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ASSOCIAÇÃO PROFIBUS BRASIL / AMÉRICA LATINA 1 www.profibus.org.br

César CassiolatoDiretor de Marketing, Qualidade, Assistência Técnica, Instalações e Montagens –Smar

Presidente da Associação Profibus Brasil América Latina

Overview Overview dada TecnologiaTecnologia ProfibusProfibus

Smar Equipamentos Ind. Ltda.Smar Equipamentos Ind. Ltda.


Sensorbus

• Seriplex• ASI• INTERBUSLoop

Devicebus

• Device Net• SDS• Profibus DP• LONWorks• INTERBUS-S

Fieldbus

• IEC/ISA SP50• Profibus PA• HART• Foundation Fieldbus

Tipo deDispositivo

Tipo decontrole

Controle deProcesso

ControleLógico

bit byte bloco

Dispositivo Simples Dispositivo Complexo

Cenário em termos de tecnologias


CNC

VME/PC

Router /Firewall

Ethernet/TCP/IP Plant Backbone

PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA

Nível deFábrica

Tempo de ciclo

< 1000 ms

Células

Tempo de ciclo

< 100 ms

Nível deCampo

Tempo de ciclo

< 10 ms

PLC

ETHERNET

DCS

Comunicação Transparente


PROFIBUS – Topologias de Rede

OLM OLM

PRO

FIB

US

DP

Fibraótica

DP/PAlink

ILM

Infra-vermelho

PRO

FIB

US

PA

DP/PAlink

PROFIBUS DP/iS

Barreira+ Repetidor

ILM

OLM

DP/PAlink

Repetidor

PROFIBUS PA

– Topologias de Rede:• redundante• anel• linha• estrela• Eex / Não-Eex

RS485Par de fios trançados – IEC61158-2

•RS 485: Profibus DP

•RS 485 iS: DP em áreas (Ex)

•IEC 61158-2: Profibus PA

•Fibra Ótica: Profibus DP

•Infravermelho: Profibus DP


• RS 485 (Profibus DP)• Transmissão Assíncrona NRZ • Baud rates de 9.6 kBit/s a 12 MBit/s selecionável• Par trançado com shield• 32 estações por segmento, max. 126 estações• Distância dependente do baud rate

• 12 MBit/s = 100 m; 1.5 MBit/s = 200m; < 187.5 kBit/s = 1000 m • Distância expansível até 10Km com o uso de repetidores• 9 PIN, D-Sub conector• Vale lembrar que os equipamentos PROFIBUS DP não são alimentados pelo barramento.• Possibilidade de Segurança Intrínseca: RS485-IS

• IEC 61158-2 (H1- Profibus PA)• Transmissão Síncrona Manchester bi-fase, 31.25 kBit/s, modo corrente• Segurança Intrínseca (opcional) e alimentação via barramento (depende do fabricante)• Par de cabo trançado com ou sem shield• Distância de 1900 m por segmento, expansível até 10Km com o uso de repetidores (até 4)• max. 126 estações, 10-32 por segmento (dep. da classificação da área e do consumo dos

equipamentos)

Técnica de Transmissão


PROFIBUS-DP

• Excelente para substituir extensos cabeamentos entre PLC/SDCD/PC e E/S

• Muito rápido, transmite 1 kByte de dado de entrada e saída em menos de 2ms

• Poderosas ferramentas reduzem os esforços de configuração e manutenção

• Suportado pelos principais fabricantes de PLCs e SDCDs

• Vários tipos de produtos, isto é, PLC, SDCD, PC, I/O remoto, Inversores de Frequência, CCMs inteligentes, Válvulas, Encoders

• Comunicação cíclica e acíclica(via funções DPV1)

• Comunicação Mono e multi mestres

• Até 244 bytes de dados de entrada e 244 bytes de saída por estação• Distância Hamming HD = 4

– HD 4 significa que até 3 falhas de transmissões ao mesmo tempo podem ser detectadas (feito pelo ASICs);

Principais catacterísticas:


