introducao a rede profibus

Sistemas Digitais para Controle 98/2 - 4º Seminário (Fieldbus) - PROFIBUS

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INTRODUÇÃO Por que instalar um Fieldbus ?

Por causa da redução dos custos proporcionadas pela adoção das novas tecnologias fieldbus. Na

maioria dos casos a economia é imediata, com a redução do hardware e do cabeamento para sinal necessário.

Alguns usuários atingem economia de até 80% para os custos de cabeamento, quando mudam de sistemas

proprietário ou especializado para um único cabo fieldbus. Custos de engenharia reduzidos, juntamente com

aperfeiçoamentos funcionais são agora possíveis e a maioria dos fieldbusses, permitem significativamente

mais flexibilidade sobre mudanças do sistema do que as tecnologias anteriores permitiam.

Qual Fieldbus escolher ? Aplicações fieldbus têm vários requisitos, e não há um barramento único que resolva todas as

possíveis necessidades. Tem sido indepentemente sugerido que os critérios essenciais para seleção de um

fieldbus seja:

- tempo de transmissão;

- confiabilidade na troca de dados;

- operação com segurança intrínseca em áreas perigosas;

- tamanho dos pacotes de dados transmitidos;

- meio de transmissão;

- comprimento máximo do barramento e número máximo de dispositivos de campo permitidos; - custo por nó;

- ligações com um sistema de informação e interoperabilidade.

Exemplo de uma planta com produtos da Endress+Hauser.


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A família PROFIBUS (Process Fieldbus), que segue a norma DIN19245 e o padrão internacional EN

50 170, tem três protocolos, DP (Decentralized Periphery), FMS (Fieldbus Message Specification) e PA

(Process Automation). Esta configuração universal permite ao PROFIBUS ser utilizado numa grande faixa de

aplicações, desde uma simples atualização de alta velocidade dos dados de entrada para um PLC, PC ou um

controlador baseado em VME (DP), a intercomunicação de mais baixa prioridade de muitos dispositivos

inteligentes (FMS), até diretamente em aplicações de processo e em ambientes perigosos (PA).

A independência de vendedores e a abertura estão garantidos no padrão PROFIBUS EN 50 170.

Com o PROFIBUS, dispositivos de vários fabricantes podem comunicar-se entre si sem a necessidade de interfaces especiais. PROFIBUS pode ser usado onde necessitamos de alta velocidade na transmissão de

dados e em tarefas de comunicação complexas e extensas.

A família PROFIBUS consiste em três versões compatíveis:

PROFIBUS DP

Aperfeiçoado para alta velocidade e montagem barata, esta versão de PROFIBUS é especialmente

projetada para comunicação entre sistemas de controle de automatização e I/O distribuído no nível de

dispositivo. PROFIBUS DP pode ser usado para substituir transmissão paralela em 24 V - 0 a 20 mA, ou 4 a

20 mA.

PROFIBUS PA É especialmente projetado para automatização de processo. Permite conectar sensor e atuadores até

mesmo em um barramento comum em áreas intrínsecamente seguras. PROFIBUS PA permite comunicação

de dados e pode ser usado com tecnologia 2 fios de acordo com o padrão internacional IEC 1158-2.

PROFIBUS FMS É a solução de propósito geral para comunicação de tarefa no nível de célula. Serviços de FMS

poderosos abrem um amplo alcance de aplicações e provêem grande flexibilidade. PROFIBUS FMS também

pode ser usado para tarefas de comunicação extensas e complexas.

PROFIBUS FMS PROFIBUS DP PROFIBUS PA

Automação de Propósito Geral

Automação de Fábrica Automação de Processo

Universal

Rápido Orientado a aplicação

Grande variedade de aplicações

Comunicação multi-mestre

Plug and play

Eficiência e bom custo/benefício

Alimentação no barramento

Segurança intrínseca

Características e benefícios:

Menor custo: vários dispositivos de campo podem ser conectados e receber alimentação de um único

cabo de barramento. Isoladores, barradores, racks de conexão e componentes de I/O não são mais necessários. Flexibilidade: dispositivos de campo de todos os parâmetros do sistema podem ser conectados.

