Instalações em Profibus-DP: Técnicas & Dicas

sexta-feira, 2 de junho de 2006



Instalações em Profibus-DP: Técnicas & Dicas

César Cassiolato Gerente de Produtos - Smar Equipamentos Industriais Ltda

Introdução

Quando falamos em protocolos digitais, um dos tópicos mais importantes para o sucesso de operação de uma implementação é a instalação, e que muitas vezes é negligenciada e após um startup pode deixar o cliente na mão. Nestes muitos anos vivenciando startups em fieldbuses em geral, pude observar que onde os critérios técnicos foram observados as plantas funcionam perfeitamente e neste sentido, resolvi escrever um artigo técnico que sirva de base e que oriente em instalações voltadas ao Profibus-DP. Sempre que possível, consulte a EN50170 para as regulamentações físicas, assim como as práticas de segurança de cada área.O uso de fibra óticas em instalações Profibus será descrito em outro artigo, assim como os detalhes das instalações em Profibus-PA.

Meio Físico, Cabeamento e Instalação.

RS 485: O MEIO FÍSICO MAIS APLICADO DO PROFIBUS

A transmissão RS 485 é a tecnologia de transmissão mais utilizada no Profibus, embora a fibra ótica possa ser usada em casos de longas distâncias (maior do que 80 Km). Seguem as principais características:

  • Transmissão Assíncrona NRZ.
  • Baud rates de 9.6 kBit/s a 12 Mbit/s, selecionável.
  • Par trançado com blindagem.
  • 32 estações por segmento, máx. 127 estações.
  • Distância dependente da taxa de transmissão (tabela 1).
  • Distância expansível até 10 Km com o uso de repetidores.
  • 9 PIN, D-Sub conector.
Normalmente se aplica em áreas envolvendo alta taxa de transmissão, instalação simples a um custo baixo. A estrutura do barramento permite a adição e remoção de estações sem influências em outras estações com expansões posteriores sem nenhum efeito em estações que já estão em operação. Quando o sistema é configurado, apenas uma única taxa de transmissão é selecionada para todos os dispositivos no barramento. Há necessidade da terminação ativa no barramento no começo e fim de cada segmento, conforme a figura 1, sendo que, para manter a integridade do sinal de comunicação, ambos terminadores devem ser energizados.


Figura 1 – Cabeamento e terminação para transmissão RS-485 no Profibus

Para casos com mais de 32 estações ou para redes densas, devem ser utilizados repetidores. Segundo a EN50170,um máximo de 4 repetidores são permitidos entre duas estações quaisquer.Dependendo do fabricante e das características do repetidor, mais de 4 repetidores é possível. Podemos ter até 9 repetidores em cascata, lembrando que não se recomenda um número maior devido ao atrasos embutidos na rede e o comprometimento com o slot time (máximo tempo que o mestre irá esperar por uma resposta do slave).Veja figura 2 e 3. O comprimento máximo do cabeamento depende da velocidade de transmissão, conforme a tabela 1.


Figura 2 – Segmentação em instalações Profibus


Figura 3 – Regra geral de segmentação, repetidor e bus terminator

Baud rate (kbit/s)
9.6
9.2
93.75
187.5
500
1500
12000
Comprimento / Segmento (m)
1200
1200
1200
1000
400
200
100
Tabela 1 – Comprimento em função da velocidade de transmissão com cabo tipo A

O padrão Profibus considera a capacitância máxima que pode ser considerada para cada taxa de comunicação . A tabela 2 mostra os comprimentos máximos dos troncos principais e dos spurs em função do baud rate.

Baud rate (kbit/s)
Tronco Máximo
Spur Máximo
9.6
500
500
19.2
500
500
93.75
900
100
187.5
967
33
500
380
20
1500
193.4
6.6
12000
100
0

Tabela 2 -Comprimentos máximos dos troncos principais e dos spurs em função do baud rate.

A recomendação é que se coloque um repetidor onde se quer criar braços além do tronco principal. Certamente na prática pode-se ter uma margem de 5% destes comprimentos máximos e não há a necessidade de se comprar um repetidor quando se ultrapassa os limites dentro desta proporção. Observe sempre que o repetidor é um elemento que deve ser alimentado. Pode-se utilizar a seguinte regra para determinar a máxima distância entre duas estações conforme a taxa de comunicação, considerando-se o número de repetidores:

(Nrep+1)*seg, onde Nrep é o máximo número de repetidores em série e seg é o comprimento máximo de um segmento de acordo com o baud rate.

Por exemplo, suponha que estejamos a uma taxa de 1500 kbit/s(onde de acordo com a tabela 1, temos distância máxima de 200 m) e o fabricante de um determinado repetidor recomende que se utilize no máximo 9 repetidores em série:

(9+1)*200 = 2000 m

Outro detalhe a ser observado na prática, de acordo com a figura 3, é o uso dos terminadores de barramento, onde preferencialmente o mestre está localizado no início do barramento com um terminador ativo e o último escravo, o mais distante do mestre, também possui terminador ativo.Isto significa que o último escravo deve permanecer alimentado o tempo todo e por exemplo, durante sua manutenção ou reposição, pode haver comunicação intermitente com os outros devices. Quando devido à arquitetura e/ou topologia tem-se algo como a figura 4, onde se tem o mestre no meio do barramento, deve-se colocar os terminadores no primeiro escravo (o mais à esquerda do mestre) e no último (o mais distante), mantendo-os sempre energizados. Aqui também, durante a manutenção ou reposição, pode haver comunicação intermitente com os outros devices.


