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PROFIBUS - Instalação Avançada - Parte 3



César Cassiolato
Diretor de Engenharia de Projetos e Serviços, Marketing e Qualidade
SMAR Equipamentos Industriais Ltda
cesarcass@smar.com.br

Introdução

É notório o crescimento do PROFIBUS em nível mundial e principalmente no Brasil. Decidi escrever este artigo sobre instalação avançada, pois tenho visto na prática muita instalação de forma inadequada, assim como erros básicos e que têm estendido o tempo de comissionamento e startup, e consequentemente gerado uma degradação da qualidade da performance da rede. Dividi este artigo, pela sua extensão e abrangência em 4 partes. Esta é a terceira parte.

Um pouco de história

A história do PROFIBUS começa na aventura de um projeto da associação apoiado por autoridades públicas, que iniciou em 1987 na Alemanha. Dentro do contexto desta aventura, 21 companhias e institutos uniram forças e criaram um projeto estratégico em fieldbus. O objetivo era a realização e estabilização de um barramento de campo bit serial, sendo o requisito básico a padronização da interface de dispositivo de campo. Por esta razão, os membros relevantes das companhias do ZVEI (Associação Central da Indústria Elétrica) concordaram em apoiar um conceito técnico mútuo para manufatura e automação de processos.

Um primeiro passo foi a especificação do protocolo de comunicações complexas PROFIBUS FMS (Especificação de Mensagens Fieldbus), que foi preparado para exigência de tarefas de comunicação.

Um passo mais adiante em 1993 foi a conclusão da especificação para uma variante mais simples e com comunicação mais rápida, o PROFIBUS-DP (Periferia Descentralizada). Este protocolo está disponível agora em três versões funcionais, o DP-V0, DP-V1 e DP-V2.

Baseado nestes dois protocolos de comunicação, acoplado com o desenvolvimento de numerosos perfis de aplicações orientadas e um número de dispositivos de crescimento rápido, o PROFIBUS começou seu avanço inicialmente na automação manufatura e desde 1995 na automação de processos com a introdução do PROFIBUS-PA. Hoje, o PROFIBUS é o barramento de campo líder no mercado mundial.

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, manufatura e automação predial. Esse padrão é garantido segundo as normas EN 50170 e EN 50254. Desde janeiro de 2000, o PROFIBUS foi firmemente estabelecido com a IEC 61158, ao lado de mais sete outros fieldbuses. A IEC 61158 está dividida em sete partes, nomeadas 61158-1 a 61158-6, nas quais estão as especificações segundo o modelo OSI. Nessa versão houve a expansão que incluiu o DPV-2. Mundialmente, os usuários podem agora se referenciar a um padrão internacional de protocolo aberto, cujo desenvolvimento procurou e procura a redução de custos, flexibilidade, confiabilidade, segurança, orientação ao futuro, atendimento as mais diversas aplicações, interoperabilidade e múltiplos fornecedores.

PROFIBUS – Cenário Atual

Hoje, estima-se mais de35 milhões de nós instalados com tecnologia PROFIBUS e mais de1000 plantas com tecnologia PROFIBUS-PA. São 24 organizações regionais (RPAs) e35 Centros de Competência em PROFIBUS (PCCs), localizados estrategicamente em diversos países, de modo a oferecer suporte aos seus usuários, inclusive no Brasil, em parceria com a FIPAI na Escola de Engenharia de São Carlos-USP, existe o único PCC da América Latina.

  • Mais de 2.800 produtos disponíveis.
  • Mais de 1000 produtos nos últimos 3 anos.
  • Mais de 1.000.000 instalações – PROFIBUS.
  • Mais de 1000 plantas com PROFIBUS PA.
  • Mais de 35 Milhões de nós instalados.
  • 6 Milhões de nós vendidos nos últimos 3 anos.
  • Mais de 3 Milhões de nós PROFINET instalados.
  • Mais de 880 mil nós PROFIBUS PA.
  • Mais de 630 mil nós ProfiSafe.
  • Mais de 2000 Fornecedores.
  • Brasil: um dos maiores parques instalados!!
  • Um extensivo catálogo de produtos pode ser obtido no site www.PROFIBUS.com
  • Para referência e suporte na América Latina acesse www.PROFIBUS.org.br

Em termos de desenvolvimento, vale a pena lembrar que a tecnologia é estável, porém não é estática. As empresas-membro do PROFIBUS International estão sempre reunidas nos chamados Work Groups atentas às novas demandas de mercado e garantindo novos benefícios com o advento de novas características.

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 status das 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 startup, 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.

As conexões dos transmissores, conversores e posicionadores em uma rede PROFIBUS DP são feitas 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 de hardware, menor tempo para startup, manutenção livre de problemas, baixo custo do software de 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 é idêntico. 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.Citarei brevemente sobre o padrão RS485-IS.

Sempre que possível, consulte a EN50170 para as regulamentações físicas, assim como as práticas de segurança de cada área.