Comunicação Mestre e Escravo

PLC, SDCD ou PC Industrial

Acionamentos

Profibus-PA31.25 kbit/s

24 V

Remote I/O

Equipamentos PA

Sistemas com Mono mestre alcançam tempos derespostas muito curtosEles consistem de

- 1 Mestre DP (Classe 1)- 1 a 125 escravos DP- 1 Mestre DP (Classe 2) - opcional


Comunicação Multimestre, passagem do token

PLC / SDCD / PCPC Industrial

tokentokentokentokentokentoken

Profibus-PA31.25 kbit/s

24 V

DriversRemote I/O

Equipamentos PA

Vários mestres DP podemacessar os escravos com as funções de leituras

Um sistema multi-mestre consiste de:- múltiplos mestres (classe 1 ou 2)- 1 a 124 DP-Slaves no máximo- max. 126 devices em um mesmo bus


Cabo Profibus - DP• Cabo Recomendado: Tipo A

• Impedância (Ω): 135 a 165

• Freqüência (MHz) : 3 a 20

• Capacitância (pF/m): < 30

• Resistência de Loop (Ω/km): <110

• Seção (mm²): >= 0.34


PROFIBUS-DP: Distâncias Max. Permitidas

• Verificação das distâncias máximas permitidas– Distâncias limites dependem do tipo do cabo assim como da

taxa de comunicação

06.62033100500500Spur Máximo (m)

100193.4380967900500500Tronco Máximo (m)

1002004001000120012001200Comprimento Total (m) ou Segmento (m)

120001500500187.593.7519.29.6Baud rate (kbit/s)

- Distância Mínima entre slaves deve ser respeitada

- Com fibra ótica Sintética consegue-se Longa distância, > 80 km

Obs: Distâncias baseadas em velocidade de transmissão para cabo tipo A em RS485


Detalhes da instalação• Terminação(RS485)

– Cada segmento necessita ser terminado nas duas extremidades;– Terminação deve ser energizada todo o tempo;– Se possível, usar uma terminação no mestre;– A potência para a terminação precisa ser provida pelo equipamento.

Terminação Terminação


• Devemos colocar sempre o repetidor quando temos que expandir a capacidade de escravos no DP, considerando como limite 32 devices/segmento, sendo que o mestre conta como um device e o repetidor também

• Além disso, como o repetidor garante isolação galvânica, deve-se tê-lo sempreque tenhamos uma área geradora de ruídos e com isto reduziremos o ruído e potencial transientes em modo comum.

• Pode ser que tenhamos(e com grande probabilidade) diferença de terra entre as áreas por onde passa o DP e por isto, devemos colocar, como por exemplo no CCM, o repetidor DP para que tenhamos a isolação galvânica e ainda, isto farácom que o sinal não seja afetado pelo diferencial de terra de outra área ou mesmoafete outra área.

• Alguns fornecedores já providenciam o repetidor no CCM.

• Outro uso do repetidor DP é quando deseja-se criar braços além do tronco principal e existe uma regra que define a máxima distância entre duas estações.

PROFIBUS-DP: Repetidores


PROFIBUS-DP: Repetidores & Terminadores

• Repetidores & Terminadores– Quando o mestre está localizado no início do barramento com um terminador

ativo e o último escravo, o mais distante do mestre, também possui terminadorativo, deve-se atentar para que este último escravo deva permanecer alimentado o tempo todo, pois durante sua manutenção ou reposição, pode haver comunicaçãotermitente com os outros devices.


• Repetidores & Terminadores– Quando o mestre está localizado no início do barramento com um terminador

ativo e se tem repetidores deve-se ter um terminador na chegada e saída do repetidor, sempre que se tem um segmento novo.




• Repetidores & Terminadores– Quando devido à arquitetura e/ou topologia tem-se algo como a figura, onde se tem o

mestre no meio do barramento, deve-se colocar os terminadores no primeiro escravo(o mais a esquerda do mestre) e no último(o mais distante), mantendo-os sempre energizados. Aqui também, durante a manutenção ou reposição, pode haver comunicação intermitente com os outros devices.


