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Apostila do Treinamento Noções de Aplicação de Profibus DP/PA em Projetos de Automação - Configuração
Versão 1.0 Outubro 2008
Autoria: Dennis Brandão Centro de Competência Profibus Laboratório de Automação Industrial – EESC/USP Av. Trabalhador Sancarlense, 400 São Carlos, SP Fone: (16) 3373-9357 [email protected]
Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação pode ser reproduzida ou utilizada sem a prévia permissão por escrito do autor.
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Introdução
1.1. 1 - Protocolos de Comunicação
Protocolos de comunicação definem a forma como duas ou mais estações
ou dispositivos trocam dados usando mensagens ou “frames” em uma rede de
computadores ou de campo. Um frame de dados contém diferentes campos
para informações de controle e para dados. O campo de dados é precedido por
um cabeçalho que contém, em geral, os endereços fonte e destino e detalhes
da mensagem, e é seguido por campos de segurança e de verificação de dados
destinados à verificação e ao reconhecimento de falhas de transmissão.
Uma característica das redes de campo é que elas possibilitam uma
transmissão eficiente de pequenos volumes de dados em tempos críticos de
forma sincronizada com a aplicação ou com o sistema controlado.
Alguns dos requisitos mais importantes de projeto de redes de campo
estão relacionados aos seguintes fatores:
a) Acesso ao barramento
Controle de acesso de barramento (MAC, Medium Access Control) é o
procedimento específico que determina quando uma estação pode transmitir
dados. Enquanto estações ativas podem iniciar a troca de informações,
estações passivas podem somente iniciar a comunicação quando solicitadas por
uma estação ativa.
Uma distinção é feita entre procedimentos controlados de acesso
determinístico com capacidade de tempo real (ex. mestre-escravo no
PROFIBUS) e procedimentos de acesso randômico e não determinísticos (ex.
CSMA/CD na Ethernet).
4
b) Endereçamento
Endereçamento é necessário para seletivamente identificar uma estação.
Para este propósito, o endereçamento das estações pode ser realizado por uma
chave de endereço (endereçamento por hardware) ou através de
parametrização durante o comissionamento (endereçamento por software).
c) Serviços de comunicação
Os Serviços de Comunicação cumprem as tarefas de comunicação de
dados das estações cíclica ou aciclicamente. O número e tipo destes serviços
são critérios para a seleção de um protocolo de comunicação. Uma distinção é
feita entre serviços de conexão orientada (com procedimentos de handshake e
monitoração) e serviços sem conexão. O segundo grupo inclui mensagens de
multicast e broadcast que são enviadas para um grupo específico ou para todas
as estações respectivamente.
d) Perfis
Perfis ou “Profiles” são utilizados na tecnologia de automação para definir
propriedades específicas e comportamento para os dispositivos, famílias de
dispositivos ou o sistema inteiro. Somente dispositivos e sistemas que utilizam
perfis, independentemente do fabricante, provem interoperabilidade e
explorando, assim, completamente as vantagens de uma rede de campo.
Perfis de aplicação (application profiles) referem-se principalmente a
dispositivos (dispositivos de campo, de controle e ferramentas de integração) e
incluem uma seleção de comunicação de rede e de aplicações específicas nos
dispositivos.
Este tipo de perfil prove a fabricantes uma especificação para o
desenvolvimento de dispositivos interoperáveis em conformidade com seu
perfil de aplicação.
5
Perfis de sistema (system profiles) descrevem classes de sistemas que
incluem funcionalidade, interfaces de programa e ferramentas de integração.
1.2. 2 – O modelo de referência ISO/OSI
Um modelo de referência descreve uma estrutura para protocolos de
comunicação entre as estações de um sistema. Para que um modelo funcione
efetivamente, são utilizadas regras, operações e interfaces de transferência de
dados e serviços dentro do protocolo.
De 1978 a 1983, o International Organization for Standardization (ISO)
desenvolveu o modelo de referência OSI (Open Systems Interconnection
Reference Model) para este propósito. Este protocolo define os elementos,
estruturas e tarefas requeridas para comunicação e as organiza em sete
camadas.
Cada camada deve cumprir uma função específica dentro do processo de
comunicação. Se um sistema de comunicação não requerer alguma destas
funções específicas, a camada correspondente não tem propósito e não é
utilizada. O PROFIBUS utiliza as camadas 1, 2 e 7.
Figura 1 – Modelo de Referência ISO/OSI
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1.3. 3 - Padronização internacional e normas utilizadas
A padronização internacional para sistemas de rede de campo torna-se
importante em um mercado com diversidade de protocolos e sistemas, de
forma a se ampliar a aceitação e o estabelecimento de dispositivos
interoperáveis. O PROFIBUS obteve padronização nacional em 1991/1993 sob
a DIN 19245, partes 1 a 3 e alcançou a padronização européia em 1996 com a
EN 50170.
Junto com outros sistemas de rede campo, PROFIBUS foi padronizado na
IEC 61158 em 1999 e recebeu atualizações em 2002, tal norma é denominada
“Digital data communication for measurement and control – Fieldbus for use in
industrial control systems” ou Comunicação digital de dados para medição e
controle – Redes de campo para uso em sistemas de controle industrial.
Atualmente, os mais modernos desenvolvimentos em PROFIBUS e
PROFInet estão incorporados nesta norma.
A IEC 61158 divide-se em 6 partes que são nomeadas como 61158-1,
61158-2, etc. O conteúdo da parte 1 é a sua introdução enquanto as partes
seguintes são orientadas ao modelo de referencia OSI, camadas 1, 2 e 7,
conforme a tabela a seguir.
Documento IEC 61158
Conteúdo Camada
OSI
IEC 61158-1 Introdução
IEC 61158-2 Physical layer specification and service definition
1
IEC 61158-3 Data-Link service definition 2
IEC 61158-4 Data-Link protocol specification 2
IEC 61158-5 Application layer service definition 7
IEC 61158-6 Application layer protocol specification 7
Tabela 1 -Divisões da IEC 61158
As várias partes da IEC 61158 definem os numerosos serviços e
protocolos para comunicação entre estações que são considerados como o
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conjunto total disponível, do qual uma seleção específica (subconjunto)
compreende redes de campo específicas.
O fato que uma grande gama de diferentes sistemas de rede de campo
estar disponível no mercado é reconhecida na IEC 61158 pela definição de 10
tipos de protocolos de redes de campo, nomeadas de Tipo 1 a Tipo 10.
PROFIBUS é tipo 3 e PROFInet tipo 10.
Na IEC 61158 nota-se que a comunicação de rede, por definição, é
possível somente entre dispositivos que pertençam ao mesmo tipo de
protocolo.
A IEC 61784, norma complementar, tem o título “Profile sets for
continuous and discrete manufacturing relative to fieldbus use in industrial
control systems” ou Conjunto de perfis para fabricação contínua e discreta
relativo ao uso de redes de campo em sistemas de controle industrial.
É apresentada uma declaração sobre a IEC 61158 através do seguinte
comentário introdutório: “Este padrão internacional (IEC 61784) especifica um
conjunto de perfis de protocolos de comunicação baseados na IEC 61158, para
serem utilizados no desenvolvimento de dispositivos envolvidos na
comunicação de controle de processos e fabricação de manufaturas”.
A IEC 61784 descreve qual subconjunto, do conjunto total disponível de
serviços e protocolos especificados na IEC 61158 (e outros padrões), é
utilizado por um sistema específico de comunicação de rede de campo. Os
perfis específicos de comunicação de rede de campo determinados desta
maneira são resumidos nas Famílias de Perfis de Comunicação (CPF –
Communication Profile Families) de acordo com sua implementação no sistema
individual de rede de campo.
O conjunto de perfis implementado com PROFIBUS é resumido sob a
designação de Família 3, com subdivisões 3/1, 3/2 e 3/3. A tabela 2 mostra
sua declaração para PROFIBUS e PROFInet.
Conjunto de
Perfis Link de Dados
Camada
Física Implementação
Perfil 3/1
Subconjuntos da IEC
61158 Transmissão assíncrona
RS485
Plastic fiber Glass fiber
PCF fiber
PROFIBUS
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Perfil 3/2 Subconjuntos da IEC 61158 Transmissão síncrona
MBP PROFIBUS
Perfil 3/3 ISO/IEC8802-3 TCP/UDP/IP/Ethernet
ISO/IEC 8802-3
PROFInet
Tabela 2 – Propriedades da Família do Perfil de Comunicação CPF3 (PROFIBUS)
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Tecnologia PROFIBUS
PROFIBUS é um sistema de comunicação digital aberto, com uma extensa
gama de aplicações, particularmente nos campos de fabricação de manufatura
e automação de processo. PROFIBUS atende aplicações rápidas com tempos
críticos, bem como tarefas complexas de comunicação.