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 têm seus detalhes de segurança. Se informar 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 segunda parte, temos:

 

 

Sinal Físico no PROFIBUS PA

Os equipamentos PROFIBUS PA utilizam o modo de tensão 31,25 Kbit/s em modulação Manchester e são conectados em paralelo ao longo do mesmo par de fios. No mesmo barramento podem ser usados vários tipos de equipamentos PROFIBUS PA de diferentes fabricantes.

Estes equipamentos são alimentados via barramento. Existem alguns equipamentos a 4fios que consomem mais energia e possuem alimentação independente do barramento PROFIBUS PA.

O sinal de comunicação utilizado é um sinal AC (de 750mV a 1000mV) sobreposto ao sinal DC de alimentação.

Em áreas perigosas, o número de equipamentos deve ser limitado por barreira de segurança de acordo com as restrições de segurança da área e limites do coupler DP/PA (conversor de meio físico que converte o sinal RS485 em fieldbus IEC61158-2).


Rede PROFIBUS

Figura
1.1 – Rede PROFIBUS

 

A Figura 1.2 ilustra como conectar um equipamento PA à rede PROFIBUS.


Modo de Ligação de um Equipamento à Rede PROFIBUS PA

Figura 1.2 – Modo de Ligação de um Equipamento à Rede PROFIBUS PA

Meio Físico, Cabeamento e Instalação – PROFIBUS PA

O PROFIBUS PA é um protocolo 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. É baseado no padrão ISO/OSI, onde se têm as seguintes camadas: Physical Layer, Communication Stack e User Application, podendo-se 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) e FDT(Field Device Tool)/DTM(Device Type Manager).

O Physical Layer (Meio Físico, conhecido como PA ou H1) é definido segundo padrões internacionais (IEC e 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, com as seguintes características:

  • Transferência de dados usando codificação Manchester, com taxa de 31.25kbit/s;
  • Para um sinal de comunicação íntegro, cada equipamento deve ser alimentado com no mínimo 9 volts. O meio físico H1 permite que se alimente os equipamentos via barramento, sendo que o mesmo par de fios que alimenta o equipamento também fornece o sinal de comunicação. Existem alguns equipamentos que são alimentados externamente;
  • Comprimento máximo de 1900m/segmento sem repetidores;
  • Ao utilizar até 4 repetidores, o comprimento máximo pode chegar a 9.5 Km;
  • Um barramento PROFIBUS PA sem segurança intrínseca e alimentação externa à fiação de comunicação dever suportar de 2 até 32 equipamentos em aplicação;
  • O barramento PROFIBUS PA deve ser capaz de se suportar vários equipamentos em aplicação com segurança intrínseca e sem alimentação (valores típicos para equipamentos com 10mA de corrente quiescente):
    • Explosion Group IIC: 9 equipamentos;
    • Explosion Group IIB: 23 equipamentos.

Obs: É possível conectar mais equipamentos que o especificado, mas isso depende do consumo dos equipamentos, fonte de alimentação e características das barreiras de segurança intrínseca e do modelo FISCO;

  • Não deve haver interrupção do barramento com a conexão e desconexão de equipamentos enquanto estiver em operação;
  • Topologia em barramento, árvore, estrela ou mista.

O modelo FISCO tem as seguintes características:

  • Um único elemento ativo (fonte de alimentação) no barramento de campo, localizado na área não-classificada;
  • Os demais equipamentos na área classificada são passivos;
  • Cada equipamento de campo deve ter um consumo mínimo de 10mA;
  • Em áreas Ex ia o comprimento máximo do barramento deve ser 1000m e em Ex ib, 5000m;
  • O cabo (sem restrições para cabeamento até 1000m) deve ter os seguintes parâmetros:
  • R´:15 ... 150 Ohm/km;
  • L´: 0.4 ... 1 mH/km;
  • C´: 80 ... 200 nF/km.

Cabo tipo A: 0.8mm2 (AWG18)

  • A terminação deve ter as seguintes características:
  • R = 90 ... 100 ohms;
  • C = 0 ... 2.2 µF.

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') e 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 o usuário a avaliação. Além disso, ao adquirir produtos certificados, o usuário não precisa se preocupar mais com cálculos, mesmo em substituição em operação.

Exemplo de sinal Fieldbus em modo tensão

Figura 1.3 – Exemplo de sinal Fieldbus em modo tensão

Exemplo de codificação Manchester

Figura 1.4 – Exemplo de codificação Manchester

A transmissão de um equipamento tipicamente fornece 10 mA a 31.25kbit/s em uma carga equivalente de 50 Ω, criando um sinal de tensão modulado de 750 mV a 1.0 V pico a pico. A fonte de alimentação pode fornecer de 9 a 32 VDC, porém em aplicações seguras (IS) devem-se atender os requisitos das barreiras de segurança intrínseca.

Exemplo de codificação Manchester

Figura 1.5 – 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 o cabo tipo A é de no máximo 1900 m em áreas não seguras. Em áreas seguras é de no máximo 1000 m com o cabo tipo A e os spurs não podendo exceder 30 m.