Figura 4 – Mestre localizado no meio do barramento.

Evite 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 use terminação ativa.

As características desejáveis de um cabo Profibus DP são:

  • Área condutora: 0.34 mm2 (AWG 22).
  • Impedância: 35 a 165 Ohms (nominal 150 Ohms) nas freqüências de 3 a 20 Mhz.
  • Capacitância: < 30 pF/m
  • Resistência de Loop: < 110 Ohms/km
Pode-se determinar a resistência de loop da seguinte maneira: faça um curto entre os conectores em uma extremidade do cabo e com um multímetro, meça a resistência entre os dois conectores na outra extremidade e aplique a seguinte fórmula:

Resistência de loop (Rs O/km) = Valor Medido (O) * 1000 m / comprimento do cabo tomado como referência (m)


Figura 5 – Medindo a resistência de loop

Lembre-se que cabos com capacitâncias maiores podem deformar as bordas e 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 30 pF/m podem ser utilizados, mas cuidado com a atenuação do sinal deve ser observado. Existem algumas regras que devem ser seguidas em termos do cabeamento e a separação entre outros cabos, quer sejam de sinais ou de potência. Se bandejamentos ou calhas metálicas não estão sendo usadas, observe as distâncias conforme tabela 3. Nunca passe o cabo Profibus ao lado de linhas de alta potência; a indução é uma fonte de ruído que afetará 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
0 cm
20 cm
50 cm
Cabos com e sem shield: 60Vdc ou 25Vac e < 400Vac
10 cm
10 cm
50 cm
Cabos com e sem shield: > 400Vac
20 cm
10 cm
50 cm
Qualquer cabo sujeito à exposição de raios
50 cm
50 cm
50 cm

Tabela 3 – Distâncias de separação entre cabeamentos.

Sempre que estiver instalando cabo Profibus, no mínimo, observe as recomendações NEC para instalações classe 2. Em termos do cabo, não existe nenhuma nomenclatura padrão, mas na prática tem-se adotado, condutores verde (A) e vermelho(B) para as linhas de dados, 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-se inversões. Evite cruzar cabos.Quando necessário, faça 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 o shield somente esteja aterrado nestes dois pontos. A mais efetiva proteção se dá com os dois pontos aterrados, onde se proporciona um caminho de baixa impedância aos sinais de alta freqüência. Mas 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 (ás vezes a própria calha metálica pode ser usada ou um cabo AWG 10-12) é indicado que se aterre somente um ponto.Veja figura 6. Quando se tem o aterramento nas duas extremidades, a proteção e 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 6– Linha de Equipotencial.

Em termos de cabeamento, é recomendado o par de fios trançados com 100% de cobertura do shield. As melhores condições de atuação do shield se dão com pelo menos 80% de cobertura.Ao aterrar o shield em um só ponto, na outra extremidade faça o devido acabamento, evitando que a malha metálica fique encostando e dando contato com pontos indesejáveis; isole-a adequadamente.
Quando se fala de shield e aterramento, na prática existem outras maneiras de tratar este assunto e existem muitas controvérsias, como por exemplo, o aterramento do shield pode ser feito em cada estação através do conector 9-pin sub D, onde a carcaça do conector dá contato com o shield neste ponto e ao conectar na estação é aterrado.Este caso porém deve ser analisado pontualmente e verificado em cada ponto a graduação de potencial dos terras e se necessário, equalize estes pontos.
Um outro cuidado que se deve tomar é o excesso de terminação; alguns devices possuem terminação on-board.


A figura 8 mostra detalhes de cabeamento, shield e aterramento quando se tem áreas distintas.


Figura 8 – Detalhe de cabeamento em áreas distintas com potenciais de terras equalizados.

Dicas gerais


Os problemas em redes na sua grande maioria estão relacionados com a parte física/instalação.Seguem algumas dicas:

  • Use sempre a documentação fornecida pelo Profibus Internacional como referência de instalação e esteja de acordo com as práticas de segurança que a área em questão exige;
  • Use cabos e conectores de acordo com o padrão Profibus e adequados ao ambiente industrial;
  • Certifique-se de que o cabeamento tenha a continuidade do inicio ao fim, assim como não haja condições de curto intermitente e que a resistência de loop esteja de acordo com o padrão do cabo tipo A;
  • Adote a linha A como verde e a B como vermelha e tome o cuidado de manter esta nomenclatura ao longo de todo o cabeamento;
  • Certifique-se que o comprimento máximo dos segmentos está de acordo com o baud rate adotado, adotando repetidores quando ultrapassar este limite;
  • Certifique-se que por segmento não se tenha mais do que 32 estações, adotando repetidores quando ultrapassar este limite;
  • Verifique os pontos de terminação, respeitando suas regras, atentando para as terminações ativas que devem estar energizadas.
  • Em casos de áreas classificadas considere preferencialmente o uso de fibra ótica e adote os critérios de acordo com as práticas de segurança.

Referência
  • Profibus Technical Guideline Installation Guideline for Profibus-DP/FMS
  • Material de treinamento Profibus – Smar, César Cassiolato