A comunicação de PROFIBUS é baseada nos padrões internacionais IEC
61158 e IEC 61784. Os aspectos de engenharia e aplicação são especificados
nas diretrizes gerais e documentos técnicos disponíveis aos associado da
Organização PROFIBUS. Isto cumpre a demanda do usuário para independência
de fabricante e assegura comunicação entre dispositivos de vários fabricantes.
1.4. 1 - Estrutura PROFIBUS
Os sistemas PROFIBUS têm estrutura modular e oferecem uma gama de
tecnologias de comunicação, numerosas aplicações e perfis de sistema, bem
como ferramentas de administração de dispositivo. Assim, cobrem as diversas
demandas e aplicações específicas no campo de fabricação de manufatura e
automação de processos.
Do ponto de vista tecnológico, o mais baixo nível (comunicações) da
estrutura do sistema PROFIBUS está baseado no modelo de referencia ISO/OSI
antes mencionado. A figura a seguir contém a implementação do modelo OSI
(camadas 1, 2 e 7) no PROFIBUS com detalhes em como as camadas são
implementadas e especificadas individualmente.
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Figura 2 – Estrutura técnica do sistema PROFIBUS
Especificações combinadas entre os fabricantes e usuários sobre
aplicações específicas de dispositivo são organizado sobre a camada 7 em
perfis de aplicação I e II.
Do ponto de vista do usuário PROFIBUS apresenta-se na forma de
diferentes aplicações típicas com suas ênfases principais que não são definidas
especificamente, mas tem se comprovado útil como resultado de aplicações
freqüentes.
Cada aplicação típica resulta de uma combinação de elementos modulares
dos grupos "tecnologia de transmissão", "protocolo de comunicação" e "perfil
de aplicação". Os seguintes exemplos, vistos na figura 3, ilustram este
princípio:
PROFIBUS DP é a ênfase principal para automação de fabricação de
manufatura. Ele utiliza a tecnologia de transmissão rápida RS485,
uma das versões (V0, V1 ou V2) do protocolo de comunicação DP e
um ou mais perfis de aplicação típicos de automação de fabricação
como sistemas de identificação ou robôs e comandos numéricos.
PROFIBUS PA é a ênfase principal para automação de processos,
tipicamente com tecnologia de transmissão MBP-IS com segurança
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intrínseca e alimentação dos dispositivos pelo barramento de dados,
protocolo de comunicação DP-V1 e o perfil de aplicação de
dispositivos PA.
Figura 3 – Exemplos típicos de aplicações orientadas de PROFIBUS
a) Tecnologias de transmissão
RS485 é a tecnologia de transmissão geralmente utilizada no Profibus DP.
Utiliza um cabo de par trançado blindado e alcança taxas de transmissão de
até 12 Mbits por segundo.
A versão especificada recentemente RS485-IS, foi concebida como um
meio de transmissão com um cabo de quatro fios com tipo de proteção EEx-i
para utilização em áreas potencialmente explosivas. Os níveis especificados de
tensão e de corrente referem-se aos valores máximos relativos à segurança e
não devem ser excedidos nos seus dispositivos individuais ou durante a
conexão no sistema. Ao contrário do modelo FISCO, no qual o sistema tem
somente uma fonte intrinsicamente segura, neste caso todas estações
representam fontes ativas.
A tecnologia de transmissão MBP (Manchester Coded, Bus Powered,
designação prévia "IEC 1158-2 - Physics") está disponível para aplicações em
automação de processos com uma demanda para redes de campo energizadas
e com equipamentos intrinsecamente seguros.
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Comparados aos procedimentos anteriormente utilizados, o “Fieldbus
Intrinsically Safe Concept” (FISCO) tem desenvolvimento especial para
interconexão de dispositivos de rede de campo intrinsecamente seguros,
consideravelmente simplifica o planejamento e a instalação.
Transmissão em Fibra Óptica é utilizada para uso em áreas com alta
interferência eletromagnética ou onde são requeridas maiores distâncias de
rede.
b) Protocolos de comunicação
No nível de protocolo, PROFIBUS DP com suas versões o DP-V0 a DP-V2
oferece um grande espectro de opções de comunicação entre aplicações
diferentes. Historicamente, o FMS foi o primeiro protocolo de comunicação
PROFIBUS, sua aplicação foi descontinuada e substituída pelo protocolo DP,
após a especificação de troca assíncrona de dados no DP.
DP (Decentralized Periphery) é um meio de troca de dados de processo
simples, rápido, cíclico e determinístico entre o mestre de rede e os seus
declarados dispositivos escravos. A versão original, declarada como DP-V0, foi
expandida para incluir a troca de dados acíclica entre mestres e escravos, o
que resultou na versão DP-V1. Uma posterior versão, DP-V2 também está
disponível o qual também prove comunicação direta de escravo para escravo
com ciclo de rede isócrono.
O protocolo de acesso ao barramento, camada 2 ou camada de enlace
(data link), define os procedimentos entre mestres e escravos e os
procedimentos de passagem de token para coordenação de vários mestres na
rede (figura 4). As funções da camada 2 também incluem segurança dos dados
e manuseamento dos frames de dados.
Muitas companhias oferecem chips ASIC que implementam totalmente ou
parcialmente o protocolo DP, tais chips são encontrados em grande parte dos
produtos PROFIBUS disponíveis no mercado.
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A camada de aplicação, camada 7, define a forma e a interface para o
programa de aplicação. Ela oferece vários serviços para troca de dados cíclica e
acíclica.
Figura 4 – Configuração PROFIBUS com mestres ativos e escravos
c) Perfis
Perfis são as especificações definidas pelos fabricantes e usuários.
Especificações de Perfis definem os parâmetros e comportamento de
dispositivos e sistemas que pertencem a uma família de perfil construída nos
moldes de desenvolvimento e de conformidade, o qual facilita a
interoperabilidade de dispositivos, e em algumas instâncias,
intercambeabilidade de dispositivos na rede. Perfis levam em conta a aplicação
e as características especiais específicas do tipo dos dispositivos de campo,
controles e métodos de integração (engenharia). O termo Perfil varia de
somente algumas especificações para uma classe específica de dispositivos até
abrangentes especificações para aplicações em uma indústria específica. O
termo genérico utilizado para todos os perfis é Perfis de Aplicação.
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Uma distinção é feita então entre:
Perfis Gerais de Aplicação com opções de implantação em diferentes
aplicações (isto inclui, por exemplo, PROFIsafe, Redundância e Time Stamp);
Perfis Específicos de Aplicação, o qual são desenvolvidos para aplicações
específicas como PROFIdrive, SEMI ou dispositivos PA e
Perfis de Sistema o qual descreve o desempenho específico do sistema
que está disponível para os dispositivos de campo.
1.5.
15
Protocolo de enlace de dados e de acesso ao meio PROFIBUS
Os perfis de comunicação PROFIBUS (Communication Profiles) usam um
protocolo uniforme de acesso ao meio. Este protocolo é implementado pela
camada de enlace (camada 2) do modelo de referência OSI, que inclui também
a segurança de dados e o protocolo de transmissão e ao formato geral dos
diferentes tipos de mensagens.
No PROFIBUS a camada 2 é chamada Fieldbus Data Link (FDL). O Controle
de Acesso ao meio (MAC) especifica o procedimento que determina qual e
quando uma estação tem a permissão para transmitir dados. O MAC deve
assegurar que uma única estação tem direito de transmitir dados em um
determinado momento. O protocolo PROFIBUS foi projetado para atender os
dois requisitos básicos do Controle de Acesso ao Meio:
Durante a comunicação entre mestres, deve ser assegurado que
cada uma destas estações detenha tempo suficiente para executar
suas tarefas de comunicação dentro de um intervalo definido e
preciso de tempo.
Por outro lado, a transmissão cíclica de dados em tempo real deverá
ser implementada tão rápida e simples quanto possível para a
comunicação entre um controlador programável (mestre) e seus
próprios dispositivos de I/O’s (escravos).
Desta forma, o protocolo PROFIBUS de acesso ao barramento inclui o
procedimento de passagem do Token, utilizado pelas estações ativas da rede
(mestres) para comunicar-se umas com as outras, e o procedimento de polling
ou varredura entre mestres e escravos.