Tipos de Cabo Recomendados

A IEC61158-2 determina que o meio físico do PROFIBUS PA deva ser um par de fios trançados. As propriedades de um barramento de campo são determinadas pelas condições elétricas do cabo utilizado. Embora a IEC61158-2 não especifica tecnicamente o cabo, o cabo tipo A é altamente recomendado a fim de garantir as melhores condições de comunicação e distâncias envolvidas.

A Tabela 1.1 apresenta em detalhes as especificações dos diversos cabos à 25ºC. Vale lembrar que a maioria dos fabricantes de cabos recomendam a temperatura de operação entre -40ºC a +60ºC. É necessário verificar os pontos críticos de temperatura por onde é passado o cabeamento e se o cabo suporta a mesma. A resistência do cabo tipo A de 22 Ω/Km é válida a 25 ºC. Por exemplo, a resistência do cabo tipo A a 50 ºC é 24.58 Ω/Km. Isso deve ser levado em conta em países quentes como o Brasil.

Tipo A

Tipo B

Tipo C

Tipo D

Descrição do Cabo

Par trançado com Shield

Um ou mais pares trançados total com Shield

Diversos pares trançados sem Shield

Diversos pares não-trançados, sem Shield

Área de Seção do Condutor Nominal

0.8 mm2 (AWG 18)

0.32 mm2 (AWG 22)

0.13 mm2 (AWG 26)

0.25 mm2 (AWG 16)

Máxima Resistência DC (loop)

44 Ω/Km

112 Ω/Km

264 Ω/Km

40 Ω/Km

Impedância Característica a 31.25 kHz

100 Ω ± 20%

100 Ω ± 30%

**

**

Máxima Atenuação a 39 kHz

3 dB/Km

5 dB/Km

8 dB/Km

8 dB/Km

Máxima Capacitância Desbalanceada

2 nF/Km

2 nF/Km

**

**

Distorção de Atraso de Grupo (7.9 a 39 kHz)

1.7 µseg/Km

**

**

**

Superfície Coberta pelo Shield

90%

**

-

-

Recomendação para Extensão de Rede (incluindo spurs)

1900 m

1200 m

400 m

200 m

Tabela 1.1 – Características dos Diversos Cabos Utilizados em PROFIBUS-PA

 

 

Comprimento Total do Cabo e Regras de Distribuição e Instalação

O comprimento total do cabo PROFIBUS-PA deve ser totalizado desde a saída do ponto de conversão DP/PA até o ponto mais distante do segmento, considerando as derivações. Vale lembrar que braços menores que 1m não entram neste total.

O comprimento total do cabeamento é a somatória do tamanho do trunk (barramento principal) mais 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 com cabo tipo A, é de no máximo 1000m, considerando que os spurs não podem exceder 30m.

Em termos de instalação e distribuição é recomendado evitar splice, ou seja, qualquer parte da rede que tenha um meio condutor especificado e um comprimento descontínuo menor que 1m, como por exemplo: remoção de blindagem, troca do diâmetro do fio, conexão a terminais nus, etc. Em redes com comprimento total maior que 400m, a somatória dos comprimentos de todos os splices não deve ultrapassar 2% do comprimento total e ainda, em comprimentos menores do que 400m, não deve exceder 8m.

O comprimento máximo de um segmento PA quando se utiliza cabo de tipos diferentes fica limitado de acordo com a seguinte fórmula:

Onde:
: Comprimento do cabo ;
: Comprimento do cabo ;
: Comprimento do cabo ;
: Comprimento do cabo ;
: Comprimento máximo permitido com o cabo (1900m);
: Comprimento máximo permitido com o cabo (1200m);
: Comprimento máximo permitido com o cabo (400m);
: Comprimento máximo permitido com o cabo (200m).
Com relação aos braços (spurs), é necessário estar atento aos comprimentos dos mesmos. A quantidade de equipamentos PA (deve ser considerado os repetidores quando houver) deve estar de acordo com a Tabela 1.2. Em áreas classificadas o spur máximo é de 30m.

Total de Equipamentos PA por Segmento coupler DP/PA

Comprimento do Spur (m) com 01 Equipamento

Comprimento do Spur (m) com 02 Equipamento

Comprimento do Spur (m) com 03 Equipamento

Comprimento do Spur (m) com 04 Equipamento

Comprimento Considerando a Quantidade Máxima de Spurs (m)

1-12

120

90

60

30

12 x 120 =1440

13-14

90

60

30

1

14 x 90 = 1260

15-18

60

30

1

1

18 x 60 = 1080

19-24

30

1

1

1

24 x 30 = 720

25-32

1

1

1

1

1 x 32 = 32

Tabela 1.2 - Spur x Número de Equipamentos PA

Observação: O limite de capacitância do cabo deve ser considerado desde que o efeito no sinal de um spur seja menor que 300m e se assemelha a um capacitor. Na ausência de dados do fabricante do cabo, um valor de 0.15 nF/m pode ser usado para cabos PROFIBUS.

Onde:

: Capacitância total em nF;
: Comprimento do spur em m;
: Capacitância do fio por segmento em nF (padrão: 0.15);
: Capacitância do equipamento PA.