Padronização: dispositivos de campo são intercambiáveis com parâmetros comuns para variáveis básicas de

processo.

Eficiência: O sistema supervisório tem acesso a todos os parâmetros do dispositivo, por exemplo,

muitos valores do processo a partir de um único dispositivo.

Como resultado do avanço tecnológico, a maioria dos dispositivos de hoje em dia são microprocessados,

embora a informação esteja disponível em formato digital no dispositivo, para atender ao padrão 4-20 mA

esta informação passa por várias conversões DA/AD no caminho até o sistema supervisório. Isto aumenta os

custos e as imprecisões. A transmissão puramente digital é mais simples e mais econômica. Possui grau mais

alto de imunidade a interferências e provê acesso rápido às variáveis do processo. O cabeamento 4-20 mA

também é muito caro se comparado à comunicação digital, na qual toda a informação é transmitida por um cabo de barramento comum, ao contrário da transmissão analógica que requer uma conexão para cada valor

transmitido.


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Para substituir a tecnologia 4-20mA na indústria de processo, entretanto, um novo fieldbus deve

também satisfazer a outros requisitos:

Interoperabilidade: sensores, atuadores, dispositivos e módulos de medida, devem operar juntos

sem problema.

Intercambialidade: dispositivos que medem uma dada variável do processo em particular devem ser

intercambiáveis.

Operação em áreas com risco de explosão: Se possível o cabo de barramento deve ser duplicado

como uma fonte de alimentação intrinsicamente segura para sensores e transmissores. Em complemento,

deve-se adotar um processo de certificação, eliminando a necessidade do consumidor ter que pedir autorização especial para instalação em áreas perigosas.

PROFIBUS PA é o primeiro fieldbus que satisfaz a estes requisitos.

Solução Encontrada: Adoção do padrão de transmissão IEC 1158-2 (padrão internacional para o meio físico de fieldbus)

permite uma transmissão muito segura.

O barramento pode comportar até 32 dispositivos em áreas seguras, ou 20 dispositivos para Eex ib

IIB, ou 10 dispositivos para Eex ia/ib IIC.

Assim como no caso de sinais analógicos de 4-20 mA, a linha de sinal também serve como meio de alimentação. Também são permitidos dispositivos alimentados externamente.

A segurança intrínseca do barramento permite que os dispositivos sejam adicionados e removidos

quando o sistema está operando.

Resposta uniforme é alcançada através da definição de perfis do dispositivo. Os perfis estipulam

parâmetros padrão. O perfil A é implementado em todos os dispositivos e é utilizado para transmitir o valor

medido do "status" do dispositivo. Perfil B é ajustado para os requisitos individuais das variáveis do processo

e permite a configuração das funções básicas do dispositivo.

Operação Econômica

Sistemas Convencional x PROFIBUS PA.


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Cabeamento Para uma planta compacta, a quantidade de cabo para fazer o cabeamento é quase a mesma, mas se

os dispositivos são muito distribuídos a quantidade de cabo necessária é muito menor.

Para cabeamento convencional, toda linha de sinal sai de uma caixa de junção próxima ao dispositivo

de campo (por exemplo, um PLC) e vai até um módulo de entrada/saída, e cada linha requer uma fonte de

alimentação individual.

Em contraste, o fieldbus requer somente um único cabo para transmitir toda a informação. O

barramento termina em um acoplador de barramento, que é integrado no componente próximo ao processo ou

comunica-se com ele através de um barramento PROFIBUS adicional. Não economiza-se somente cabo, mas também módulos de entrada/saída. Como o barramento provê uma fonte de alimentação intrinsicamente

segura a partir de uma única fonte de alimentação, não há necessidade de isoladores e barreiras.