O procedimento de passagem do Token garante que o direito de acesso ao
barramento é designado a cada mestre dentro de um intervalo preciso de
tempo. A mensagem de Token, um telegrama especial para passar direitos de
acesso de um mestre ao próximo mestre, circula no anel lógico de mestres
pelo menos uma vez dentro de um intervalo de tempo máximo denominado
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tempo de rotação do Token. No PROFIBUS o procedimento de passagem de
Token somente é utilizado na comunicação entre estações ativas (mestres).
O procedimento de polling entre mestres e escravos permite por sua vez
ao mestre que, no momento em que possui o Token, acesse seus próprios
escravos. O mestre pode enviar mensagens aos escravos ou ler mensagens dos
escravos. Este método de acesso permite as seguintes configurações de
sistema:
Sistema puro mestre-escravo;
Sistema puro mestre-mestre;
Uma combinação dos dois.
A figura 4 mostra uma configuração com três estações ativas (mestres) e
sete estações passivas (escravos). Os três mestres formam um anel lógico de
Token. No momento que uma estação ativa recebe o telegrama de Token
(direito de acesso a rede) passa a executar seu papel de mestre durante um
determinado período de tempo. Durante este tempo, pode comunicar-se com
todas estações escravas num relacionamento de comunicação de mestre-
escravo e com todas estações mestres num relacionamento mestre-mestre de
comunicação.
Um anel de Token é a corrente organizacional, ou lógica, de estações
ativas que forma um anel virtual baseado em seus endereços de estação.
Neste anel, o Token é passado de um mestre ao próximo segundo a ordem de
endereços crescentes.
Na fase de inicialização do sistema, a tarefa do controle de acesso (MAC)
das estações ativas é captar esta designação lógica e estabelecer o anel de
Token. Na fase operacional, estações ativas defeituosas ou fora de operação
são removidas do anel e novas estações ativas podem ser adicionadas ao anel.
Além disto, o controle de acesso assegura que o Token seja passado de um
mestre ao próximo em ordem crescente de endereços. O tempo de retenção do
Token por um mestre depende do tempo de rotação de Token configurado. A
detecção de defeitos no meio de transmissão ou no receptor, assim como
detecção de erros de endereçamento (por ex.: endereços duplicados) ou na
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passagem do token (por ex.: múltiplos tokens ou perda do token) são funções
do Controle de Acesso ao Meio (MAC) do PROFIBUS.
Outra tarefa importante de camada 2 é a segurança de dados. A camada 2
do PROFIBUS formata frames que asseguram a alta integridade de dados.
Todos os telegramas têm Hamming Distance (HD=4), alcançada através do uso
de telegramas especiais, delimitadores de início/fim, bit de paridade e bytes de
checksum, conforme norma IEC 870-5-1. Os seguintes tipos de erro são
detectados com o HD=4:
Erros no formato do caractere (paridade, e erros de framming);
Erros de protocolo;
Erros com os limitadores de início e de fim das mensagens;
Erros com o conteúdo do telegrama (check byte)
Erros com o comprimento do telegrama.
A camada dois do PROFIBUS pode operar em modo “sem conexão”. Além
de transmissão de dados ponto-a-ponto, proporciona também comunicações do
tipo multi-ponto (Broadcast e Multicast):
Comunicação Broadcast significa que uma estação ativa envia uma
mensagem sem confirmação a todas outras estações (mestres e
escravos).
Comunicação Multicast significa que uma estação ativa envia uma
mensagem sem confirmação a um grupo de estações pré-
determinadas (mestres e escravos).
De forma geral, o usuário não exerce influência na operação da camada de
enlace. Quando ocorre uma falha, entretanto, é interessante que este tenha
habilidade para avaliar as informações contidas nas mensagens enviadas.
Cada perfil de comunicação PROFIBUS utiliza os serviços de transmissão
da camada 2 (veja tabela 9). Os serviços são acionados via pontos de acesso
de serviço (SAP’s). No PROFIBUS-DP, a cada função definida é associada a um
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ponto de acesso de serviço. Vários pontos de acesso de serviço podem ser
utilizados simultaneamente por todas estações passivas e ativas. Uma
distinção é feita entre fonte (SSAP – Source) e destino (DSAP - Destination)
dos pontos de acesso de serviço. Os seguintes serviços de transmissão são
definidos para o PROFIBUS pela IEC61158:
Serviço Função
SRD Send and Request Data with acknowledge (Envia e requisita dados com
reconhecimento)
SDN Send Data with No acknowledge (Envia dados sem reconhecimento)
Tabela 9: Serviços da camada de segurança de dados (Data Link Layer)
Com o serviço SRD, o mestre transfere a variável de saída para um
escravo e recebe de volta os dados de entrada (se o escravo tiver dados de
entrada) como resposta dentro de um limite pré-definido de tempo. Se o
escravo é um dispositivo atuador puro, ele responde com um reconhecimento
simples do tipo “0x5E”.
O serviço SDN envia dados para um grupo determinado de escravos, sem
o recebimento de qualquer tipo de resposta ou reconhecimento.
O protocolo de comunicação DP foi projetado para rápida troca de dados
no nível de campo. Isto é onde PLC´s, PC´s ou sistemas de controle de
processos comunicam-se com dispositivos de campo como I/Os remotos,
drivers, válvulas, transdutores sobre uma rápida conexão serial. Trocas de
dados com dispositivos distribuídos são principalmente cíclicas. As funções de
comunicação requeridas para isto são especificadas na versão DP-V0.
As funções básicas do DP têm sido expandidas passo a passo com
implementações especiais para atender demandas de outras aplicações, d
forma que o protocolo hoje conta com três versões: DP-V0, DP-V1 e DP-V2,
segundo a figura 13.
Esta divisão em versões reflete, principalmente, a seqüência cronológica
do trabalho de especificação como o resultado das sempre crescentes
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demandas de aplicações. As versões V0 e V1 contêm as características
(vinculadas à implementação) e opções, enquanto a versão V2 especifica
somente opções. Os conteúdos principais das três versões são os seguintes:
DP-V0: fornece a funcionalidade básica do DP, incluindo trocas
cíclicas de dados, bem como diagnósticos de estação, diagnósticos
de módulo e diagnóstico de canal específico.
DP-V1: contêm melhorias em relação à automação de processos
contínuos, em particular comunicação acíclica de dados para
parametrização, operação, visualização e manuseamento de alarmes
de dispositivos de campo inteligente, paralelos à comunicação cíclica
de dados do usuário. Isto permite acesso em tempo real para as
estações de engenharia. Em adição, DP-V1 define alarmes de
estado, alarmes de atualização e alarmes específicos do fabricante.
DP-V2: contêm melhorias adicionais para a demanda da tecnologia
de acionamento (drivers). Devido às funcionalidades adicionais como
modo isócrono de escravo e a comunicação de escravo para escravo
(DXB, troca de dados broadcast), o DP-V2 pode também ser
aplicado em controle e sincronismo de seqüência de movimentos de
eixos rápidos.
As várias versões do DP são especificadas em detalhe na IEC 61158.
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Figura 13 – Funcionalidade das versões de PROFIBUS com suas características
chaves.
1 - Versão DP-V0
O PROFIBUS DP-V0 prevê a troca de dados cíclica entre um mestre de
classe 1 e escravos, também referenciada por uma conexão do tipo MS0. O
controlador central lê ciclicamente a informação de entrada dos escravos e
escreve também ciclicamente a informação de saída nos escravos. O tempo de
ciclo do barramento é geralmente mais curto que o tempo de ciclo do
programa do PLC. Além da transmissão cíclica de dados de usuário, o
PROFIBUS-DP proporciona funções de diagnóstico e configuração.
O telegrama pode conter até 244 bytes de dados do usuário e 11 bytes de
cabeçalho, totalizando 255 bytes, e ser endereçada para estações com o
endereçamento entre 0 e 126. O endereço 126 deve ser reservado para
serviços de comissionamento, ou seja, dados de usuário não devem ser
trocados com a estação no endereço 126.
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A figura 14 apresenta o tempo típico de transmissão do PROFIBUS-DP em
função do número de estações e da velocidade de transmissão.
Figura 14 – Tempo de ciclo do barramento de um sistema DP mono mestre. Cada
escravo tem 2 bytes de entrada e de saída de dados
A comunicação de dados é controlada por funções de monitoração tanto
no mestre como no escravo, uma vez que somente uma alta velocidade de
transferência de dados não é um critério suficiente para o sucesso de um
sistema de comunicação de dados. Instalação e manutenção simples, uma boa
capacidade de diagnóstico e uma de transmissão de dados segura e livre de
erros são também importantes.