A atenuação associada a esta capacitância é 0.035 dB/nF. Sendo assim, a atenuação total vale:

Sendo que 14 dB é o que permitirá o mínimo de sinal necessário para haver condições de detectá-lo com integridade.

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. Além disso, o sinal fieldbus deve ser isolado de fontes de ruídos, como cabos de força, motores e inversores de freqüência. Recomenda-se colocá-los em guias e calhas separadas. O ideal é utilizar canaletas de alumínio, onde se tem a blindagem eletromagnética externa e interna. As correntes de Foucault são praticamente imunes, devido à boa condutibilidade elétrica do alumínio. Convém lembrar que o cruzamento entre os cabos deve ser feito em ângulo de 90º.


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 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 1.3 – Distâncias Mínimas de Separação entre Cabeamentos

 

 

Terminadores da Rede PROFIBUS-PA

Dois terminadores de barramento devem estar conectados na rede PROFIBUS-PA, sendo um na saída do coupler DP/PA e o outro no último equipamento (normalmente o mais distante do coupler), dependendo da topologia adotada.

Se na distribuição do cabeamento houver uma caixa de junção no final do tronco principal com vários braços (spurs), o terminador de campo deve ser colocado neste ponto, o que facilitará na manutenção quando for necessário remover equipamentos.

É preciso se certificar da correta conexão do terminador, lembrando que a falta de terminadores proporcionam a intermitência da comunicação, uma vez que não há casamento de impedância e há aumento da reflexão de sinal.

A falta de um terminador ou sua conexão em ponto incorreto também degrada o sinal, uma vez que também ficará parte do cabeamento como uma antena. Esta ausência pode aumentar em mais de 70% o sinal e um terminador a mais pode atenuar o sinal em até 30%. A atenuação e intermitência podem gerar falhas de comunicação.

O terminador da rede PA é composto de um resistor de 100Ω ± 2% e um capacitor de 1µF ± 20% em série.

Exemplo de codificação Manchester

Figura 1.6 – Formas de Ondas Típicas do H1 de Acordo com a Terminação

Supressor de Transientes, Distância Efetiva

Suponha um raio com uma corrente 100 kA e que esta percorra com uma taxa de elevação de 10us uma distância total considerando 10m na vertical (iniciando do ponto A, o mais alto, o raio cai sempre em pontos verticais e com isto a taxa da corrente é maior) e ainda que se tenha uma indutância no cabo e estrutura de 0.1uH e, que depois percorra 100m na horizontal(chegando ao ponto B).Neste caso considera-se a corrente um décimo, ou seja 10 kA, uma vez que há dispersão entre pontos aterrados e estrutura. Usando a fórmula V=Ldi/dt, no comprimento de 10m gera-se uma tensão de 1 kV/m e no comprimento de 100m, 100V/m.

Se considerarmos desejável limitar a tensão máxima através da isolação de instrumentos interconectados em A e B em 1kV, então a distância vertical máxima deve ser 10m e a distância horizontal máxima 100m. Onde as distâncias horizontais [Xm] e verticais [de Ym] são combinadas e a tensão transforma-se em (10X+Y) kVolt.

Com isto toda vez que se tiver uma distância efetiva maior que 100 m na horizontal ou 10 m na vertical entre dois pontos aterrados, recomenda-se o uso de protetores de transientes, no ponto inicial e final da distância. Na prática, na horizontal, entre 50 e 100 m recomenda-se o seu uso.

Exemplo de codificação Manchester

Figura 1.7 – Distância Efetiva em uma Distribuição de Cabo

É indicado instalar o protetor de transiente imediatamente após o coupler DP/PA, antes de cada equipamento e mesmo na caixa de junção. Em áreas classificadas, recomenda-se o uso de protetores certificados.

Fonte de Alimentação e Sinal de Comunicação PROFIBUS-PA

O consumo de energia varia de um equipamento para outro, assim como de fabricante para fabricante. É importante que a resistência do cabeamento não seja muito alta, a fim de não gerar uma queda de tensão ao longo do cabeamento. Para manter a resistência baixa é necessária boas conexões e junções.

Em termos de sinal de alimentação, consideram-se como valores aceitáveis:

  • 12 a 32 Vdc na saída do coupler DP/PA (dependendo do fabricante do coupler)
  • Ripple, r (mV):
    • < 25: excelente
    • 25<r<50: ok
    • 50<r<100: marginal
    • >100: não aceitável

Em termos de sinal de comunicação, consideram-se como valores aceitáveis:

  • 750 a 1000 mVpp – ok
  • 1000 mVpp – Muito alto, pode ser que tem um terminador a menos.
  • Algumas barreiras e protetores de segmento (spur guard ou segment protector) possuem uma alta impedância em série e podem resultar em sinais até 2000 mV e memso assim podem permitir a operação adequada.
  • < 250 mVpp – Muito baixo, verificar se tem mais de 02 terminadores ativos, fonte de alimentação, coupler DP/PA, etc

Alguns equipamentos têm polaridade, outros não, por isso é muito importante assegurar a correta conexão do barramento H1 nos equipamentos.