Operação Além das variáveis do processo, o usuário tem acesso a uma variedade de parâmetros de cada ponto

de medição, que podem ser exibidos pelos programas de operação ou software SCADA, provendo uma visão

da aplicação facilmente compreendida.

Manutenção Dispositivos com funções de diagnósticos de auto-checagem, reportam falhas ao mestre do

barramento. A checagem de status pode ser realizada de fora da sala de controle. O Menu de Diagnóstico provê informação sobre a natureza da falha, de tal forma que a equipe de manutenção possa localizá-la e

repará-la rapidamente.

ESTRUTURA DO BARRAMENTO E COMPONENTES Profibus PA permite praticamente todos os arranjos (ou topologias) de barramento. Num barramento

estão envolvidos muitos componentes:

Process-near Component (PNC): Está em contato direto com o fieldbus e gerencia a comunicação com os dispositivos de campo

(= mestre de barramento). Ele pode ser tanto um PLC quanto um programa de operação sendo executado em um computador pessoal. Se for utilizado um supervisor de rede PROFIBUS FMS são permitidos muitos

mestres.

Acoplador de Sinal: Provê uma interface entre PROFIBUS FMS e PROFIBUS PA.

Unidade de Alimentação: Alimenta os dispositivos no barramento (exceto os que são alimentados externamente). Normalmente

o acoplador de sinal e a unidade de alimentação do barramento estão contidas em uma mesma unidade, como

o acoplador de barramento. Eles também podem ser projetados como uma placa de interface de PLC.

Somente uma unidade de alimentação é requerida por segmento.

Dispositivos de Campo: Dependendo do tipo de proteção necessária, cada segmento de barramento pode ser equipado com

um máximo de 10, 20, ou 32 dispositivos de campo. O número de dispositivos também depende da corrente

consumida pelos dispositivos de campo, o tamanho do barramento e o tipo de cabo.

Caixas de Conexão: É preferível que dispositivos de campo individuais sejam conectados ao barramento através de cabos

que se conectam nas caixas de conexão PROFIBUS PA. Uma caixa de junção é necessária quando o

barramento possui uma estrutura em árvore.

Repetidores Se necessário, um repetidor amplifica o sinal, permitindo que o comprimento do barramento seja

duplicado. São permitidos até 4 repetidores em cada segmento de barramento.


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Terminadores de Barramento O barramento deve ser terminado nas duas pontas. Um terminador é normalmente integrado no

acoplador de barramento, o outro pode ser adquirido como um componente separado. Se o barramento é

estendido pelo uso de um repetidor, então a extensão também precisa ser terminada.

EXEMPLOS DE TOPOLOGIAS

Topologias de barramento: PNC: Process Near Component:

A Árvore SC acoplador de sinal

B Barramento PS fonte de alimentação

C Barramento + Árvore T terminador

D Barramento + Árvore + extensão JB caixa de junção

R repetidor 1..n dispositivos de campo


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CRITÉRIOS DE PROJETO

Acoplador de Barramento Existem 3 tipos de acoplador, que são selecionado de acordo com o grau de proteção contra explosão

requerido para a linha de barramento.

Número de Dispositivos de Campo O número máximo de dispositivos por segmento de barramento é limitado a 32. Uma restrição

adicional decorre dos requisitos de alimentação: A soma da corrente de consumo básico dos dispositivos de campo, o acoplador de barramento e

quaisquer repetidores mais a corrente de resposta para "Fault Disconnection Electronics (FDE)" não podem

exceder a máxima corrente de consumo permitida pelo acoplador de barramento.

Tamanho do Barramento O máximo tamanho permitido para o consumo de corrente do barramento é dependente do

desempenho da unidade de alimentação e das características do cabo. Deve-se assegurar que cada dispositivo

seja suprido com no mínimo 9V. A tensão restante é necessária para vencer a resistência do cabo do

barramento.