A tabela 10 lista um resumo das funções básicas do PROFIBUS-DP.
Acesso ao
barramento
Procedimento de passagem de token entre mestres e
passagem de dados entre mestres e escravos. Opção de sistemas mono-mestre ou multi-mestre.
Máximo de 126 dispositivos entre mestres e escravos.
Comunicação Ponto a ponto (comunicação de dados) ou multicast
(comandos de controle). Comunicação cíclica de dados entre mestre e escravo.
Estados de operação
Operate – transmissão cíclica de dados de entrada e saída. Clear – as entradas são lidas, as saídas ficam em estado de falha segura.
Stop – diagnósticos e declaração de parâmetros. Sem comunicação de dados.
Sincronização Comandos de controle habilitam a sincronização de entradas e
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saídas. Modo Sync – saídas são sincronizadas. Modo Freeze – entradas são sincronizadas.
Funcionalidades Transferência cíclica de dados entre o mestre DP e os escravos.
Dinâmica ativação e desativação de escravos individuais; verificação da configuração do escravo.
Poderosas funções de diagnóstico com 3 níveis de mensagens. Sincronização de entradas e/ou saídas.
Declaração de endereço opcional para escravos na rede. Máximo de 244 bytes de entrada e 244 bytes de saída por
escravo.
Funções de
proteção
Transmissão de mensagem com Hamming Distance HD=4.
Controle de Watchdog dos escravos DP para detecção de falha do mestre declarado. Proteção de acesso para saídas dos escravos.
Monitoramento da comunicação de dados com tempo ajustável no mestre.
Tipos de dispositivos
DP mestre classe 1 (DPM1), por exemplo PLC’s e PC’s. DP mestre classe 2 (DPM2), por exemplo ferramentas de
engenharia e diagnósticos. DP escravos, por exemplo dispositivos com entradas e saídas digitais ou analógicas, drives e válvulas.
Tabela 11 – Resumo do DP-V0
Em redes PROFIBUS existem duas classes de mestres. Os mestres de
classe 1 manipulam as variáveis de processo e acionam os escravos envolvidos
em I/O, são tipicamente CLPs e PCs. Os mestres de classe 2 realizam apenas
tarefas de comissionamento, e por isso, eventualmente toma o controle sobre
estações escravo apenas por um curto período de tempo. Tais mestres são em
geral terminais de engenharia, programadores, dispositivos de configurações
ou painéis de operação.
Os escravos são dispositivos periféricos (dispositivos de I/O, drives, IHM,
válvulas, etc.) que coletam informações de entrada e atualizam informações de
saída provindas do controlador.
O comprimento do dado a ser transmitido por escravo é definido pelo
fabricante do dispositivo no arquivo de base de dados do dispositivo (arquivo
GSD) e verificado por uma mensagem de configuração pelo dispositivo, que a
declara apropriada ou não.
Quando um mestre recebe seus parâmetros de operação de uma
ferramenta de configuração, começa a configuração e a troca de dados com os
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escravos designados para ele e a correspondente monitoria. Os escravos por
sua vez se adaptam à taxa de troca de dados. Por motivos de segurança, um
escravo só pode ter seus parâmetros ou saídas modificadas pelo mestre
responsável pela sua parametrização e configuração, embora possa ter suas
variáveis de I/O lidas por todos os mestres ativos da rede.
Qualquer mau funcionamento neste mecanismo é reconhecido
imediatamente por um mecanismo de monitoramento no mestre que dispara
um telegrama de diagnóstico. As saídas dos escravos são chaveadas para
valores de segurança e o mestre recomeça então a fase de re-parametrização
e configuração.
Uma descrição dos parâmetros de operação da camada de enlace é
apresentada no Anexo I.
Durante a configuração dos mecanismos de monitoramento, deve-se
saber o tempo de rotação do token e aplicar um fator de segurança de forma a
se compensar possíveis retransmissões de mensagens.
O tempo de rotação do token (Token hold time) deve ser estimado de
forma que cada mestre uma vez com o token possa acessar todos seus
escravos uma vez.
O ciclo de comunicação (Bus cycle) do sistema é, portanto, caracterizado
por um Tempo alvo de rotação do token (Target rotation time), que deve ser
maior do que a soma dos tempos reais de rotação do token (TRR, real rotation
time) de cada mestre.
As funções de diagnósticos do PROFIBUS-DP permitem a rápida
localização de falhas. As mensagens de diagnósticos são transmitidas ao
barramento e coletadas no mestre. Estas mensagens são divididas em três
níveis:
Diagnósticos de Estação: estas mensagens ocupam-se com o estado
operacional geral da estação (por exemplo: alta temperatura ou
baixa tensão).
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Diagnósticos de Módulo: estas mensagens indicam que existe uma
falha em um I/O específico (por ex: o bit sete do módulo de saída)
de uma estação.
Diagnósticos de Canal: estas mensagens indicam um erro em um bit
de I/O (por ex: curto-circuito na saída 7).
A especificação do PROFIBUS DP descreve o comportamento do sistema
para garantir a intercambiabilidade dos dispositivos. O comportamento de
sistema é determinado principalmente pelo estado de operação do DPM1. Há
três estados principais:
STOP: neste estado, nenhuma transmissão de dado entre o DPM1 e
os escravos DP ocorre.
CLEAR: neste estado, o DPM1 lê a informação de entrada dos
escravos DP e retém as saídas no estado de segurança.
OPERATE: neste estado, o DPM1 está na fase de transferência de
dados. Em comunicação cíclica de dados, as entradas dos escravos
DP são lidas, e as saídas atualizadas.
O DPM1 envia ciclicamente, em um intervalo de tempo determinado e
configurável, seu estado atual à todos os escravos DP associados através do
comando denominado Multicast.
Já a reação do sistema a um erro durante a fase de transferência de dados
para o DPM1 (por ex. falha de um escravo DP) é determinado pelo parâmetro
de configuração auto-clear. Se este parâmetro está ativo (=1), o DPM1 altera
todas as saídas do escravo DP defeituoso para um estado seguro, assim que
tenha detectado que este escravo não está respondendo suas requisições. O
DPM1 muda então para o estado CLEAR. No outro caso, isto é, se este
parâmetro não está ativo (=0), o DPM1 permanece no estado OPERATE mesmo
quando uma falha ocorre, e o usuário então deve programar a reação do
sistema, por exemplo, através do software aplicativo.
25
A transmissão de dados entre o DPM1 e os escravos DP associados a ele é
executado automaticamente pelo DPM1 em uma ordem definida, que se repete
de acordo com a figura 15. Quando configurando o sistema, o usuário
especifica a associação de um escravo DP ao DPM1 e quais escravos DP serão
incluídos ou excluídos da transmissão cíclica de dados.
A transmissão de dados entre o DPM1 e os escravos DP é dividida em três
fases: parametrização, configuração e transferência de dados. Durante as fases
de configuração e parametrização de um escravo DP, sua configuração real é
comparada com a configuração projetada no DPM1. Somente se
corresponderem é que o Escravo-DP passará para a fase de transmissão de
dados. Assim, todos os parâmetros de configuração, tais como tipo de
dispositivo, formato e comprimento de dados, número de entradas e saídas,
etc. devem corresponder à configuração real. Estes testes proporcionam ao
usuário uma proteção confiável contra erros de parametrização.
Além da transmissão de dados, que é executada automaticamente pelo
DPM1, uma nova parametrização pode ser enviada à um Escravo-DP sempre
que necessário.
Figura 15 - Transmissão cíclica de dados no PROFIBUS-DP
26
Além da transferência de dados com as estações associadas, executada
automaticamente pelo DPM1, o mestre pode enviar também comandos de
controle a um único escravo, para um grupo de escravos ou todos escravos
simultaneamente. Estes comandos são transmitidos como comandos Multicast.
Eles possibilitam o uso dos modos sync e freeze para a sincronização de
eventos nos escravos DP.
Os escravos iniciam um modo denominado sincronizado (sync) quando
recebem um comando sync de seu mestre. Assim, as saídas de todos escravos
endereçados são congeladas em seus estados atuais. Durante as transmissões
de dados subsequentes os dados de saída são armazenados nos escravos, mas
os estados de saída (física) do escravo permanecem inalterados. Os dados
armazenados de saída não são enviados às saídas até que o próximo comando
de sync seja recebido. O modo Sync é concluído com o comando unsync.
