César Cassiolato- Gerente de Produtos
Marcos Mesquita – Gerente TurnKey & Assistência Técnica
Nova Smar S/A
Introdução
Com a tecnologia Fieldbus, os usuários podem ter diversos benefícios proporcionados pela tecnologia digital e além disso, podem tirar vantagens e conseguir otimização e redução de custos de distribuição das redes, garantindo segurança e confiabilidade nas operações.
Para o sucesso de qualquer rede de automação e controle, a instalação deve ser criteriosa e dentro das especificações.Este artigo mostra alguns cuidados e práticas no dimensionamento e instalação que devem ser adotadas em redes Profibus PA e que valem também para as redes H1 do Foundation Fiedbus, uma vez que o meio físico destes protocolos está definido pelo mesmo padrão, IEC61158-2.
Definição do meio físico H1
O Profibus PA são protocolos 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.São baseados no padrão ISO/OSI, onde se tem as seguintes camadas: Physical Layer, Communication Stack e User Application, onde podemos 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, que recentemente foi padronizada de acordo com a IEC, no conceito de EDDL englobando HART, Foundation Fieldbus e Profibus).
O Physical Layer (Meio Físico) é definido segundo padrões internacionais( IEC, 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, onde podemos citar as seguintes características:
O modelo FISCO tem as seguintes características:
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'), 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 os usuários a avaliação. Além disso, ao adquirirem produtos certificados não precisam se preocupar mais com cálculos, mesmo em substituição em operação.
Figura 1 – Exemplo de sinal Fieldbus em modo tensão
Figura 2 – Exemplo de codificação Manchester
A transmissão de um equipamento tipicamente fornece 10mA a 31.25kbit/s em uma carga equivalente de 50 Ohms criando um sinal de tensão modulado em 1.0 Volt pico a pico. A fonte de alimentação pode fornecer de 9 a 32 VDC, porém em aplicações seguras (IS) deve atender os requisitos das barreiras de segurança intrínseca.
Figura 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 cabo do tipo A(*), é de no máximo 1900m em áreas não seguras. Em áreas seguras, é de no máximo 1000 m, com cabo tipo A e os spurs não podem exceder 30m.
Topologias
Em termos de topologia podemos ter os seguintes modelos, lembrando que estes exemplos são para uma rede Profibus PA, mas que quanto a rede H1 também valem para a Foundation Fieldbus: estrela(fig.4), barramento(fig.5) e ponto-a-ponto(fig.6). Na prática normalmente tem-se uma topologia mista:
Figura 4 – Topologia Estrela
Figura 5 – Topologia Barramento
Figura 6 – Topologia Ponto-a-Ponto
Dimensionando o número de equipamentos em uma rede Profibus PA
Observe-a figura 7, onde temos uma arquitetura típica em Profibus.
Figura 7 – Arquitetura típica de uma rede Profibus
Basicamente, podemos citar os seguintes elementos de uma rede Profibus:
1) Mestres(Masters): são elementos responsáveis pelo controle do barramento.Eles podem ser de duas classes:
2) Acopladores(Couplers): são dispositivos utilizados para traduzir as características físicas entre o PROFIBUS DP e o PROFIBUS PA (H1:31,25kbits/s). E ainda:
Tabela 1 – Dados dos couplers
3) Link devices: São dispositivos utilizados como escravos da rede PROFIBUS DP e mestres da rede PROFIBUS PA (H1:31,25kbits/s).São utilizados para se conseguir altas velocidades, de até 12Mbits/s no barramento DP. E ainda:
Cálculo do número de equipamentos em um segmento PA non-Ex
Iremos mostrar o cálculo em um comprimento máximo de 1900m(cabo tipo A), considerando os seguintes dados:
E tomando como base a lei de Ohm:
V = RxIx(N)
N = V/(IxR), onde:
V = queda máxima de tensão no cabo garantindo a tensão mínima de
alimentação no equipamento mais distante do coupler.
I = corrente de cada equipamento PA
R = resistência total
N = número de equipamentos
Substituindo os valores:
N = (19-9)/(12x10-3 x 1.9x 44) = 10 equipamentos
Verificando a corrente total com a máxima corrente fornecida pelo coupler, tem-se:
I = 10 x 12mA = 120mA < 400mA -> OK
Vamos admitir agora, cabo tipo A e um comprimento de 1400 m:
N = (19-9)/( 12x10-3 x 1.4 x 44) = 13 equipamentos
Verificando a corrente total com a máxima corrente fornecida pelo coupler, tem-se:
I = 13 x 12mA = 156mA < 400mA -> OK
Cálculo do comprimento do cabo(tipo A) para 20 equipamentos em um segmento PA non-Ex
L = (19-9) x 1000/(20 x 12x10-3 x 44) = 947 m
Verificando a corrente total com a máxima corrente fornecida pelo coupler, tem-se:
I = 20 x 12mA = 240mA < 400mA -> OK
Cálculo do número de equipamentos em um segmento PA Eex ia IIC
Iremos mostra o cálculo em um comprimento máximo de 1000m(cabo tipo A, área Ex), considerando os seguintes dados:
E tomando como base a lei de Ohm:
N = V/(IxR), onde:
V = queda máxima de tensão no cabo garantindo a tensão mínima de alimentação no equipamento mais distante do coupler.
I = corrente total do segmento PA
R = resistência total
N = número de equipamentos
Substituindo os valores:
N = (12.5-9)/( 12x10-3 x 1.0x 44) = 6 equipamentos
Verificando a corrente total com a máxima corrente fornecida pelo coupler, tem-se:
I = 6 x 12mA = 72mA < 100mA -> OK
Cálculo do comprimento do cabo(tipo A) para 8 equipamentos em um segmento PA Eex ia IIC
Verificando a corrente total com a máxima corrente fornecida pelo coupler, tem-se:
I = 8 x 12mA = 96mA < 100mA -> OK
Determinado-se o comprimento:
L = (12.5-9) x1000/(8x12x10-3 x44) = 828.6 m
Note que a quantidade de equipamentos é totalmente dependente da classificação da área, tipo de cabo, corrente e tensão fornecida pelo coupler e corrente quiescente total dos equipamentos PA.
Dicas de instalação
Seguem algumas dicas de cablagem, blindagem e aterramento, já que em uma rede digital devemos estar sempre atentos aos níveis de ruídos, impedâncias(capacitâncias e indutâncias) indesejáveis e que podem contribuir para a degradação dos sinais:
O comprimento máximo do segmento é a somatória dos comprimentos dos
dos
com troncos e spurs, sendo que comprimentos menores que 1m não são considera
spurs. A quantidade de spurs e o número de equipamentos devem estar de acordo
a tabela 2:
Tabela 2 – Spur x número de equipamentos PA
Figura 9 – Levantamento do comprimento total do segmento PA
Conclusão
Vimos neste artigo vários detalhes da rede Profibus PA em termos de meio físico, dimensionamento e instalação que contribuem fundamentalmente como um todo para o sucesso de um sistema de controle e automação Profibus.
Referências
Nova Smar participou do 28º ARC em Orlando
Revista Revide cita Nova Smar em reportagem de Sertãozinho
Treinamento Usina Quatá – unidade Macatuba
Atualização do medidor de vazão na Petrom
Treinamento na Usina Zilor Quatá
Treinamento na Dacalda Açúcar e Álcool
Treinamento System302 CPU800
Workshop na Marinha Brasil
Workshop na Klabin - Angatuba
Nova Smar recebe prêmio no 20º Prêmio Visão Agro Brasil
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