Instalações em Profibus-DP: Técnicas & Dicas
César Cassiolato Gerente de Produtos - Nova Smar 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:
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 |
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 |
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:
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 |
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:
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