O meio Físico RS485 e detalhes de instalação Profibus-DP

Eng. César Cassiolato, Diretor da SMAR Equipamentos Industriais Ltda, Presidente da Associação Profibus Brasil América Latina, Diretor Técnico do Centro de Competência e Treinamento em Profibus Brasil América Latina, Engenheiro Certificado em Tecnologia e Instalações em Profibus pela Universidade de Manchester – Profibus International.

Meio de transmissão RS485

O padrão RS 485 é a tecnologia de transmissão mais freqüentemente encontrada no PROFIBUS. Sua aplicação inclui todas as áreas nas quais uma alta taxa de transmissão, aliada a uma instalação simples e barata, é necessária. Um par trançado de cobre blindado (shieldado) com um único par condutor é o suficiente neste caso.

A tecnologia de transmissão RS 485 é muito fácil de manusear. O uso de par trançado não requer nenhum conhecimento ou habilidade especial. A topologia por sua vez permite a adição e remoção de estações, bem como uma colocação em funcionamento do tipo passo-a-passo, sem afetar outras estações. Expansões futuras, portanto, podem ser implementadas sem afetar as estações já em operação.

Taxas de transmissão entre 9.6 kbit/s e 12 Mbit/s podem ser selecionadas, porém uma única taxa de transmissão é selecionada para todos dispositivos no barramento, quando o sistema é inicializado.

Instruções de instalação para o RS485

Sempre que possível, consulte a EN50170 e a IEC60079-14 para as regulamentações físicas, assim como para as práticas de segurança em instalações elétricas em atmosferas explosivas.

É necessário agir com segurança nas medições, evitando contatos com terminais e fiação, pois a alta tensão pode estar presente e causar choque elétrico. Lembre-se que cada planta e sistema têm seus detalhes de segurança. Informar-se deles antes de iniciar o trabalho é muito importante.

Para minimizar o risco de problemas potenciais relacionados à segurança, é preciso seguir as normas de segurança e de áreas classificadas locais aplicáveis que regulam a instalação e operação dos equipamentos. Estas normas variam de área para área e estão em constante atualização. É responsabilidade de o usuário determinar quais normas devem ser seguidas em suas aplicações e garantir que a instalação de cada equipamento esteja de acordo com as mesmas.

Uma instalação inadequada ou o uso de um equipamento em aplicações não recomendadas podem prejudicar a performance de um sistema e conseqüentemente a do processo, além de representar uma fonte de perigo e acidentes. Devido a isto, recomenda-se utilizar somente profissionais treinados e qualificados para instalação, operação e manutenção.

Repetidores

Para casos com mais de 32 estações ou para redes densas, devem ser utilizados repetidores. Segundo a EN50170, um máximo de quatro repetidores é permitido entre duas estações quaisquer. Dependendo do fabricante e das características do repetidor, é permitido instalar até nove repetidores em cascata. Recomenda-se não utilizar uma quantidade maior que a permitida, devido aos atrasos embutidos na rede e ao comprometimento com o slot time (tempo máximo que o mestre irá esperar por uma resposta do slave). Veja Figuras 1 e 2.

Figura 1 – Segmentação em Instalações PROFIBUS.

Figura 2 – Regra Geral de Segmentação, Repetidor e bus Terminador.

O comprimento máximo do cabeamento depende da velocidade de transmissão, conforme a Tabela 1.

O padrão PROFIBUS considera a capacitância máxima para cada taxa de comunicação. A Tabela 1 apresenta os comprimentos máximos dos troncos principais e dos spurs em função do baud rate. A topologia e a distribuição do cabeamento são fatores que devem ser considerados para a proteção de EMI (Emissão Eletromagnética).

É válido ressaltar que em altas freqüências os cabos se comportam como um sistema de transmissão com linhas cruzadas, refletindo energia e espalhando-a de um circuito a outro. Devem-se manter em boas condições as conexões, pois conectores inativos podem desenvolver resistência ou se tornar detectores de RF.

A recomendação é acrescentar um repetidor onde há a necessidade em criar braços além do tronco principal. Na prática, pode-se ter uma margem de 5% destes comprimentos máximos, não havendo a necessidade de comprar um repetidor quando se ultrapassa os limites dentro desta proporção. Utiliza-se a seguinte regra para determinar a máxima distância entre duas estações conforme a taxa de comunicação, considerando o número de repetidores:

(Nrep+1)*seg

Onde Nrepseg é o número máximo de repetidores em série e seg é o comprimento máximo de um segmento de acordo com o baud rate.
Por exemplo, a uma taxa de 1500kbit/s (de acordo com a Tabela 1, é possível obter a distância máxima de 200m), o fabricante de um determinado repetidor recomenda que se utilizem no máximo nove repetidores em série, é possível obter:

(9+1)*200=2000(m)

Outro detalhe a ser observado na prática, de acordo com a Figura 2, é o uso dos terminadores de barramento, onde preferencialmente o mestre está localizado no início do barramento com um terminador ativo e o último escravo, o mais distante do mestre, também possui terminador ativo. Isto significa que o último escravo deve permanecer alimentado o tempo todo e durante sua manutenção ou reposição, pode haver comunicação intermitente com os outros devices.

Devido à arquitetura e/ou topologia, algo como a Figura 3 pode acontecer, onde o mestre está localizado no meio do barramento. Os terminadores devem estar localizados no primeiro escravo (o mais à esquerda do mestre) e no último (o mais distante), mantendo-os sempre energizados. Durante a manutenção ou reposição, pode haver comunicação intermitente com os outros devices.