• Terminadores

– Verifique a posição de ativação dos terminadores de acordo com o que foi visto anterior e se certifique que apenas dois terminadores estejam ativos.

– No caso de repetidores, vale o que já vimos anteriormente.

– Um outro cuidado que se deve tomar é o excesso de terminação; alguns devices possuem terminação on-board.

– Verifique também se no caso de uma parada se os terminadores possuem energização suficiente.

PROFIBUS-DP: Terminadores


Profibus-DP: Formas de Onda

• Formas de onda no RS-485, entre o pino 3 e 8

VODidle – tensão diferencial em repouso(sem transmissão ativa) UODlow – tensão diferencial na fase negativa UODhigh – tensão diferencial na fase positiva UODss – nivel máximo de saída, pico-a-pico UTH – tensão de limiar do receptor (±0.2V de acordo com a EIA 485 /4/)

A forma de onda dependerá da taxa de comunicação, sendo um sinal normalmente excursionando entre -7V e +12V. Pode ser encontrado excursões de -9V a +14V ou ainda -8V a +13V, dependendo do driver 485 usado.


Profibus-DP: Formas de Onda & Terminadores

• Terminação ativa na posição incorreta (fig. da esquerda) e com a terminação correta. • Observe que tanto o nível quanto a forma de onda são degradados. • O ativação incorreta do terminador causa descasamento de impedância e reflexões do sinal, uma vezque além do terminador ainda tem cabo com sua impendância.

• Ativação do BT na posição indevida


• A falta de terminação(esquerda), onde o não casamento de impedância faz com que o caboProfibus fique susceptível a reflexão de sinal, atuando como uma antena. • Na forma de onda à direita, podemos ver a falta de terminação.

• Sem Ativação do BT




• O Tamanho do tronco além dos limites

• A forma de onda gerada pelo fato de um tamanho de tronco além do permitido (esquerda) e com o tamanho de tronco dentro dos limites(direita). • Observe que tanto o nível quanto a forma de onda são degradados e há geração de spiking e ruídos. • O tronco além dos limites causa descasamento de impedância e reflexões do sinal


PROFIBUS-DP: Shield & Aterramento• Shield

– O shield (a malha, assim como a lâmina de alumínio) deve ser conectado ao terra funcional do sistema em todos os conectores DP do cabo, de tal forma a proporcionar uma ampla área de conexão com a superfície condutiva aterrada.

– Onde se tem um diferencial de tensão entre os pontos de aterramento recomenda-se passar junto ao cabeamento uma linha de equalização de potencial (às vezes a própria calha metálica pode ser usada ou um cabo AWG 10-12).


Profibus-DP: InstalaçõesMecânicas

• Instalações Mecâncias

– Verifique para cada equipamento, caixa de distribuição, caixa de junção, etc, se a classificação IP está adequada e ainda se a vedação de cabos e roscas estão adequadas, assim como, se os prensa-cabos estão adequados e vedados, etc.

– Além disso, verifique a rigidez das conexões elétricas e acabamentos das conexões, acabamento do shield, do aterramento, etc.


Device Data Base FilesGSD-file

PROFIBUS Ferramenta de configuração

(Mestre Classe 2)Configuração do Sistema

Configuração Aberta

PLC / SDCD / PC(Mestre Classe 1)

Fielddevice

I/O Sensor Drive

MTrans-mitter

Fielddevice

PROFIBUS - DP


É um protocolo de comunicação dedicado à Automação de Processos e otimizado para equipamentos de campo.

• Transmissores, Válvulas, Atuadores, Conversores, etc.

• Interligados e alimentados via barramento fieldbus.

• Cada equipamento de campo possui um endereço físico e únicono barramento.

• Possibilidades de uso em áreas classificadas (Zonas 0, 1, e 2) em modo Intrinsecamente Seguro (Ex ia/ib).