De modo semelhante, o comando de controle de congelamento (freeze)
força os escravos endereçados a assumirem o modo freeze. Neste modo de
operação os estados das entradas são congelados com o valor atual. Os dados
de entrada não são atualizados novamente até que o mestre envie o próximo
comando freeze. O modo freeze é concluído com o comando unfreeze.
A segurança e confiabilidade se faz necessário para proporcionar ao
PROFIBUS DP funções eficientes de proteção contra erros de parametrização ou
erros do equipamento de transmissão. Para se obter isto, um mecanismo de
monitoramento temporal está implementado tanto no mestres DP quanto nos
escravos. O intervalo de tempo é especificado durante configuração.
O Mestre-DP monitora a transmissão de dados dos escravos com o
Data_Control_Timer. Um temporizador de controle independente para cada
escravo. Este temporizador expira quando a correta transmissão de dados não
ocorre dentro do intervalo de monitoração. O usuário é informado quando isto
acontece. Se a reação automática de erro (Auto_Clear = True) estiver
habilitada, o DPM1 sai do estado OPERATE, altera as saídas de todos escravos
27
endereçados para o estado de segurança (fail-safe) e muda o seu estado para
CLEAR.
O escravo usa o controle de watchdog para detectar falhas do mestre ou
na linha de transmissão. Se nenhuma comunicação com o mestre ocorre
dentro do intervalo de controle de watchdog, o escravo automaticamente muda
suas saídas para o estado de segurança (fail-safe).
Adicionalmente, proteção de acesso é requerida para as entradas e saídas
dos escravos DP que operam em sistemas multi-mestres. Isto assegura que o
direito de acesso só pode ser executado pelo mestre autorizado. Para todos
outros mestres, os escravos oferecem uma imagem de suas entradas e saídas
que podem ser lidas de qualquer mestre, sem direito de acesso.
1 - Versão DP-V1
As características chaves da versão DP-V1 estão nas funções estendidas
para comunicação acíclica de dados, isto torna possível a parametrização e
calibração de dispositivos de campo sobre a rede durante a operação e para a
apresentação de mensagens de alarme. A transmissão de dados acíclicos é
executada em paralelo com a comunicação cíclica de dados, mas com baixa
prioridade. A figura 16 mostra um exemplo de seqüência de comunicação. O
mestre classe 1 tem o token e está habilitado para enviar mensagens ou então
recebê-las do escravo 1, em seguida do escravo 2 etc, em uma seqüência fixa
até ele alcançar o último escravo da lista corrente (canal MS0), ele então passa
o token para o mestre classe 2. Este mestre pode então usar o tempo
disponível restante do ciclo programado para estabelecer uma conexão acíclica
para qualquer escravo (na figura 16, escravo 3) para trocar registros (canal
MS2), e no fim do ciclo de token, ele o retorna para o mestre classe 1. A troca
acíclica de registros pode continuar por vários ciclos de scan, e no seu final o
mestre classe 2 usa o tempo que lhe é destinado para desconectar-se.
Similarmente, o mestre classe 1 também pode executar troca acíclica de dados
com os escravos (canal MS1).
Serviços adicionais disponíveis são mostrados nas tabelas 12a e 12b.
28
Os canais de serviços de comunicação, MS0, MS1 etc, também chamados
de relação entre aplicações estão resumidos na tabela 13.
Figura 16 – Comunicação cíclica e acíclica no DP-V1
Serviços para comunicação acíclica de dados entre um DPM1 e escravos
Leitura O mestre lê um bloco de dados de um escravo.
Escrita O Mestre escreve um bloco de dados em um escravo.
Alarmes Um alarme é transmitido do escravo para o mestre, com uma
recepção explicita de reconhecimento. O escravo somente poderá
enviar uma nova mensagem de alarme após o reconhecimento do
mestre da mensagem em curso. Isto previne de alarmes serem
sobrescritos.
Reconhecimento
de alarmes
O mestre reconhece a recepção de um alarme para o escravo.
Status Uma mensagem de status é transmitida do escravo para o
mestre. Não é necessário reconhecimento.
Tais transmissões de dados estão sobre um canal de serviço MS1. Este é
estabelecido pelo DPM1 e é vinculado à conexão de comunicação acíclica de dados.
Ele pode ser usado pelo mestre que configurou e parametrizou o respectivo escravo.
29
Tabela 12a – Serviços de comunicação acíclica MS1 no DP-V1
Serviços para comunicação acíclica de dados entre um DPM2 e escravos
Iniciação /
Cancelamento
Inicialização e término de uma conexão para comunicação
acíclica de dados entre o DPM2 e o escravo.
Leitura O mestre lê um bloco de dados do escravo.
Escrita O mestre escreve um bloco de dados no escravo.
Transporte de
dados
O mestre pode escrever dados específicos da aplicação
(especificadas nos perfis) aciclicamente no o escravo e, se
necessário, ler dados do escravo do mesmo modo.
Tais transmissões de dados estão sobre um canal de serviço MS2. Este é
estabelecido antes de começar a comunicação acíclica de dados pelo DPM2 usando
o serviço de inicialização. A conexão é então disponível para leitura, escrita e para
serviços de transporte de dados. A conexão também deve terminada. Um escravo
pode manter várias conexões MS2 ativas simultaneamente, entretanto, o número
de conexões é limitada pelos recursos disponíveis no respectivo escravo.
Tabela 12b – Serviços de comunicação acíclica MS2 no DP-V1
Como uma função adicional, os diagnósticos específicos do dispositivo do
DP-V1 foram padronizados e divididos em categorias de alarmes e mensagens
de status (figura 17).
30
Figura 17 – Configuração de mensagens de diagnósticos no DP-V0 e DP-V1
Ao se endereçar os dados no PROFIBUS supõe-se que estes estejam
organizados como um bloco físico, ou que possam ser estruturados
internamente em unidades de função lógicas, chamados de módulos. Este
modelo também é usado nas funções básicas do PROFIBUS-DP para
transmissão cíclica de dados, onde cada módulo tem um número constante de
bytes de entrada e/ou saída que são transmitidos, sempre em uma mesma
posição no telegrama de dados do usuário.
O procedimento de endereçamento de dado dentro de um transmissor é
baseado em identificadores que caracterizam o tipo do módulo, tal como
entrada, saída ou uma combinação de ambos. Todos identificadores juntos
resultam na configuração do escravo, que também é verificada pelo DPM1
quando o sistema é inicializado.
Os serviços acíclicos também são baseados neste modelo. Todos blocos de
dados habilitados para acessos de leitura e escrita acíclica também são
considerados pertencentes aos módulos. Estes blocos podem ser endereçados
por um número de slot e index. O número de slot endereça o módulo, e o
31
index endereça o bloco de dados pertencente à um módulo. Cada bloco de
dados pode ter um tamanho de até 244 bytes.
Iniciando com 1, os módulos são numerados consecutivamente em ordem
crescente. O slot número 0 é atribuído ao próprio dispositivo. Dispositivos
compactos são tratados como uma unidade de módulo virtual.
Usando a especificação de comprimento na requisição de leitura e escrita,
é também possível ler ou escrever partes de um bloco de dados. Se o acesso
aos blocos de dados for bem sucedido, o escravo responde a leitura ou escrita
positivamente. Se o acesso não for bem sucedido, o escravo dá uma resposta
negativa com a qual é possível identificar o erro ou problema.
Figura 18 – Endereçamento com Slot e Índice
3 - Versão DP-V2
Esta versão habilita a comunicação direta entre escravos usando
comunicação broadcast sem a participação freqüente do mestre com economia
de tempo. Neste caso, os escravos agem como “publishers”, suas respostas
32
não vão através da coordenação do mestre, mas diretamente para outros
escravos embutidos na seqüência, então chamados “subscribers”, de acordo
com a figura 19. Isto habilita escravos para ler dados de outros escravos e
usá-los diretamente, abrindo a possibilidade de aplicações completamente
novas, e também reduzindo o tempo de resposta na rede em até 90%.
Figura 19 – Troca de dados de escravo para escravo
O modo isócrono, implementado no DP-V2, habilita controle síncrono de
tempo em mestres e escravos, independentemente da carga da rede. Esta
função habilita processos de posicionamento altamente precisos. Todos ciclos
dos dispositivos participantes são sincronizados com o ciclo mestre da rede
através de uma mensagem de controle global broadcast. Um especial código
de sinal de vida (número consecutivo) possibilita o monitoramento da
sincronização. A figura 20 mostra os tempos disponíveis para troca de dados
(DX, verde), acesso de um mestre classe 2 (amarelo) e reserva (branco). A
seta vermelha identifica a rota da atual aquisição de dados (Ti) sobre controle
(Rx) através do setpoint da saída de dados (To), o qual usualmente estende-se
sobre 2 ciclos de barramento.
