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.

 

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

 

O 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.

 

 

 

• 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.