ESPECIFICAÇÕES DE CABO

Especificações Gerais O padrão PROFIBUS PA estipula um cabo com dois núcleos como meio de transmissão. A rede

deve estar conforme limites específicos a respeito de atenuação e atraso de sinal:

Atenuação entre duas conexões de barramento (a 31 kHz) 10.5 dB

Distorção a (f = 39 kHz) - distorção a (f = 7.8 kHz), monotônica com f crescente 6 dB

Fator de reflexão em qualquer ponto 0.2

Atraso de sinal entre quaisquer duas conexões de barramento 640 s

Para áreas sem risco de explosão, há uma livre escolha de topologia e tipo de cabo nestes limites. Se

é utilizado um repetidor, os limites aplicam-se a cada extensão de barramento individual, com exceção do atraso de sinal, que aplica-se à rede inteira. No caso de instalação em áreas perigosas, os seguintes requisitos

também se aplicam:

Característica Eex ia/ib IIC Eex ib IIB

Resistência da malha 15..150 /km 15..150 /km

Indutância específica 0.4..1 mH/km 0.4..1 mH/km

Capacitância específica 80..200 nF/km 80..200 nF/km

Máximo comprimento de barrramento 1000 m 1900 m

Máximo comprimento do spur 30 m 30 m

Especificações de Segurança:

Tipo Área de Aplicação Tensão Fornecida

Máxima Corrente Fornecida

Potência Máxima

Número Típico de Estações

I EEx ia/ib IIC 13.5 V 110 mA 1.8 W 8

II EEx ib IIC 13.5 V 110 mA 1.8 W 8

III EEx ib IIB 13.5 V 250 mA 4.2 W 22

IV Not intrinsically safe 24 V 500 mA 12 W 32


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BLINDAGEM E ATERRAMENTO Para assegurar compatibilidade eletromagnética ótima as blindagens devem ter continuidade elétrica

ao longo no barramento inteiro. Idealmente, as blindagens deveriam ser aterradas nos corpos de metal (ou nos

terminais de terra externos correspondentes) dos transmissores de campo conectados.

O cabo do barramento é aterrado em vários pontos (terras locais). Este método pode ser utilizado sem

restrição em plantas que tenham um terra de boa integridade ou um condutor eqüipotencial. Isto também faz

parte dos requisitos de segurança intrínseca.

Possibilidades de aterramento: (A) linha para equalização de potencial, (B) configuração em estrela com ponto neutro, (C) capacitivo.


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OPERAÇÃO

Chaves de Endereço A cada dispositivo no barramento deve ser dado um endereço único. Normalmente, o endereço de

barramento (0..125) é ajustado através de 7 chaves de um conector DIP de 8 chaves no dispositivo. Se

desejado, o dispositivo também pode ser endereçado através de programa de operação, neste caso, a última

chave é ligada para desativar o ajuste do endereço do hardware.

INTEROPERABILIDADE

Aplicações multi-fornecedores A principal característica do padrão Profibus PA é permitir a interoperabilidade de dispositivos de

diferentes fabricantes. Isto é assegurado não somente no nível físico, mas também no nível operacional. São

definidos dois conjuntos de perfis que contém parâmetros do dispositivo padronizado. Os PLCs, sistemas de

controle, ou computador pessoal, podem ter acesso remoto a estes parâmetros.

Perfil A Cada dispositivo que atenda ao padrão deve prover os parâmetros no Perfil A. São basicamente

variáveis de processo que podem ser lidos ou configurados através de identificadores padronizados.

Perfil B Contém comandos que permitem a calibração e, por exemplo, funções adicionais tais como

linearização. Como estas funções são dependentes da variável medida existem vários Perfis Bs, por exemplo,

nível, fluxo, pressão, etc.