33
Figura 20 – Modo Isócrono
O controle de clock, segundo um mestre com tempo real envia uma marca
de tempo para todos os escravos sobre um novo serviço MS3 sem conexão,
designado para este propósito, sincroniza todas estações para um tempo do
sistema com desvio de menos de 1 microsegundo. Isto possibilita o preciso
rastreamento de eventos, sendo particularmente útil para a aquisição de
funções cronometradas em redes com vários mestres. Isto facilita o diagnóstico
de falhas, bem como o planejamento cronológico de eventos.
A tabela a seguir resume as características dos canais de comunicação
disponíveis no PROFIBUS DP:
Canal de serviço de
comunicação Descrição
MS0 (sem conexão)
- Aplicado em: um DPM1 e seus escravos relacionados;
um ou vários DPM2 e seus escravos relacionados; um ou vários escravos DP com todos seus escravos
relacionados (publisher/subscriber). - Utilizações: cíclica troca de dados de I/O com DPM1;
cíclica troca de dados de entrada entre escravos DP (DXB); acíclica transferência de dados para parametrização,
configuração e diagnósticos (DPM1); acíclica transferência de comandos para um conjunto de
dispositivos de campo;
34
acíclica leitura de dados de I/O (DPM2); acíclica leitura de informações de configuração (DPM2); acíclica leitura de informações de diagnósticos (DPM2);
acíclica escrita de parâmetros adicionais (DPM2).
MS1 (com
conexão)
- Aplicado em:
um DPM1 e um escravo relacionado. - Utilizações:
acíclica leitura e escrita de variáveis; acíclica transferência de alarmes; upload e/ou download de dados de uma região de dados;
chamada de funções.
MS2 (com
conexão)
- Aplicado em:
um DPM2 e um escravo relacionado. - Utilizações:
acíclica leitura e escrita de variáveis; upload e/ou download de dados de uma região de dados; chamada de funções.
MS3 (sem conexão)
- Aplicado em: um DPM1 ou DPM2 e um conjunto de escravos
relacionados. - Utilizações:
sincronização de tempo.
MM1 (sem
conexão)
- Aplicado em:
um dispositivo de configuração DPM2 e um dispositivo de controle (DPM1).
- Utilizações:
upload e download de informações de configuração; upload de informações de diagnósticos;
ativação de uma configuração previamente transferida.
MM2 (sem
conexão)
- Aplicado em:
um dispositivo de configuração DPM2 e um conjunto de dispositivos de controle (DPM1).
- Utilizações:
ativação de uma configuração previamente transferida.
Tabela 13 – Canais de serviços de comunicação
35
Perfis de aplicação
PROFIBUS destaca-se de outros sistemas de redes de campo
principalmente devido a sua amplitude de opções de aplicações. Não somente
desenvolveu perfis específicos que levam em conta demandas chaves
especificas à industria, mas também uniu os aspectos chaves de suas
aplicações em um sistema de rede de campo aberto e padronizado.
A tabela 14 mostra os perfis específicos de aplicação de PROFIBUS.
Designação Conteúdo Publicação
PROFIdrive Este perfil especifica o comportamento de
dispositivos e o procedimento de acesso a dados
para drives em PROFIBUS.
V2 – 3.072
V3 – 3.172
Dispositivos PA Este perfil especifica as características de
dispositivos de automação de processo em
PROFIBUS.
V3.0 – 3.042
Robôs /
Controle
Numérico
Este perfil descreve como robôs são
controlados em PROFIBUS.
V1.0 – 3.052
IHM Este perfil descreve como um dispositivo de
Interface Homem Máquina (IHM) integra-se com os
componentes de automação de alto nível.
V1.0D –
3.082
Encoders Este perfil descreve a interface de encoders
rotatórios, angulares e lineares em PROFIBUS.
V1.1 – 3.062
Fluid Power Este perfil descreve o controle de drives
hidráulicos em PROFIBIS em cooperação com
VDMA.
V1.5 – 3.112
SEMI Este perfil descreve as características de
dispositivos para fabricantes de semicondutores em
PROFIBUS.
3.152
Switchgear de
baixa tensão
Este perfil define a troca de dados para
dispositivos Switchgear de baixa tensão (ex:
starters) em PROFIBUS.
3.122
Dosagem / Este perfil descreve a implementação de 3.162
36
Pesagem sistemas de dosagem e pesagem em PROFIBUS.
Sistemas de
Identificação
Este perfil descreve a comunicação entre
dispositivos com propósitos de identificação
(leitores código de barras, transponders etc) em
PROFIBUS.
3.142
Bombeamento
de líquidos
Este perfil define a implementação de
bombeamento de líquidos em PROFIBUS em
cooperação com VDMA.
3.172
I/O remoto
para
dispositivos PA
Devido a sua especial colocação em operações
de rede, um diferente modelo de dispositivo e tipos
de dados são aplicados para os I/O’s remotos
comparados aos dispositivos PROFIBUS PA.
3.132
Tabela 14 – Perfis específicos de aplicação PROFIBUS
1.6. 1 - Dispositivos PA
Os dispositivos de processo modernos são intrinsecamente inteligentes e
podem executar parte do processamento da informação ou até mesmo a total
funcionalidade em sistemas de automação. O perfil de dispositivos PA define
todas as funções e parâmetros para diferentes classes de dispositivos de
processo que são típicos para o processamento dos sinais de sensor de
processo, os quais são lidos pelo sistema de controle junto com o status do
valor medido. Os vários passos do processamento da informação (fluxo do
sinal) e o processo de formação de seu status são mostrados na figura 24.
O perfil de dispositivos PA está documentado em requisitos gerais
contendo a especificação para todos os tipos de dispositivos e em folhas de
dados de dispositivos contendo as especificações concordantes para classes
específicas de dispositivos. O perfil de dispositivos PA está disponível na versão
3 e contém folhas de dados para os seguintes tipos de dispositivos:
Pressão e pressão diferencial;
Nível, temperatura e vazão;
Entradas e saídas analógicas e digitais;
37
Válvulas e atuadores;
Analisadores.
Em engenharia de processo é comum se utilizar blocos para descrever as
características e funções de um ponto de medida ou uma manipulação em
certo ponto de controle e para se representar uma aplicação de automação. A
especificação de dispositivos PA utiliza este modelo de blocos funcionais para
representar seqüências funcionais como apresentado na figura 21.
Os seguintes tipos de blocos são utilizados:
Bloco Físico (Physical Block – PB)
Um bloco físico contém os dados característicos de um dispositivo, como o
nome do dispositivo, fabricante, versão, número de série, etc. Pode haver
somente um bloco físico em cada dispositivo.
Bloco Transdutor (Transducer Block – TB)
Um bloco transdutor contém todos os dados requeridos para processar um
sinal não condicionado obtido de um sensor para passar ao bloco funcional. Se
este processamento não for necessário, o bloco transdutor pode ser omitido.
Dispositivos multifuncionais com dois ou mais sensores têm o
correspondente número de blocos transdutores.
Bloco Funcional (Function Block – FB)
Um bloco funcional contém todos os dados para processamento final do
valor medido antes da transmissão para o sistema de controle, ou por outro
lado, para processamento de uma etapa antes do cenário do processo.
Os seguintes blocos funcionais estão disponíveis:
Bloco de Entrada Analógica (Analog Input Block – AI)
Um bloco de entrada analógica fornece o valor medido do sensor e bloco
transdutor para o sistema de controle.
38
Bloco de Saída Analógica (Analog Output Block – AO)
Um bloco de saída analógica fornece ao dispositivo o valor especificado
pelo sistema de controle.
Bloco de Entrada Digital (Digital Input Block – DI)
Um bloco de entrada digital fornece ao sistema de controle um valor
digital do dispositivo.
Bloco de Saída Digital (Digital Output Block – DO)
Um bloco de saída digital fornece ao dispositivo um valor especificado pelo
sistema de controle.
Os blocos são implementados pelos fabricantes como soluções de software
nos dispositivos de campo e, levando como o conjunto, representam a
funcionalidade do dispositivo. Como uma regra, vários blocos trabalham em
conjunto em uma aplicação de acordo com a figura 21, a qual mostra uma
estrutura de blocos simplificada de um dispositivo de campo multifuncional.