PROFIBUS - PA

Process Fieldbus Process Automation


• Baseado no PROFIBUS-DP e transmissão IEC 61158-2 • Interoperabilidade e intercambialidade devido ao perfil

PROFIBUS-PA – Blocos Funcionais– Diagnósticos disponíveis nos instrumentos, facilitando a

manutenção– Baixo consumo de energia– Distância até 1900m por segmento, sem repetidores

Características


• Sinal de comunicação: codificação Manchester com a modulação de corrente

• Topologia: Barramento, árvore/estrela, ponto-a-ponto

• Alimentação: via barramento ou externa, 9-32Vdc emáreas não intrinsecamente seguras

• Baude rate: 31.25 kbit/s

Características


• Permite no máximo 32 equipamentos (non-”Ex”) por segmento, num total de 126 equipamentos

• Aproximadamente 9 equipamentos (Explosion Group IIC)

• Aproximadamente 23 equipamentos (Explosion Group IIB)

• Permite 4 repetidores: distâncias até 10Km.

• Cabeamento máximo de 1900m, sem repetidores

• Spur max de 120m/spur.

Características


Rede Profibus

100 Ohm

C

100 Ohm

TerminadorC é dimensionado para 31.25 kbit/s

Obs: como opção, um dos terminadorespode ter derivação central aterrada paraevitar acúmulo de tensão na rede Profibus.

FONTEALIM.

H1 - 31.25 kbit/s Modo Tensão

TransmitindoIdle

Equipamento ProfibusI (mA)

10 ~ 25 15 ~ 20 mA

C

V = 50 Ω x 20mA = 1000 mV

V (volt)

0.75 ~ 1 Vpp9 ~ 32

Zeq= 50 Ω ( 31.25 KHz )

BT302 Bus terminator


Profibus-PA: Sinais em funçãodo BT


• 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 estaçãode operação: PDM).

Obs: - os mestres trabalham com o meio físico RS485 ou fibra ótica

(até 12 Mbits/s quando são utilizados os DP/PA Links + Couplers ouSK2/SK3 da P+F para os segmentos em Profibus PA)

- os equipamentos de campo são somente escravos.

Mestres: Possui dois tipos de mestres:

Elementos da Rede PROFIBUS


• São dispositivos utilizados para traduzir as características físicas entre o PROFIBUS DP (RS485) e o PROFIBUS PA (H1:31,25kbits/s)

• São transparentes para os mestres (não possuem endereço no barramentoProfibus DP)

• Atendem aplicações de segurança intrínseca (Ex) e (Non-Ex), definindo e limitando o número máximo de equipamentos em cada segmento PA. O númeromáximo de devices depende da somatória das correntes dos devices no segmentoe distâncias envolvidas no cabeamento.

• São alimentados com 24 Vdc.

• Exemplos: Couplers Pepperl+Fuchs (93.75 kbits/s SK2/SK3:12Mbits/s) e Siemens (45.45 kbits/s).

Couplers:



Couplers

Existe um diagrama de conexões



• São dispositivos utilizados como escravos da rede PROFIBUS DP (RS485 até12Mbits/s) e mestre da rede PROFIBUS PA (H1:31,25kbits/s).

• Permitem taxas de até 12Mbits/s no barramento Profibus DP.

• Permitem que sejam acoplados até 5 couplers, com um número máximo de dispositivos de 64, dependendo do número de slots (Function Blocks) ocupados pos cada instrumento e/ou atuador

• Possuem endereço físico no barramento Profibus DP.

• Exemplo: IM157 - Siemens

Links:



Link Device: IM157

Links

Fonte de Alimentação

24 VDC IM 157 DP/PA Coupler 1

DP/PA Coupler 2



Qual Cabo Profibus PA Utilizar ?