 

 

Shield e Aterramento

Ao considerar a questão de shield e aterramento em barramentos de campo, deve-se levar em conta:

  • A compatibilidade eletromagnética (EMC);
  • Proteção contra explosão;
  • Proteção de pessoas.

De acordo com a IEC61158-2, aterrar significa estar permanentemente conectado ao terra através de uma impedância suficientemente baixa e com capacidade de condução suficiente para prevenir qualquer tensão que possa resultar em danos de equipamentos ou pessoas. Linhas de tensão com 0 Volts devem ser conectadas ao terra e serem galvanicamente isoladas do barramento fieldbus. O propósito de se aterrar o shield é evitar ruídos de alta freqüência.

Preferencialmente, o shield deve ser aterrado em dois pontos, no início e final de barramento, desde que não haja diferença de potencial entre estes pontos, permitindo a existência e caminhos a corrente de loop. Na prática, quando esta diferença existe, recomenda-se aterrar o shield somente em um ponto, ou seja, na fonte de alimentação ou na barreira de segurança intrínseca. Deve-se assegurar a continuidade da blindagem do cabo em mais do que 90% do comprimento total do cabo.

O shield deve cobrir completamente os circuitos elétricos através dos conectores, acopladores, splices e caixas de distribuição e junção.

Nunca se deve utilizar o shield como condutor de sinal. É preciso verificar a continuidade do shield até o último equipamento PA do segmento, analisando a conexão e acabamento.

Em áreas classificadas, quando uma equalização de potencial entre a área segura e área perigosa não for possível, o shield deve ser conectado diretamente ao terra (Equipotencial Bonding System) somente no lado da área perigosa. Na área segura, o shield deve ser conectado através de um acoplamento capacitivo (capacitor preferencialmente cerâmico (dielétrico sólido), C<= 10 nF, tensão de isolação >= 1,5 kV).

Figura 1.8 – Combinação Ideal de Shield e Aterramento

 

 

Figura 1.9 – Aterramento Capacitivo

 

A IEC 61158-2 recomenda que se tenha a isolação completa. Este método é usado principalmente nos Estados Unidos e na Inglaterra. Neste caso, o shield é isolado de todos os terras, a não ser o ponto de terra do negativo da fonte ou da barreira de segurança intrínseca do lado seguro.vO shield tem continuidade desde a saída do coupler DP/PA, passa pelas caixas de junções e distribuições e chega até os equipamentos. As carcaças dos equipamentos são aterradas individualmente do lado não seguro. Este método tem a desvantagem de não proteger os sinais totalmente dos sinais de alta freqüência e, dependendo da topologia e comprimento dos cabos, pode gerar em alguns casos a intermitência de comunicação. Recomenda-se nestes casos o uso de canaletas metálicas.

Uma outra forma complementar à primeira, seria ainda aterrar as caixas de junções e as carcaças dos equipamentos em uma linha de equipotencial de terra, do lado não seguro. Os terras do lado não seguro com o lado seguro são separados.
A condição de aterramento múltiplo também é comum, onde se tem uma proteção mais efetiva às condições de alta freqüência e ruídos eletromagnéticos. Este método é preferencialmente adotado na Alemanha e em alguns países da Europa. Neste método, o shield é aterrado no ponto de terra do negativo da fonte ou da barreira de segurança intrínseca do lado seguro e, além disso, no terra das caixas de junções e nas carcaças dos equipamentos, sendo estas também aterradas pontualmente, no lado não seguro. Outra condição seria complementar a esta, porém os terras seriam aterrados em conjunto em uma linha equipotencial de terra, unindo o lado não seguro ao lado seguro.

Para mais detalhes, sempre consultar as normas de segurança do local. Recomenda-se utilizar a IEC 60079-14 como referência em aplicações em áreas classificadas.

Figura 1.10 – Várias formas de aterramento e shield

Topologias

Em termos de topologia no PROFIBUS PA, têm-se os seguintes modelos: Estrela (Figura 1.11), Barramento (Figura 1.12) e Ponto-a-ponto (Figura 1.13). Na prática, normalmente tem-se uma topologia mista.

Vale lembrar que estes exemplos são para uma rede PROFIBUS PA.


Figura 1.11 – Topologia Estrela

Figura 1.12 – Topologia Barramento


Figura 1.13 – Topologia Ponto-a-Ponto

 

Repetidores

Na rede PROFIBUS PA pode-se ter até 4 repetidores. Estes são usados sempre que se precisa aumentar a quantidade de equipamentos ou reforçar níveis de sinais que foram atenuados com a distância de cabeamento ou mesmo expandir o cabeamento até 9500m.

Certifique-se da quantidade de repetidores, suas alimentações e terminadores no final do segmento (início do repetidor) e na saída do repetidor. Sempre que se tem um repetidor é como se houvesse uma nova rede com as mesmas regras vistas anteriormente.

Acopladores DP/PA (Coupler DP/PA)

O acoplador DP/PA é usado para traduzir as características físicas do barramento PROFIBUS DP e PROFIBUS PA, pois existe a necessidade de conversão de meio físico (RS485/fibra óptica) para IEC61158-2 (H1), onde as velocidades de comunicação são diferentes.
O coupler DP/PA está disponível também para aplicações que exigem segurança em áreas classificadas.