A funcionalidade do primeiro sub-processo, “princípio de medida e
atuação” (figura 24 – calibração, linearização e escalonamento) está no bloco
transdutor. A funcionalidade do segundo sub-processo “pré-processamento do
valor medido / pós-processamento” (figura 24 – filtro, controle de limites de
valor, comportamento de falha segura e seleção do modo de operação) está
nos blocos de função.
39
Figura 21 – Estrutura de blocos de um dispositivo de campo (com
multifuncionalidade)
A figura 22 e a tabela 15 fornecem detalhes do passo calibração, já a
figura 23 mostra o passo checagem de limites dos valores.
Figura 22 – Especificação de função de calibração
Parâmetro Descrição
LEVEL_HI Faixa de medida de preenchimento do nível
LEVEL_LO
CAL_POINT_HI Faixa de medida do sensor com a qual a faixa do nível
é mapeada CAL_POINT_LO
Tabela 15 – Parâmetros para a função de calibração
Blocos são determinados por meio de seus endereços iniciais e parâmetros
através de um índice relativo dentro do bloco. Como uma regra, esses podem
ser livremente selecionados pelo fabricante do dispositivo. Para acessar os
parâmetros, por exemplo, usando uma ferramenta de operação, a estrutura de
blocos específica é armazenada no diretório do dispositivo.
Para implementação de dispositivos de campo em processo de lote, o
perfil possibilita armazenar vários conjuntos de parâmetros durante a fase de
40
comissionamento. O atual lote do processo é então alternado para o conjunto
de parâmetros necessários durante a execução.
No PROFIBUS uma distinção é feita entre dispositivos compactos e
modulares, pela qual um bloco funcional é um módulo nesse contexto.
Dispositivos de processo cada com múltiplas variáveis de processo, por
exemplo, usando vários sensores ou na forma de variáveis derivadas, são
levados em consideração nos blocos transdutores do perfil pela diferenciação
entre valor primário (PV) e valor secundário (SV).
Parte do processamento da informação transferida para o dispositivo é a
verificação de limites dos valores. Para este propósito dispositivos PA oferecem
mecanismos correspondentes para sinalização quando limites de advertência e
alarme são excedidos em ambos os limites.
Figura 23 – Especificação da função de verificação de limites dos valores
Uma informação de status do valor medido é adicionada a este, a qual
sinaliza a sua qualidade. Existem três níveis de qualidade: ruim, incerta e boa.
41
Uma informação adicional é fornecida em um sub-status que é declarado para
cada nível de qualidade.
O perfil de dispositivos PA também fornece características de falha segura.
Se uma falha ocorrer em um fluxo de medida, a saída do dispositivo é colocada
em um valor definido pelo usuário. Podem ser selecionados três diferentes
tipos de comportamento de falha segura.
Figura 24 – Fluxo do sinal no perfil de dispositivo PA
42
Gerenciamento de dispositivos
Dispositivos de campo modernos fornecem uma grande gama de
informações e também executam funções que eram anteriormente executadas
em PLC´S e sistemas de controle. Para executar estas tarefas, as ferramentas
para comissionamento, manutenção, engenharia e parametrização desses
dispositivos requerem uma exata e completa descrição dos dados do
dispositivo e suas funções, como o tipo da função da aplicação, parâmetros de
configuração, faixas dos valores, unidades de medida, valores padrões, valores
limites, identificação etc. O mesmo se aplica aos controladores e sistema de
controle, do qual parâmetros específicos de dispositivos e formato de dados
também devem ser conhecidos para certificar a troca de dados livre de erros
com os dispositivos de campo.
O PROFIBUS possui métodos e ferramentas (tecnologias de integração)
para esse tipo de descrição de dispositivo, o qual habilita padronização do
gerenciamento de dispositivo. A faixa de desempenho dessas ferramentas é
otimizada para tarefas específicas, em função do tipo de aplicação.
Na automação da manufatura, por razões históricas, o GSD é utilizado
preferencialmente, e o uso de FDT está se consolidando. Na automação de
processos, dependendo da necessidade, EDD e FDT podem ser utilizados.
43
Figura 25 – Tecnologias de integração no PROFIBUS
Métodos de descrição de dispositivos:
As características de comunicação cíclica de um dispositivo
PROFIBUS são descritas em uma lista de características de
comunicação (GSD) em um formato de dados definido. O GSD é
relacionado ao DP-V0 e é muito utilizado para aplicações simples.
Ele é criado pelo fabricante do dispositivo e é incluído na distribuição
do dispositivo.
As características de aplicação de um dispositivo PROFIBUS PA
(características do dispositivo) são descritas por meio de uma
linguagem universal de descrição de dispositivo eletrônico (EDDL –
Electronic Device Description Language). O arquivo (EDD) criado
desta maneira também é fornecido pelo fabricante do dispositivo e
está relacionado principalmente a operações acíclicas de escrita e
leitura. O interpretador baseado em EDD é muito utilizado para
aplicações de média complexidade.
Para aplicações complexas, há também a integração das funções
especificas do dispositivo, incluindo interface gráfica com o usuário
para parametrização, diagnósticos etc, como componentes de
44
software Windows em um gerenciador de tipo de dispositivo (DTM –
Device Type Manager). O DTM atua como o driver de dispositivo
perante a interface padronizada, a FDT, a qual é implementada em
uma estação de engenharia ou no sistema de controle.
1.7. 1 - GSD
Um GSD (General Station Description) é um arquivo de texto ASCII e
contém as especificações do dispositivo para a sua comunicação. Cada uma
das entradas descreve uma característica suportada pelo dispositivo. Por meio
de palavras chave, uma ferramenta de configuração lê a identificação do
dispositivo, os parâmetros ajustáveis, o tipo de dado correspondente e os
valores limites permitidos para configuração do dispositivo contidas no GSD.
Algumas das palavras chave são obrigatórias, como por exemplo,
Vendor_Name. Outros são opcionais, como por exemplo,
Sync_Mode_supported. Um GSD substitui os anteriores manuais convencionais
e suporta verificações automáticas para erros de entrada e consistência de
dados, ainda durante a fase de configuração.
Um GSD é dividido em três seções:
1) Especificações gerais – esta seção contém informações dos nomes do
fabricante e do dispositivo, versões de hardware e software, taxas de
transmissão suportadas, possíveis intervalos para tempos de monitoração.
2) Especificações de mestre – esta seção contém todos os parâmetros
relacionados a um mestre, como o número máximo de escravos conectáveis ou
opções de “upload” e “download”. Esta seção não está disponível em
dispositivos escravos.
3) Especificações de escravo – esta seção contém todas informações
especificas aos escravos, como o número e tipo de canais de I/O,
especificações de diagnósticos e informações disponíveis nos módulos no caso
de dispositivos modulares.
45
Também é possível utilizar arquivos bitmap com o símbolo dos
dispositivos. Ele contém as taxas de transmissão suportadas pelo dispositivo, e
a descrição dos módulos disponíveis em um dispositivo modular. Um texto
claro e objetivo também pode ser declarado para as mensagens de
diagnóstico.
Existem dois caminhos para se utilizar o GSD:
1) GSD para dispositivos compactos, o qual a sua configuração de blocos é
fixada durante sua fabricação. Este GSD pode ser criado completamente pelo
fabricante do dispositivo.
2) GSD para dispositivos modulares, o qual a sua configuração de blocos
ainda não é especificada conclusivamente durante sua fabricação. Neste caso,
o usuário deve utilizar a ferramenta de configuração para configurar o GSD de
acordo com sua atual configuração de módulos.
Pela leitura do GSD em uma ferramenta de configuração, o usuário é
capaz de fazer ótimo uso das características especiais de comunicação do
dispositivo.
Cada escravo PROFIBUS e cada mestre classe 1 devem ter um número de
identificação. Isto é requerido para que um mestre possa identificar os tipos de
dispositivos conectados sem a necessidade de extenso protocolo adicional. O
mestre compara o número ID dos dispositivos conectados com os números ID
especificados nos dados de configuração. A transferência dos dados do usuário
não é iniciada até os tipos de dispositivos corretos com seus respectivos
endereços de estações estejam conectados no barramento. Isto certifica ótima
proteção contra erros de configuração.
Para um número ID para cada tipo de dispositivo, os fabricantes de
dispositivos devem submeter-se ao PROFIBUS User Organization o qual
também administra esses números ID.
