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Analisando sinais PROFIBUS e reflexões

César Cassiolato - Vivace Process Instruments

O Profibus é um protocolo digital utilizado em sistemas de controle, que permite a conexão com interoperabilidade de diversos equipamentos e fabricantes. Possui uma série de vantagens em relação à tecnologia 4-20 mA, onde resumidamente pode-se citar, dentre outras:
  • Fácil cabeamento com redução de custos;
  • Simples operação, através da sala de controle;
  • Aplicações em área classificadas;
  • Altas taxas de comunicação no Profibus-DP;
  • Poderosas ferramentas de configuração/parametrização e gerenciamento de ativos;
  • Tecnologia aberta e em contínua evolução.

Assim como em outras tecnologias digitais, o sucesso de uma rede Profibus está diretamente ligado à qualidade das instalações.

Muitas vezes a confiabilidade de um sistema de controle é frequentemente colocada em risco devido às suas más instalações.

Neste breve artigo veremos um pouco sobre reflexões e como diagnosticar e solucioná-las com o uso de um osciloscópio.

O que é reflexão de sinal?
A reflexão do sinal ocorre quando um sinal é transmitido ao longo de um meio de transmissão, tal como um cabo de cobre ou fibra óptica e parte da energia do sinal pode ser refletido de volta para sua origem. Isso pode acontecer por imperfeições no cabo, mudança de impedância ao longo da linha de comunicação (splices), falta do terminador, terminação em excesso, spur além do permitido, comprimento total além do permitido, etc.

Os pontos mais prováveis para reflexões são nas conexões ou junções do cabo, ou ainda em pontos onde se tem violada a curvatura mínima do cabo.

Veremos neste material as reflexões por falta e excesso de terminação no barramento e como identificá-las com o uso de um osciloscópio.

Vale lembrar que o terminador é uma impedância que se acrescenta na rede Profibus com a função de casar a impedância da rede. Quanto maior for o comprimento da rede, maior poder ser a distorção dos sinais. O terminador elimina erros de comunicação por distorções de sinais. Vale a pena ainda lembrar que se não colocarmos o terminador, o cabeamento 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. Ou 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.

Reflexão por falta de terminador
Neste caso, teremos uma reflexão positiva, ou seja, o sinal vem dentro do padrão e de repente aumenta de valor e depois volta ao padrão.
Isto acontece pelo fato de se ter o sinal aberto com impedância infinita.

Com um osciloscópio pode-se determinar o ponto a partir da medição, onde é necessária a instalação de um terminador. Através da medição do tempo t (em ns), dividindo-o por 10, pode-se determinar este ponto em metros, isto é, onde está faltando o terminador. Veja figura 1.

O sinal elétrico caminha no cabo Profibus a uma velocidade de 5ns/m (~0.6 x velocidade da luz, C= 299.792.458 m/s).
Reflexo por falta de terminador
 
Figura 1 - Sinal com Reflexão Positiva (Falta de Terminação)
Por exemplo, se t=500 ns, então acerca de 50 m do ponto de medição é o ponto onde deveria ter um terminador conectado.

Reflexão por excesso de terminador
Neste caso, teremos uma reflexão negativa, ou seja, o sinal vem dentro do padrão e de repente diminui de valor e depois volta ao padrão.

Isto acontece pelo fato do sinal encontrar uma impedância maior pelo excesso de carga do terminador que está a mais no barramento.

Com um osciloscópio pode-se determinar o ponto a partir da medição, onde se tem um terminador a mais instalado. Através da medição do tempo t (em ns), dividindo-o por 10, pode-se determinar este ponto em metros. Veja figura 2.

O sinal elétrico caminha no cabo Profibus a uma velocidade de 5ns/m (~0.6 x velocidade da luz, C= 299.792.458 m/s).
Reflexo por excesso de terminador
 
Figura 2 - Sinal com Reflexão Negativa (Excesso de Terminação)
Por exemplo, se t=500 ns, então acerca de 50 m do ponto de medição é o ponto onde existe um terminador a mais ligado na rede.

Conclusão
O sucesso de toda rede de comunicação está intimamente ligado à qualidade das instalações. O seu tempo de comissionamento, startup e seus resultados podem estar comprometidos com a qualidade das instalações.
Normalmente, mais de 90% dos problemas em redes digitais estão relacionados às condições das instalações.

Além disso, em plantas com tecnologias Profibus, recomenda-se serviços de certificação de redes por profissionais capacitados, garantindo, além da conformidade com os padrões, vantagens como:
  • Aumento do desempenho e confiabilidade da rede;
  • Redução no tempo de comissionamento, startups e paradas;
  • Atuação preventiva e preditiva nas possíveis falhas em instalações e sinais de comunicação;
  • Aumento da segurança operacional com as melhorias sugeridas;
  • Elevação da performance operacional e redução dos custos globais de operação e manutenção, entre outros.

Este artigo não substitui os padrões IEC 61158 e IEC 61784 e nem os perfis e guias técnicos do PROFIBUS. Em caso de discrepância ou dúvida, os padrões IEC 61158 e IEC 61784, perfis, guias técnicos e manuais de fabricantes prevalecem. Sempre que possível, consulte as regulamentações físicas, assim como as práticas de segurança de cada área.

O conteúdo deste breve artigo foi elaborado cuidadosamente. Entretanto, erros não podem ser excluídos e assim nenhuma responsabilidade poderá ser atribuída ao autor. Sugestões de melhorias podem ser enviadas ao e-mail cesar.cassiolato@vivaceinstruments.com.br.

Sobre o autor
César Cassiolato é presidente e diretor de Qualidade da Vivace Process Instruments. É também conselheiro administrativo da Associação PROFIBUS Brasil América Latina desde 2011, onde foi presidente de 2006 a 2010, diretor técnico do Centro de Competência e Treinamento em PROFIBUS, diretor do FDT Group no Brasil e engenheiro certificado na Tecnologia PROFIBUS e Instalações PROFIBUS pela Universidade de Manchester.

Referências 
  • Manuais Vivace ProcessInstruments
  • Artigos Técnicos César Cassiolato
  • www.vivaceinstruments.com.br
  • Material de treinamento e artigos técnicos PROFIBUS - César Cassiolato
  • Especificações técnicas PROFIBUS
  • www.profibus.com



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