• Tipo de Cabo: Par trançado 1x2, 2x2 ou 1x4 com shield

• Impedância: 35 a 165 Ohm nas frequências de 3 à 20 MHz

• Capacitância do Cabo: Menor que 30 pF por metro

• Diâmetro do Cabo: maior que 0.34 mm2 ( AWG 22 )


PROFIBUS-PA: Spur & Devices

• Quantidade– Verifique o comprimento dos spurs. A quantidade de Equipamentos

PA(deve ser considerado os repetidores quando houver) deve estar de acordo com a tabela . Em áreas classificadas o spur máximo é de 30m

1 x 32 = 32111125-32

24 x 30 = 7201113019-24

18 x 60 = 108011306015-18

14 x 90 = 1260130609013-14

12 x 120 =14403060901201-12

Comprimento considerando a

quantidade máxima de spurs (m)

Comprimento do Spur (m) com 04

equip.

Comprimento do Spur (m) com 03

equip.

Comprimento do Spur (m) com

02 equip.

Comprimento do Spur (m) com

01 equip.

Total de Equipamentos PA

por segmento coupler DP/PA


• Dimensionando a rede PA– ISeg = Σ IBN + IFDE + IFREE

Sendo que ISeg < I COnde :

• ISeg = corrente no segmento PA• Σ IBN = somatória das correntes quiescentes de todos os

equipamentos no segmento PA• IFDE = corrente adicional em caso de fallha, normalmente

desprezível• IFREE = corrente de folga, útil em caso de expansão ou troca de

fabricante, recomendado 20 mA• IC = corrente drenada pelo coupler

PROFIBUS-PA: Dimensionamento em função do cabo, distâncias, equipamentos


PLC / SDCD / PC

PROFIBUS DP

DP/PACOUPLER

PROFIBUS-PA31.25 kbit/s

Escravos

24V 24V

PROFIBUS-DP45.45 kbit/s ou 93.75 kbit/s

Mestre

432

1

Endereçamento do sistema PROFIBUS

Couplers


PLC / SDCD / PC

PROFIBUS DP

COUPLERPROFIBUS-PA31.25 kbit/s

Escravos

24V 24V

PROFIBUS-DPaté 12 Mbit/s

DP/PA LINK

Max. 64 equipamentospor link IM157 - Non-Ex

Max. 35 equipamentospor link IM157 - Ex

Mestres

Max. 5 DP/PA Couplerspor link IM157

232

1

23

11

Links

Endereçamento do sistema PROFIBUS


Topologia: Estrela


Topologia: Barramento


O que devemos ter em uma redePROFIBUS-PA ?• Placa de comunicação PROFIBUS-DP no microcomputador (Mestre Classe 2)

• Software de configuração e diagnóstico de dispositivos de campo PROFIBUS-PA (Simatic PDM(Siemens), FieldCare(E+H, Metso), Pactware(Vega/Outros) , ProfibusView(Smar), AssetView(Smar), SmartVision(ABB), etc )

• DP/PA Coupler ou DP/PA Link + Coupler ou High Speed Couplers

• Controlador Lógico Programável, SDCD ou PC como Mestre Classe 1

•Terminadores de rede

• Dispositivos de campo (transmissores, posicionadores de válvulas, etc) PROFIBUS-PA


• GSD (device master data) file: arquivo txt com detalhes de revisão de hardware

e software, bus timing do equipamento PA e informações sobre troca de dados

cíclicos. Deve ser um para cada tipo equipamento.

• DD (Device Description) para o Simatic PDM : arquivo ddl com a descrição de todos

os parâmetros de todos os blocos funcionais e métodos (calibração) e menus

operacionais.

Integração entre os segmentosPROFIBUS-PA e PROFIBUS-DP

• DTMs (Device Type Manager) para sistemas FDT: AssetView, SmartVision,

FieldCare, Pactware


Arquivo GSD para um instrumento Profibus PA

#Profibus_DPGSD_Revision = 2Vendor_Name = "SMAR"Model_Name= "LD303" Revision= "1.0"Ident_Number= 0x0895Protocol_Ident= 0Station_Type= 0Bitmap_Device = "Src0895n"FMS_supp= 0Hardware_Release= "3.0"Software_Release= "1.17"31.25_supp= 145.45_supp= 193.75_supp= 1187.5_supp= 1MaxTsdr_31.25= 100MaxTsdr_45.45= 250MaxTsdr_93.75= 1000MaxTsdr_187.5= 1000Redundancy= 0Repeater_Ctrl_Sig= 024V_Pins= 0Freeze_Mode_supp= 0Sync_Mode_supp= 0Auto_Baud_supp= 0Set_Slave_Add_supp= 1