O coupler DP/PA é transparente, isto é, não possui endereço no barramento. Os equipamentos de campo conectados são endereçados ou acessados diretamente do controlador programável ou do sistema de automação. No mercado, existem alguns fornecedores, sendo os mais comuns Pepperl+Fuchs com 93.75 kbits/s e Siemens, com 45.45 kbits no lado do PROFIBUS DP. A Pepperl+Fuchs disponibiliza seus modelos de alta velocidade no DP, os chamados High Speed Couplers onde se pode chegar a 12 MBits/s, sendo estes: SK2 e Sk3, onde a Pepperl+Fuchs disponibiliza em seu site um aplicativo para que se converta os arquivos GSDs dos escravos em um formato adequado a estes couplers:

http://www.pepperl-fuchs.com/selector/navi/productInfo/18/1830112c.zip

A Tabela 1.4 apresenta detalhes de alguns modelos de couplers. Para mais detalhes e últimas versões consulte os fabricantes.

Siemens

Siemens

Siemens

Pepperl+Fuchs

Pepperl+Fuchs

Código de Pedido

6ES7157-0AD00-0XA0

6ES7157-0AC00-0XA0

6ES7157-0AA00-0XA0 PA/Link

KFD2-BR-Ex 1.PA.

KFD2-BR-1.PA.

“Ex”

IA DE EEX IIC

-

IA DE EEX IIC

IA DE EEX IIC

-

Tensão de Operação (V)

12.5

19

(3)

12.6

22

Corrente Máxima de Operação (mA)

100

400

(3)

110

380

Alimentação Máxima (W)

1.8

(3)

1.93

Resistência Máxima da Linha (Ω)

35

25

(3)

32.7

34.2

Comprimento Máximo do Cabo (m)

1000

1900 (2)

(3)

1000 (1)

1900 (2)

Taxa de Transmissão/
Recepção DP

45.45 Kbits/s

45.45 Kbits/s

Até 12 Mbits/s

93.75 kbits/s

93.75 Kbits/s

Tabela 1.4 – Características de acopladores DP/PA

NOTA

  • Comprimento de cabo máximo para Ex e is IIC para 1000m.
  • Valor máximo especificado na IEC 61158-2.
  • Ambos os acopladores PA da Siemens, 6ES7157-0AD00-0XA0 e 6ES7157-0AC00-0XA0, podem ser conectados ao link DP/PA.


SK1
KFD2-BR-1.PA.93

SK1 KFD2-BR-Ex1.3PA.93

SK2 Power Link KLD2-PL-1.PA

SK1 Power Link KLD2-PL-Ex1.PA

PA Segmento - Proteção à Explosão

---------------------

Intrinsecamente Seguro de acordo com o Fisco

---------------------

Intrinsecamente Seguro de acordo com o Fisco

Alimentação

Voltagem

20 … 35 V DC

20 … 35 V DC

20 … 35 V DC

20 … 35 V DC

Corrente

790 mA até 20 V

430 mA até 20 V

790 mA até 20 V

430 mA até 20 V

400 mA até 35 V

190 mA até 35 V

400 mA até 35 V

190 mA até 35 V

Conexão PROFIBUS DP

Baude rate

93.75 kbits/s

93.75 kbits/s

veja Gateway

veja Gateway

Impedância de Terminação

100 Ohm,
selecionável

100 Ohm, selecionável

veja Gateway

veja Gateway

Conexão PROFIBUS PA

Voltagem

24 … 26 V

12.6 … 13.4 V

24 … 26 V DC

12.8 … 13.4 V DC

Corrente

Max. 400 mA

Max. 100 mA

Max. 400 mA

Max. 100 mA

Impedância de Terminação

100 Ohm , integrado

100 Ohm, integrado

100 Ohm, integrado

100 Ohm, integrado

Mecânica

Terminal de Conexão DP

2.5 mm2

2.5 mm2

veja Gateway

veja Gateway

Terminal de Conexão PA

2.5 mm2

2.5 mm2

2.5 mm2

2.5 mm2

Carcaça

Para instalação de gabinete em DIN Rail

Dimensão (WxLxH)

80 x 115 x 107 mm

100 x 115 x 107 mm

80 x 115 x 107 mm

100 x 115 x 107 mm

Grau de Proteção

IP20

IP20

IP20

IP20

SK2 Gateway
KLD2-GT-DP1PA

SK2 Gateway
KLD2-GT-DP1PA

SK2 Gateway
KLD2-GT-DPR.4PA

Nº de canais / Modulos Power Links

1/5

2/10

4/20

Alimentação

Voltagem

20 … 35 V DC

20 … 35 V DC

20 … 35 V DC

Corrente

138 mA at 20 V

138 mA at 20 V

138 mA at 20 V

84 mA at 35 V

84 mA at 35 V

84 mA at 35 V

Conexão PROFIBUS DP

Baude rate

45.45 kbits/s … 12 M kbits/s

45.45 kbits/s … 12 M kbits/s

45.45 kbits/s … 12 M kbits/s

Terminador de Impedância

Nenhum

Nenhum

Nenhum

Mecânica

Conexão PROFIBUS DP

1 x RS485, 9-pin sub-D socket

1 x RS485, 9-pin sub-D socket

2 X RS485, 9-pin sub-D socket

Conexão Power Link

Power Rail ou terminais 2.5 mm2

Carcaça

Para instalação de gabinete em Power Rail

Dimensões (WxLxH)