PROTOCOLO DE ACESSO AO MEIO PROFIBUS especifica as características técnicas e funcionais de um sistema de fieldbus serial,

descentralizando os controladores digitais, agora trabalhando no nível de célula. Há uma distinção entre

dispositivos mestre e escravos. Dispositivos mestres determinam a comunicação de dados no barramento. Um

mestre pode enviar mensagens sem um pedido externo quando segura o direito de acesso ao barramento (o

token). Os mestres também são chamados de estações ativas. Dispositivos escravos são dispositivos periféricos. Dispositivos escravos tipicamente incluem dispositivos de I/O, válvulas, drivers e transmissores.

Eles não têm direitos de acesso ao barramento e só podem reconhecer mensagens ou enviar mensagens ao

mestre quando requisitados. São também chamados de estações passivas. Requerem somente uma pequena

porção do protocolo do barramento, pois sua implementação é particularmente econômica.

Endereçamento para serviços de escrita e leitura.


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FUNÇÕES BÁSICAS DO PROFIBUS DP

Tecnologia de transmissão

RS 485, par trançado, cabo com dois fios, ou fibra óptica. Taxas de transferência de 9.6 kbit/s a 12

Mbit/s.

Acesso ao barramento Procedimento de passagem de token entre mestres e procedimento mestre-escravo para escravos.

São possíveis sistemas mono-mestre ou multi-mestre. Dispositivos mestre e escravo, máximo de 126

estações em um barramento.

Comunicação Ponto-a-ponto (transmissão de dados do usuário) ou Multicast (comandos de controle).

Transmissão de dados do usuário mestre-escravo cíclica e mestre-mestre acíclica.

Modos de Operação Operate: transmissão cíclica de dados de entrada e de saída.

Clear: as entradas são lidas, e as saídas são mantidas em modo seguro a prova de falha.

Stop: somente transmissão de dados entre mestres são permitidas.

Sincronização Comandos de controle permitem sincronização das entradas e saídas.

Sync Mode: saídas são sincronizadas.

Freeze Mode; entradas são sincronizadas.

Funcionalidade Transmissão de dados do usuário entre o mestre DP e os escravos DP.

Ativação dinâmica ou desativação de escravos DP individualmente.

Verificação da configuração do escravo DP.

Funções de diagnóstico poderosas, 3 níveis hierárquicos de mensagens de diagnóstico. Sincronização de entradas e/ou saídas.

Associação de endereço para os escravos DP no barramento.

Configuração do mestre DP (DPM1) no barramento.

Máximo de 246 bytes de dados de entrada e saída por escravo DP.

Segurança e funções de proteção Todas as mensagens são transmitidas utilizando codificação Hamming com distância 4.

Watchdog timer no dispositivo escravo.

Proteção de acesso para as entradas/saídas dos escravos DP.

Monitoração da transmissão de dados com timer de monitoração configurável no mestrre.

Tipos de dispositivos Mestre DP Classe 2 (DPM2): dispositivos de programação/configuração/diagnóstico. Mestre DP Classe 1 (DPM1): controladores centrais programáveis tais como PLCs, PCs, etc.

Escravo DP: dispositivo com entradas/saídas binárias ou analógicas, drives, válvulas, etc.


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Exemplo de dispositivos da Endress+Hauser

RESUMO DAS CARACTERÍSTICAS DO PROFIBUS

Aplicação destino: controle de processo, discreto, e automação de plantas.

Implementa os níveis OSI 1,2,7.

Baseado em comando ou em status.

Algoritmo de acesso ao meio: mestre-escravo, e passagem de token. Método de comunicação: mestre-escravo, e ponto a ponto.

Meios físicos suportados: cabo de par trançado, fibra.

Esquemas de endereçamento: multi-cast, broadcast.

Taxa de transferência máxima: 12M, no Profibus-DP.

Número máximo de nós: 32.

Conectividade: utilização de repetidor.

BIBLIOGRAFIA

- Bibliografia da Endress+Hauser. - Site www.profibus.com , seção Technical Overview.

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