Uma faixa especial de números ID (números ID genéricos) foi reservada
para dispositivos de campo de automação de processos e drives
respectivamente: 9700h-977Fh ou 3A00h-3AFFh. Todos dispositivos de campo
que correspondam exatamente com as especificações do perfil de dispositivo
46
PA versão 3.0 ou superior, ou PROFIdrive versão 3, podem usar números de ID
para esta faixa especial. A especificação destes números de perfil ID aumentou
a permutabilidade desses dispositivos. O número ID para ser selecionado pelo
respectivo dispositivo depende de vários fatores, por exemplo, no caso de
dispositivos PA, do tipo e número de blocos de funções existentes. O número
ID 9760h, por exemplo, é reservado para dispositivo de campo PA que contém
vários blocos de funções diferentes (dispositivo multivariáveis). Convenções
especiais também se aplicam para designação dos arquivos GSD desses
dispositivos de campo PA. Estes são descritos em detalhe no perfil de
dispositivos PA.
O primeiro número de perfil ID reservado para PROFIdrive (3A00h) é
utilizado durante a formação da conexão DP-V1 para verificar que mestre e
escravo estão usando o mesmo perfil. Escravos que positivamente reconhecem
este identificador suportam o canal de parâmetros DP-V1 descritos no perfil
PROFIdrive. Todos números de perfis ID posteriores servem para identificar
arquivos de GSD independente do fabricante. Isto permite a permutabilidade
de dispositivos de diferentes fabricantes sem a necessidade de novas
configurações da rede.
1.8. 2 - EDD
O GSD é inadequado para descrever parâmetros e funções relacionados à
aplicação de um dispositivo de processo (por exemplo, parâmetros de
configuração, faixas de valores, unidades de medidas, valores padrões etc).
Isto requer uma linguagem de descrição mais poderosa, que foi desenvolvida
na forma de uma linguagem universalmente aplicável de descrição eletrônica
de dispositivo (Electronic Device Description Language - EDDL) e padronizada
na norma IEC 61804-2 (EDDL Profibus, HART e Foundation Fieldbus). Acima de
tudo, a EDDL fornece os meios de linguagem para descrição da funcionalidade
de dispositivos de campo PROFIBUS PA. Ele contém mecanismos de suporte
para:
47
Integrar descrições de perfis existentes na descrição do dispositivo;
Possibilitar referencias para variáveis em blocos funcionais;
Possibilitar acesso a dicionários padrões;
Usando o EDDL, fabricantes de dispositivos podem criar o arquivo EDD
relevante para seus dispositivos o qual, como nos arquivos GSD, forneçam as
informações do dispositivo para ferramentas de engenharia e então,
subseqüentemente, para o sistema de controle.
48
Anexo I1
1 - Tempos de operação da rede profibus
Segundo as normas PROFIBUS, para que a rede funcione de modo
adequado, sem colisões, atraso ou tempo ocioso, é definido um grupo de
parâmetros referente a tempo, que, obrigatoriamente, deve ser obedecido por
todas as estações-mestres e estações-escravas da rede.
Estes parâmetros de tempo são usados pelo FDL no gerenciamento do
tráfego de mensagens no barramento; alguns deles são calculados pelo próprio
FDL, enquanto outros são ajustados pelo usuário ou calculados
automaticamente através de ferramentas de configuração.
A unidade usada na medição desses parâmetros é a tBIT, o que indica que
qualquer outra unidade deve ser convertida para tBIT.
BIT TIME - tBIT
Bit Time é o tempo de transmissão de um bit, parâmetro diretamente
relacionado ao baud rate em bit/s
tBIT = 1 / baud rate (Baud rate in Bits/s)
SLOT TIME (TSL)
O Slot Time (TSL) define o tempo máximo aguardado por um
reconhecimento ou resposta, após transmissão da mensagem. Se esse tempo
se expirar antes do reconhecimento ou resposta, a estação que fez a requisição
deve repetir o pedido, respeitando o número de retransmissões suportadas.
1 Valéria Paula Venturini. Desenvolvimento de um mestre PROFIBUS com a
finalidade de análise de desempenho. Dissertação (Mestrado) – Escola de Engenharia de
São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2007.
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LARGEST STATION DELAY RESPONDER (maxTSDR)
Máximo tempo que um escravo necessita para responder a uma
mensagem. Deve ser menor que o TSL.
SMALLEST STATION DELAY RESPONDER (minTSDR)
Mínimo tempo que um escravo espera para responder a uma mensagem,
este parâmetro é configurado no escravo pelo mestre. Tipicamente é de 11
tBIT.
QUIET TIME (TQUI)
Tempo que a eletrônica ou o software do emissor de uma mensagem leva
para ligar o modo de escuta ou de recepção após o envio da mensagem. Este
parâmetro deve ser configurado em situações de reflexões de sinais.
Tipicamente é de 0 tBIT.
SETUP TIME (TSET)
É um tempo de espera adicional que começa a ser contado antes do envio
de uma mensagem. Geralmente é configurado em redes com couplers DP/PA
ou outros conversores de mídia. Deve ser configurado no dispositivo que
necessita de um tempo de setup longo (de acordo com o manual).
DELIVERY DELAY (TID)
Tempo que um dispositivo leva para envias dados de rede para seu
software de aplicação.
TARGET ROTATION TIME (TTR)
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O parâmetro Target Rotation Time (TTR) define o tempo máximo esperado
para que o token circule entre todas as estações-mestres do anel e retorne ao
seu mestre inicial, no entanto, alguns fatores podem influenciar no tempo de
ciclo do token, como por exemplo, o baud rate, número de mestres e de
escravos com troca de dados cíclicos.
O ajuste do TTR deve ser feito pelo usuário ou automaticamente pela
ferramenta de configuração e deve assegurar que cada estação-mestre do anel
disponha de tempo suficiente para executar suas tarefas de comunicação.
GAP UPDATE TIME (TGUD)
O parâmetro Gap Update Time (TGUD) determina o momento em que se
deve iniciar a atualização da GAPL. Se durante a rotação do token não houver
tempo suficiente para manutenção da rede, deve-se atualizar o GAPL na
próxima rotação do token.
TGUD = GAPFATOR * TTR.
Tqui
min TSDR
max TSDR
Response Frame
Tid1
Request Frame
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O parâmetro GAPFATOR deve ser configurado pelo o usuário que indicará
o número de rotação do token, que deve ocorrer antes de se expirar o tempo
do TGUD.
HIGHEST STATION ADDRESS (HSA)
Este parâmetro refere-se ao máximo endereço na rede que um mestre
procurará por outros mestres. A diminuição deste endereço torna o
reconhecimento de mestres mais rápido. Um meste com endereço maior que o
HSA não será identificado na rede. O padrão é 126.
TIMEOUT TIME (TTO)
Se no decorrer do tempo definido por este parâmetro nenhuma
mensagem for transmitida no barramento, o temporarizador se expira e um
erro ocorre. Normalmente, um valor diferente para esse parâmetro é definido
para cada estação da rede, de acordo com o endereço das mesmas.
MAXIMUM RETRIES (Max Retries Limit)
Ajusta o número de tentativas de envio quando um destinatário não
responde a mensagem. Deve ser aumentado pelo usuário em redes expostas a
altos níveis de distorção. O tempo de ciclo da rede é prejudicado por repetições
de mensagens.
WATCHDOG
Tempo de supervisão que o mestre envia para todos os escravos que
configura. Se dentro deste tempo o escravo configurado não for solicitado pelo
mestre, ele deixa o modo de troca de dados. Quando calculado pela ferramenta
de configuração, este tempo é de 6 x o pior caso do tempo de ciclo.
2 - Estrutura das mensagens
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O protocolo PROFIBUS disponibiliza cinco tipos de estruturas de
mensagens, todas elaboradas conforme o serviço.
Representação da estrutura das mensagens
A Figura a seguir mostra o significado de cada byte da mensagem.
Descrição dos bytes da mensagem
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Bibliografia
Manfred Popp. The New Rapid Way to PROFIBUS DP. From DP-V0 to DP-V2. PROFIBUS Nutzerorganisation e. V. 2003.
PROFIBUS Technology and Application. System Description. PROFIBUS International Support Center. 2002.
Valéria Paula Venturini. Desenvolvimento de um mestre PROFIBUS
com a finalidade de análise de desempenho. Dissertação (Mestrado) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos,
2007.
Roberto Pinelli e Dennis Brandão. Apostila do Treinamento
Integradores Profibus. Associação Profibus do Brasil. 2007