Dicas de dimensionamento e instalação em redes Profibus PA

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:

• Transferência de dados usando codificação Manchester, com taxa de 31.25kbit/s
• Para um sinal de comunicação integro, cada equipamento deve ser alimentado com no mínimo 9 volts. O meio físico H1 permite que se alimente os equipamentos via barramento. O mesmo par de fios que alimenta o equipamento também fornece o sinal de comunicação.
• Comprimento máximo de 1900m/seguimento sem repetidores.
• Usando-se 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:
  - Explosion Group IIC: 9 equipamentos e,
  - Explosion Group IIB: 23 equipamentos.
  Obs: Pode-se ligar mais equipamentos do que foi especificado, dependendo do consumo dos equipamentos, fonte de alimentação e características das barreiras de segurança intrínseca, e modelo FISCO.
• Não interrupção do barramento com a conexão e desconexão de equipamentos enquanto estiver em operação.
• Topologia em barramento, árvore ou estrela ou mista.

O modelo FISCO tem as seguintes características:

a) ter um único elemento ativo (fonte de alimentação) no barramento de campo, localizado na área não-classificada;
b) os demais equipamentos na área classificada são passivos;
c) cada equipamento de campo deve ter consumo mínimo de 10mA;
d) em áreas Ex ia o comprimento máximo do barramento deve ser 1000m e em Ex ib, 1000m;
e) Em termos de cabo(sem restrições para cabeamento até 1000m) deve-se 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) (*)

f) Em termos de terminação:
a. R = 90 ... 100 ohms
b. 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'), 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:

• Classe 1: responsável pelas operações cíclicas (leitura/escrita) e controle das malhas abertas e fechadas do sistema de controle/automação (PLC).
• Classe 2: responsável pelos acessos acíclicos dos parâmetros e funções dos equipamentos PA estação de engenharia ou estação de operação: Simatic PDM CommuwinII, Pactware, FieldCare).

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:

• São transparentes para os mestres (não possuem endereço físico no barramento);
• Atendem aplicações seguras(Ex) e (Non-Ex), definindo e limitando o número máximo de equipamentos em cada segmento PA. O número máximo de equipamentos em um segmento depende entre outros fatores, da somatória das correntes quiescentes e de falhas dos equipamentos(FDE) e distâncias envolvidas no cabeamento.
• Podem ser alimentados até 24 Vdc, dependendo do fabricante e da área de classificação.
• Podem trabalhar com as seguintes taxas de comunicação, dependendo do fabricante: P+F (93.75 kbits/s e SK2:12Mbits/s) e Siemens(45.45 kbits/s).

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:

• Possuem endereço físico no barramento;
• Permitem que sejam aclopados até 5 couplers, mas limitam o número de equipamentos em 30 em um barramento “Non-Ex” e 10 em barramento “Ex”.Com isto, aumentam a capacidade de endereçamento da rede DP.

4) Terminador: consiste de um capacitor de 1μF e um resistor de 100 Ω conectados em série entre si e em paralelo ao barramento.Tem as seguintes funções:

• Shunt do sinal de corrente: o sinal de comunicação é transmitido como corrente mas recebido como tensão. O terminador faz esta conversão.
• Proteção contra reflexão do sinal de comunicação: deve ser colocado nas duas terminações do barramento, um no final e outro geralmente no coupler.

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:

• Tensão mínima para um equipamento fieldbus operar: 9Vdc
  
• Tensão típica fornecida por um coupler Siemens Non-Ex: 19Vdc
  
• Corrente típica fornecida por um Siemens Non-Ex: 400mA
  
• Resistência de loop do cabo Tipo A(AWG 18) : 44 Ohms por Km(duas vias)
  
• Desprezaremos as correntes de FDE, por serem insignificantes comparadas com as quiescentes
  
• Equipamentos Smar consomem 12 mA

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:

• Tensão mínima para um equipamento fieldbus operar: 9Vdc
• Tensão típica fornecida por um coupler Siemens Non-Ex: 12.5Vdc
• Corrente típica fornecida por um Siemens Non-Ex: 100mA
• Resistência de loop do cabo Tipo A(AWG 18) : 44 Ohms por Km(duas vias)
• Desprezaremos as correntes de FDE, por serem insignificantes comparadas com as quiescentes
• Equipamentos Smar consomem 12 mA

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:

• Deve-se evitar splice, que é qualquer parte da rede que tenha comprimento descontínuo de um meio condutor especificado, por exemplo, remoção de blindagem, troca do diâmetro do fio, conexão a terminais nus, etc.Em redes com comprimento total maior do que 400 m, a somatória de todos os comprimentos de todos os splices não deve ultrapassar 2% do comprimento total e ainda, em comprimentos menores do que 400m, não deve exceder 8m.
  
