Versões do PROFIBUS-DP

sexta-feira, 2 de junho de 2006



César Cassiolato - Gerente de Produtos da Smar Equipamentos Industriais Ltda.

Introdução

O Profibus é um protocolo que provê uma solução de propósitos gerais para manufatura e com tarefas de comunicação mestre-escravos e perfis de aplicações que podem endereçar a automação de processos, sistemas de segurança e aplicações em controle de movimento, etc. É um dos fieldbuses líderes de mercado, com milhares de plantas em operações, com mais de 6,5 milhões de nós instalados e com uma ampla oferta de fornecedores; mais de 2000 produtos disponíveis no mercado. Vinte e quatro países possuem associações regionais divulgando e dando suporte à tecnologia, com mais de 1200 empresas membros. Este padrão é garantido segundo as normas EN 50170 e EN 50254. Este artigo nos mostra as suas várias versões em termos de Profibus-DP.


A ORIGEM

O Profibus foi criado por um consórcio de quatro empresas e 7 universidades, sendo que a variante Profibus FMS (Fieldbus Message Specification) foi finalizada em 1989.Em 1993 já havia sido especificado uma variante mais simples e rápida, o Profibus DP. O Profibus DP é a solução high-speed (de alta velocidade) do PROFIBUS. Seu desenvolvimento foi otimizado especialmente para comunicações entres os sistemas de automações e equipamentos descentralizados. Voltada para sistemas de controle onde se tem destacado o acesso de I/Os distribuídos. É utilizada em substituição a sistemas convencionais 4 a 20 mA ou HART ou em transmissão com 24 Volts.Utiliza o meio físico RS485 ou fibra ótica.Requer menos de 2 ms para a transmissão de 1 kbyte de entrada e saída e é amplamente utilizado em controles com tempo crítico. Atualmente 90% das aplicações envolvendo escravos Profibus, utilizam-se do Profibus DP.Esta variante é disponível em 3 versões: DP-V0(1993), DP-V1(1997) e DP-V2(2002).


Figura 1 – Versões do Profibus

A origem de cada versão foi de acordo com o avanço tecnológico e a demanda das aplicações.

AS VERSÕES


O DP-V0 provê funcionalidades básicas do DP, incluindo a troca de dados cíclicos entre estações, módulos e canais e diagnósticos.Nesta versão um mestre DP lê e escreve ciclicamente em seus escravos e normalmente com tempo de ciclos em torno de 10 ms, dependendo da taxa de comunicação, que pode variar de 9600 kbit/s a 12 Mbits/s. Por exemplo, em uma aplicação com 128 bytes de I/O, 1024 sinais analógicos a 12 Mbits/s tem um tempo de ciclo de 2 ms.Utiliza-se do meio físico RS485 ou fibra ótica, onde pode chegar a distancias de até 80 Km (Fibra Sintética).Funções de diagnósticos facilitam a localização de falhas e são transmitidas ciclicamente.O Profibus DP suporta a implementação mono-mestre e multi-mestres, onde um máximo de 126 equipamentos podem estar conectados ao barramento e cada escravo pode enviar ou receber até 244 bytes de dados.

A arquitetura e filosofia do protocolo PROFIBUS assegura a cada estação envolvida nas trocas de dados cíclico um tempo suficiente para a execução de sua tarefa de comunicação dentro de um intervalo de tempo definido.Para isto, utiliza-se do procedimento de passagem de “token”, usado por estações mestres do barramento ao comunicar-se entre si e o procedimento mestre-escravo para a comunicação com as estações escravas. A mensagem de “token” (um frame especial para a passagem de direito de acesso de um mestre para outro) deve circular, sendo uma vez para cada mestre dentro de um tempo máximo definido de rotação (que é configurável). No PROFIBUS o procedimento de passagem do “token” é usado somente para comunicações entre estações complexas (mestres).


Figura 2 – Comunicação Multi-Mestre


Figura 3 – Comunicação Mestre – Escravo

O procedimento mestre-escravo possibilita ao mestre que esteja ativo (o que possui o “token”), acesse os seus escravos (através dos serviços de leitura e escrita).

Tipos de dispositivos

Cada sistema DP pode conter três tipos diferentes de dispositivos:

1) Mestre DP Classe 1 (DPM1)

É um controlador principal que troca informações ciclicamente com os escravos. Os controladores lógicos programáveis (PLCs) são exemplos destes dispositivos mestres.

2)Mestre DP classe 2 (DPM2)

São as estações de engenharia utilizadas para configuração, monitoração ou sistemas de supervisão, como por exemplo, o Simatic PDM.

3)Escravo

Um escravo DP é um dispositivo periférico, tais como dispositivos de I/O, atuadores, IHM, válvulas, transdutores, Há também dispositivos que tem somente entrada, somente saída ou uma combinação de entradas e saídas.

O DP-V1 provê funcionalidades mais avançadas do DP, principalmente em termos de automação de processos, em particular a comunicação de dados acíclicos utilizada na parametrização, operação, visualização, supervisão dos equipamentos de campo em conjunto com a comunicação cíclica.A comunicação acíclica é executada em paralelo à comunicação cíclica, porém com prioridade inferior.O mestre classe 1 detém o token ao comunicar-se com seus escravos e no final do seu tempo de domínio do token, disponibiliza o mesmo ao mestre classe 2. O mestre classe 1 também pode executar troca de dados acíclicos com os seus escravos.