60 x 115 x 107 mm

60 x 115 x 107 mm

60 x 115 x 107 mm

Grau de Proteção

IP20

IP20

IP20

Tabela 1.5 – Características de Acopladores DP/PA - Pepperl+Fuchs (Para mais detalhes consulte o manuais da P+F)

Zona/Grupo de Explosão

Coupler

Observações

Zona 0

( EEX ia) IIx

Dispositivos que são instalados na Zona 0 devem operar em um segmento com tipo de proteção “EEx ia”.

Zona 1

( EEX ia) IIx
( EEX ib) IIx

Dispositivos que são instalados na Zona 1 devem operar em um segmento com tipo de proteção “EEx ia” ou “EEx ib”.
Todos os circuitos conectados neste segmento devem ser certificados para o tipo proteção “EEx ia” ou “EEx ib”.

Grupo de Explosão IIC

IIC (EEx ia) IIC

Se as medidas são feitas em um grupo de explosão IIC, os dispositivos, como também o segmento coupler, devem ser certificados para o grupo de explosão IIC.

Zona/Grupo de Explosão

Coupler

Observações

Grupo de Explosão IIB

(EEX ia) IIC
(EEX ib) IIB

Para o grupo de explosão média IIB, ambos os dispositivos e segmentos coupler podem ser certificados pelos grupos IIC ou IIB.

Não -Ex

Não-Ex

Dispositivos que estão operando em um segmento não-Ex não devem ser instalados em área de risco de explosão.

Tabela 1.6 - Detalhe de Certificação do coupler Conforme a Classificação de Área

Os equipamentos de campo no PROFIBUS PA podem ser conectados ao PROFIBUS DP também por um link DP/PA. O link DP/PA é usado para redes extensas, e neste caso, mais que um link DP/PA pode ser conectado a uma linha PROFIBUS DP dependendo da complexidade da rede e das exigências do tempo de processamento. O link DP/PA atua como um escravo no PROFIBUS DP e como um mestre no PROFIBUS PA, desacoplando todos os dados de comunicação na rede. Isto significa que o PROFIBUS DP e o PROFIBUS PA podem ser combinados sem influenciar no desempenho do processo PROFIBUS DP. O link DP/PA pode ser operado em todos os padrões mestres PROFIBUS DP e a capacidade de endereçamento do sistema é aumentada consideravelmente, mas o link DP/PA reserva somente um endereço do PROFIBUS DP. Os escravos conectados ao link DP/PA têm o seu endereçamento iniciado como se fosse uma rede nova, por isto que é usado quando se deseja expandir o endereçamento.

A Siemens tem um link DP/PA que consiste do IM 157. Este link trabalha no lado PA em 31.25kbits/s e no lado do DP de 9.6 kbits/s a 12 Mbits/s. O próprio link consiste de um módulo de interface com até cinco acopladores DP/PA, versão intrinsecamente segura, ou até dois acopladores DP/PA, versão não segura. O IM 157 e todos os acopladores devem ser alimentados com 24 Vdc. O número máximo de equipamentos de campo por link é limitado a 30 ou 64 equipamentos, mas isto depende do modelo e da quantidade de bytes trocados ciclicamente. Para maiores detalhes, consulte o manual da Siemens.

Um ponto importante que deve ser levado em conta é que no arquivo GSD do link IM157 deve ser acrescido os dados cíclicos de cada equipamento, onde as áreas de início e fim devem ser demarcadas, como segue.

É necessário verificar se no arquivo GSD do DP/PA - Link IM157 inclui os módulos do equipamento PA, como por exemplo, veja os equipamentos da SMAR. Se eles não estiverem incluídos, adicioná-los:


===============================================
Module = "==SMAR device beginning " 0x01,0xfc
270
EndModule
Module = " ==Analog Input " 0x94
271
EndModule
Module = "==Totalizer " 0x41, 0x84, 0x85
272
EndModule
Module = "==SP " 0xA4
273
EndModule
Module = "==RCAS_OUT, RCAS_IN " 0xB4
274
EndModule
Module = "==READBACK + POS_D,SP----Part1" 0x96
275
EndModule
Module = "==READBACK + POS_D,SP----Part2" 0xA4
276
EndModule
Module = "==CHECKBACK,SP -Part1" 0x92
277
EndModule
Module = "==CHECKBACK,SP -Part2" 0xA4
278
EndModule
Module = "==READBK+POS_D+CHKBK,SP--Part1" 0x99
279
EndModule
Module = "==READBK+POS_D+CHKBK,SP--Part2" 0xA4
280
EndModule
Module = "==RCAS_OUT+CHKBK,RCAS_IN-Part1" 0x97
281
EndModule
Module = "==RCAS_OUT+CHKBK,RCAS_IN-Part2" 0xA4
282
EndModule
Module = "==RB+RC_OUT+POS_D+CB,SP+RC_IN1" 0x9E
283
EndModule
Module = "==RB+RC_OUT+POS_D+CB,SP+RC_IN2" 0xA9
284
EndModule
Module = "== Empty Module " 0x00
285
EndModule
Module = "==SMAR device end " 0x01,0xfd
286
EndModule;
===============================================