• Deve-se ter terminadores no barramento, um no início e outro no final.Não deve-se ligar a blindagem ao terminador e sua impedância deve ser 100 Ohms +/-20% entre 7.8 a 39 kHz.Este valor é aproximadamente o valor médio da impedância característica do cabo nas freqüências de trabalho e é escolhido para minimizar as reflexões na linha de transmissão, assim como para converter o sinal em níveis aceitáveis de 750 a 1000 mV.Um detalhe importante quando se tem a topologia em árvore ou estrela é que devemos centralizar o terminador de tal forma a otimizarmos os comprimentos máximos dos spurs, respeitando-se o limite de 120m. Em casos onde isto não é possível, o recomendado é incluir este spur como parte integrante do barramento principal.
• Quando repetidores são utilizados, para cada segmento abaixo do repetidor deve ser colocado um terminador.
• O propósito do shield sob o par de fios trançados é proteger o sinal de ruídos, principalmete devidos à interferência eletromagnética.A atuação do shield só será efetiva quando conectado ao terra somente em um ponto, senão passa a contribuir com caminhos que conduzem correntes parasitas facilitando a introdução de ruídos. O shield é normalmente aterrado na fonte de alimentação ou na barreira de segurança intrínseca.Deve-se assegurar a continuidade da blindagem(shield) 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.
• Em áreas sujeitas à exposição de raios e picos de alta voltagem, recomenda-se os protetores de surtos.
• Isolar sinal fieldbus de fontes de ruídos, como cabos de força, motores, inversores de freqüência.Colocá-los em guias e calhas separadas.
• Quando utilizar cabos multivias, não misturar sinais de vários protocolos.
• Em relação ao aterramento, deve-se ter uma impedância de terra suficientemente baixa com capacidade de dreno suficiente para conduzir e prevenir picos de tensão.Deve-se evitar múltiplos terras e quando estes forem necessários devem ser capacitivos.
• Evitar loops de terra: quando se tem vários equipamentos aterrados a um terra comum por caminhos diferentes, criando diferenças de potenciais que podem danificar os equipamentos.
• Respeitar as normas de segurança e classificação da área.
• Uso de caixa de junção passivas: estas caixas não consomem potência do barramento e estão previstas de acordo com a IEC 61158-2 em instalações fieldbus. O uso do Fieldbus proporciona vários benefícios, como a redução de cablagem e flexibilidade de instalação.Várias topologias podem ser usadas, sendo que a redução de cabos depende da topologia. A maior parte das instalações não se beneficiam da redução de cablagem, devido ao fato de se utilizar caixas de junções convencionais que distribuem o cabeamento para diversos equipamentos. Neste caso, utilizam-se da topologia estrela onde se necessita um grande número de derivações, sendo que cada equipamento requer um par de fios.Veja figura 7. Para realmente tirar-se vantagem da redução de cabeamento, a topologia em barramento deve ser usada. E neste caso, a solução custo-efetivo é alcançada usando-se caixa de junções distribuídas. Um exemplo é a caixa de junção JM400 da Smar. Especialmente projetada para o uso em Fieldbus, a JM400, facilita a distribuição do cabeamento e permite maximizar a economia com cabos, além de dar uma maior flexibilidade de instalação, aumentando a disponibilidade da planta.

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

• “O uso de protocolos digitais em automação e controle de processos”, César Cassiolato, Controle&Instrumentação Edição nº 82, 2003.
• “Caixas de junção em barramentos de campo”, César Cassiolato, Marcos Mesquita, Controle&Instrumentação Edição nº 94, 2004.
• “FISCO: Fieldbus Intrinsically Safe Concept”, César Cassiolato, Controle&Instrumentação Edição nº 95, 2004.
• Material de Treinamento Profibus Smar, César Cassiolato.
• www.smar.com.br