conexão em ponto incorreto também degrada o sinal, uma vez que  também ficará parte do cabeamento como uma antena. Esta ausência pode aumentar em mais de 70% o sinal e um terminador a mais pode atenuar o sinal em até 30%. A atenuação e intermitência podem gerar falhas de comunicação.

O terminador da rede PA é composto de um resistor de 100Ω ± 2% e um capacitor de  1µF ± 20%  em série.

Figura 1.4 – Formas de Ondas Típicas do H1 de Acordo com a Terminação

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, 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

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