As funções DP estendidas possibilitam funções acíclicas de leitura e escrita e reconhecimento de interrupção que podem ser executadas paralelamente e independentes da transmissão cíclica de dados. Isto permite que o usuário faça acessos acíclicos dos parâmetros (via mestre classe 2) e que valores de medida de um escravo possam ser acessados por estações de supervisão e de diagnóstico.

Atualmente estas funções estendidas são amplamente usadas em operação on-line dos equipamentos de campo PA pelas estações de engenharia (por exemplo, via Simatic PDM). Esta transmissão tem uma prioridade mais baixa do que a transferência cíclica de dados (que exige alta velocidade e alta prioridade para o controle).

A utilização do PROFIBUS em dispositivos típicos e aplicações em controle de processos está definida segundo o perfil PROFIBUS-PA. Este perfil define os parâmetros dos equipamentos de campo e seu comportamento típico independente do fabricante e se aplica a transmissores de pressão, temperatura, posicionadores, e utiliza os serviços do DP-V1. É baseado no conceito de blocos funcionais que são padronizados de tal forma a garantir a interoperabilidade entre os equipamentos de campo.

Os valores e status da medição, assim como os valores de setpoint recebido pelos equipamentos de campo no PROFIBUS-PA são transmitidos ciclicamente com mais alta prioridade via mestre classe 1 (DPM1). Já os parâmetros para visualização, operação, manutenção e diagnose são transmitidos por ferramentas de engenharia (mestre classe 2, DPM2) com baixa prioridade através dos serviços acíclicos pelo DP via conexão C2. Ciclicamente também se transmite uma seqüência de bytes de diagnósticos.

A descrição dos bits destes bytes estão no arquivo GSD do equipamento e dependem do fabricante.
O tempo de ciclo (Tc) aproximado pode ser calculado como:

Tc = 10ms x número de equipamento + 10ms(serviços acíclicos mestre classe 2) + 1.3ms(para cada conjunto de 5 bytes de valores cíclicos).

Imagine a situação onde se tem 5 malhas de controle com 5 transmissores de pressão e 5 posicionadores de válvula.Teríamos um tempo de ciclo igual a 110 ms.

O DP-V2 provê funcionalidades mais sofisticadas, principalmente em termos de tecnologia de drives e sistemas de segurança, assim como comunicação entre escravos, modo isócrono e gerenciamento de clock.
A comunicação escravo-escravo elimina o “overhead” causado pela necessidade de um mestre no sistema, sendo que um escravo pode agir como “Publisher” e a resposta do escravo pode ser direcionada aos demais escravos que agem como “Subscribers”.Isto pode reduzir em até 90% o tempo de resposta, dando mais flexibilidade às aplicações críticas em tempo. O modo isócrono permite a sincronização de clock entre mestres e escravos, dando um maior controle no gerenciamento de mensagens no barramento, onde este gerenciamento tem a função real-time controlando tempos e sincronizando estações, facilitando o tracking de eventos.


Figura 4 – Comunicação Publisher/Subscriber

O perfil de aplicação PROFIBUS, “PROFIsafe” - Perfil para Tecnologia Segura – utiliza-se do DP-V2 e descreve mecanismos de comunicação segura entre periféricos sujeitos à falha-segura (Fail-Safe) e controladores seguros. É baseado nos requisitos dos padrões e diretivas para aplicações com segurança orientada, como a IEC 61508 e EN954-1, bem como na experiência dos fabricantes de equipamentos com Fail-Safe e na comunidade de fabricantes de PLCs. Pode ser usados em sistemas de segurança com níveis AK6 ou SIL3. No PROFIsafe algumas medidas preventivas são tomadas, com o intuito de cercar as possíveis causas de falhas e quando as mesmas ocorrerem, que aconteçam com segurança:

  • Numeração consecutiva de todas as mensagens seguras: aqui se pretende minimizar a perda de comunicação, inserção de bytes no frame e seqüência incorreta.
  • Sistema de watchdog timer para as mensagens e seus reconhecimentos: controlando os atrasos.
  • Uma senha (password) entre emissor e receptor: evitando linking entre as mensagens padrão e segura.
  • Proteção adicional do telegrama com a inclusão de 2 a 4 bytes de CRC: evitando a corrupção dos dados de usuário e linking entre as mensagens padrão e segura

CONCLUSÃO

Através deste artigo pudemos ver o avanço das versões do Profibus DP e suas principais características.Suas melhorias proporcionaram vantagens às aplicações e usuários.
Existem vantagens potenciais da utilização desta tecnologia, onde se poderia resumir nas vantagens de funcionalidades (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, controle discreto em alta velocidade, aplicações em qualquer segmento, etc) e 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 Startups.

REFERÊNCIAS

  • “Profibus PA – Profile 3.0 – Características de equipamentos de entradas e saídas”, César Cassiolato, Fabrício Pascon, Marco Antonio Graton, Revista Controle & Instrumentação, Edição nº 70.
  • “PROFIsafe – o perfil de segurança PROFIBUS”, César Cassiolato, Revista Controle & Instrumentação, Edição nº 79.
  • “COCAMAR: A utilização de protocolos digitais no controle e automação de processos”, César Cassiolato, Revista Controle & Instrumentação, Edição nº 82.
  • “PROFIBUS PA e a convivência com equipamentos convencionais 4-20 mA e pneumáticos 3-15 psi”, César Cassiolato, Revista Controle & Instrumentação, Edição nº 82.
  • Manuais PROFIBUS PA - Smar.
  • Material de treinamento Smar Profibus, 2003, César Cassiolato.
  • www.smar.com.br