Min_Slave_Intervall= 250Modular_Station= 1Max_Module= 2Max_Input_Len= 10Max_Output_Len= 2Max_Data_Len= 12Max_Diag_Data_Len= 14Slave_Family= 12User_Prm_Data_Len= 0;;Modules for Analog InputModule = "Analog Input (short) " 0x94EndModuleModule = "Analog Input (long) " 0x42, 0x84, 0x08, 0x05EndModule;;Module for TotalizerModule = "Total " 0x41, 0x84, 0x85EndModuleModule = "Total_Settot " 0xC1, 0x80, 0x84, 0x85EndModuleModule = "Total_Settot_Modetot " 0xC1, 0x81,0x84, 0x85EndModule;;Empty moduleModule = "EMPTY_MODULE" 0x00EndModule


Analog Input Block


Analog Output Block


Totalizer Block


Measured variable

IEEE Floating Point Format(4 Byte)

Status Byte

00 . . . . . .= bad01 . . . . . .= uncertain10 . . . . . .= good

. . . . = Sub status

. . . . . . 00 = Limits o.k.

. . . . . . 01 = low limit

. . . . . . 10 = high limit

Parâmetrosevariáveis de medição

Comunicaçãocíclica Byte de status

• PROFIBUS PA provê alta resolução das variáveis de processos.

• Todas variáveis de processos possuem um byte de status.

• A avaliação do byte de status permite a validação da medição e pode ser usadacomo diagnóstico online.

Valores medidos e Status da medição (qualidade)


μPAD

Sensor Device Genérico PA

PA-Interface

PROFIBUS PA

PROFIBUS DP

Device Genérico 4-20mA

μPAD A

DA

D

PROFIBUS DP

4 to 20 mA

Remote I/O

DP/PA-Link

Diagrama de Bloco: PROFIBUS PA x 4-20 mA


PROFIBUS PA

PROFIBUS DP

PROFIBUS DP

4 a 20 mA

Remote I/O

DP/PA-Link

Transmissor de DensidadeConcentração

• Muitos equipamentos podem medir mais do queuma grandeza, podem receber e enviar valores aoscontroladores (PLC / SDCD / PC):

• Concentração(Brix),

• Densidade(Kg/m3),

• Temperatura(C)

Comunicação bidirecional multivariável

• Medidor de vazão(4-20mA)

• Totalização de vazão com entrada de reset

• Totalização de vazão direta com entrada de reset

• Totalização de vazão reversa com entradade reset

• Temperatura

• etc


Sensor

PROFIBUS PA

PROFIBUS DP

PROFIBUS DP

Transmissor deTemperatura

Sensor failure

DP/PA-Link

Remote I/O

> 20 mA or < 4 mA

• Diagnósticos online são trocadosciclicamente com o mestre classe 1 permitindo identificar a falhainstantaneamente.

• No 4-20mA uma falha pode ser detectada se a corrente sair desta faixade 4-20mA, porém o usuário nãoconsegue diferenciar entre uma falha de sensor e outra falha qualquer.

Diagnóstico online cíclico em instrumentos PROFIBUS PA e via mestre classe 2


AI

PID

AO

Falha de Sensor

Bad – Falha de SensorIFS – Iniciar Falha Segura

Boa Cascata IFSIniciar Falha Segura

Boa Cascata FSAFalha Segura Ativa

Fail Safe Value: 50%Fail Safe Time: 3 s

Blocos Funcionais e Fail Safe


Integração em sistemas PROFIBUS - DP


Adicionando um escravo


Configurando ciclicamente o equipamento PA


Mapeando Módulos para Blocos Funcionais


Rede Profibus


Estratégia de Controle


Live List Profibus


ObrigadoCésar Cassiolato

[email protected]

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