 

 

Número de Equipamentos PROFIBUS PA em um Segmento

A quantidade de equipamentos (N) por segmento PA é função do consumo quiescente de cada equipamento PA, das distâncias envolvidas (resistência de loop cabo tipo A: 44 Ω/km), do coupler DP/PA e de sua corrente drenada, da classificação de área (couplers para área classificada drenam correntes da ordem de 110 mA, tensão de saída 12 V), além da corrente de FDE (normalmente 0mA, dependendo do fabricante). A corrente total no segmento deve ser menor do que a drenada pelo coupler. Equipamentos SMAR consomem 12 mA.

Sendo que:

Onde:
: Corrente no segmento PA;
: Somatória das correntes quiescentes de todos os equipamentos no segmento PA;
: Corrente adicional em caso de falha, normalmente desprezível;
: Corrente de folga, útil em caso de expansão ou troca de fabricante, recomendado 20 mA;
: Corrente drenada pelo coupler.

Além disso, deve-se ter pelo menos 9.0 V na borneira do equipamento PA mais distante do coupler DP/PA para garantir a energização correta do mesmo:

Onde:

: Tensão de saída do coupler DP/PA;
: Resistência de Loop (Cabo tipo A, R = 44 Ω/km);
: Comprimento total do barramento PA;
: Tensão na borneira do equipamento PA mais distante do coupler DP/PA.

Sendo . Isto garante a energização do último equipamento PA. Lembrando que o sinal de comunicação deve ter excursão entre 750 a 1000 mV.

Algumas caixas de junções ou protetores de curto para segmento, chamados spur guards são ativos e podem ser alimentados via barramento PA (H1), sendo assim, deverá entrar no cálculo da somatória da corrente. Além disso, cada saída destes spur guards possui um limite permitido de corrente que deve ser respeitado.

 

Controlador PROFIBUS DP e PA SMAR

Novas tecnologias surgem a todo o momento, mas algumas proporcionam inovações que em muitas vezes podem abrir uma grande possibilidade de soluções industriais até então nunca imaginadas. Sempre procurando inovar e em muitas vezes surpreendendo o mercado de automação, a SMAR recentemente lançou em um único controlador os protocolos de campo PROFIBUS DP e PA.

Figura 1.14- Controlador DF97 – PROFIBUS DPV1 com canais PROFIBUS PA

A SMAR entregou ao mercado o controlador DF97 que possui no mesmo cartão, dupla porta de comunicação ethernet 10/100 Mbps, uma porta PROFIBUS DP de até 12Mbits/s e quatro portas PROFIBUS PA. Este equipamento suporta um total de 126 escravos, que podem ser divididos entre as redes PROFIBUS DP e PA, sendo que cada canal PA suporta até 32 escravos. Nesta arquitetura o gateway para conversão DP/PA encontra-se montado internamente com o processador lógico da CPU. Esta composição proporcionou uma maior compactação interna no painel, uma diminuição do hardware utilizado e uma menor composição de fabricantes na apresentação da solução PROFIBUS. Outra vantagem é que a comunicação Ethernet chega até o ponto onde se inicia a comunicação PA, ou seja, numa determinada arquitetura a fibra óptica é levada até o local do “gateway” DP/PA, que está montado com o hardware do processador.




Figura 1.15- Esquema ilustrativo do DF97 - Mestre PROFIBUS DPV1 com 4 canais PROFIBUS-PA e 1 canal PROFIBUS-DP.

 

Conclusão

Vimos neste artigo vários detalhes importantes. Na próxima parte veremos mais detalhes de instalação. 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, startup 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.

O conteúdo deste 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 email cesarcass@smar.com.br. 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.

 

Referências:

  1. Manuais SMAR PROFIBUS
  2. Artigos Técnicos César Cassiolato
  3. http://www.smar.com/brasil2/artigostecnicos/
  4. www.smar.com.br
  5. Material de Treinamento e artigos técnicos PROFIBUS - César Cassiolato
  6. Especificações técnicas PROFIBUS.
  7. Pesquisas na internet

* César Cassiolato é Diretor de Marketing, Qualidade e Engenharia de Projetos & Serviços da SMAR Equipamentos Ind. Ltda., foi Presidente da Associação PROFIBUS Brasil América Latina de 2006 a 2010, Diretor Técnico do Centro de Competência e Treinamento em PROFIBUS, Diretor do FDT Group no Brasil, Engenheiro Certificado na Tecnologia PROFIBUS e Instalações PROFIBUS pela Universidade de Manchester.

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