Figura 3 – Mestre Localizado no Meio do Barramento.

É aconselhado evitar colocar estações baseadas em PC como último elemento da rede, pois durante o reset a linha de +5V no conector 9-in sub D fica desabilitada e pode causar comunicação intermitente. Neste caso, costuma-se utilizar terminação ativa(existem módulos terminadores alimentados e que podem ser conectados independente dos escravos).
As características desejáveis de um cabo PROFIBUS-DP são:

• Área condutora: 0.34 mm2 (AWG 22);
• Impedância: 35 a 165 Ω (nominal 150 Ω) nas freqüências de 3 a 20 MHz;
• Capacitância: < 30 pF/m;
• Resistência de Loop: < 110 Ω/km;
• Para o cabo tipo A, a maior distância é 1200 m.

A resistência de loop é determinada da seguinte maneira: através de um curto-circuito entre os conectores em uma das extremidades do cabo, mede-se a resistência entre os dois conectores na outra extremidade com um multímetro e aplicam-se os valores à seguinte fórmula:

Onde o valor medido (Ω) = Rm. O valor de Rs deve ser < 110 Ω/Km.

É necessário lembrar que cabos com capacitâncias maiores podem deformar as bordas e as formas do sinal de comunicação com o baud rate, e a comunicação intermitente pode prevalecer. Cabos onde a resistência de loop é muito alta e a capacitância for menor que 30pF/m podem ser utilizados, mas a atenção deve estar voltada para a atenuação do sinal.

Os fabricantes de cabos recomendam a temperatura de operação entre -40ºC a +60ºC. Deve-se verificar os pontos críticos de temperatura por onde o cabeamento passa e se o cabo suporta a mesma. Como exemplo, tem-se que a resistência de loop de um cabo tipo A PROFIBUS RS485 é 110 Ω a 20 ºC, podendo haver um aumento de 0,4%/ºC.

Existem algumas regras que devem ser seguidas em termos do cabeamento e separação entre outros cabos, quer sejam de sinais ou de potência. Deve-se preferencialmente utilizar bandejamentos ou calhas metálicas, observando as distâncias conforme Tabela 2. Nunca se deve passar o cabo PROFIBUS ao lado de linhas de alta potência, pois a indução é uma fonte de ruído e pode afetar o sinal de comunicação.

Em termos de cabo, não existe nenhuma nomenclatura padrão, mas na prática tem-se adotado:

• Para condutores: verde (A, negativo);
• Para as linhas de dados: vermelho (B, positivo)

É conveniente que se utilize as linhas A e B de forma continuada ao longo de todo barramento, evitando inversões e cruzamentos de cabos. Se não for possível evitar o cruzamento de cabos, aconselha-se realizar cruzamentos perpendiculares.

Shield e Aterramento

O shield (a malha, assim como a lâmina de alumínio) deve ser conectado ao terra funcional do sistema em cada estação e em ambas as extremidades do cabo, de tal forma a proporcionar uma ampla área de conexão com a superfície condutiva aterrada.

Em casos onde se tem um diferencial de tensão entre áreas recomenda-se passar junto ao cabeamento uma linha de equalização de potencial (a própria calha metálica pode ser usada ou um cabo conforme abaixo). Veja Figura 4. Deve existir uma conexão equipotencial adequada entre prédios e instalações externas, independente dos cabos PROFIBUS. De acordo com a norma IEC 60364-5-54, os condutores devem ter a seguinte área:

• Cobre ……    6 mm²
• Alumínio …  16 mm²
• Aço.. .…….. 50 mm²

Quando se tem o aterramento nas duas extremidades, a proteção é mais efetiva para uma ampla faixa de freqüência, ao contrário do aterramento em uma só extremidade, onde é mais eficaz para as baixas freqüências.

Figura 4 – Linha de Equipotencial.

Em áreas perigosas deve-se sempre fazer o uso das recomendações dos órgãos certificadores e das técnicas de instalação exigidas pela classificação das áreas. Um sistema intrinsecamente seguro deve possui componentes que devem ser aterrados e outros que não. O aterramento tem a função de evitar o aparecimento de tensões consideradas inseguras na área classificada. Na área classificada evita-se o aterramento de componentes intrinsecamente seguros, a menos que o mesmo seja necessário para fins funcionais, quando se emprega a isolação galvânica. A normalização estabelece uma isolação mínima de 500 Vac. A resistência entre o terminal de aterramento e o terra do sistema deve ser inferior a 1Ω. No Brasil, a NBR-5418 regulamenta a instalação em atmosferas potencialmente explosivas.
Outro cuidado que deve ser tomado é o excesso de terminação. Alguns dispositivos possuem terminação on-board.

Figura 5 – Detalhe do Conector Típico 9-Pin Sub D

A Figura 6 apresenta detalhes de cabeamento, shield e aterramento quando se tem áreas distintas.

Quanto ao aterramento, recomenda-se agrupar circuitos e equipamentos com características semelhantes de ruído em distribuição em série e unir estes pontos em uma referência paralela. Recomenda-se aterrar as calhas e bandejamentos.

Um erro comum é o uso de terra de proteção como terra de sinal. Vale lembrar que este terra é muito ruidoso e pode apresentar alta impedância. É interessante o uso de malhas de aterramento, pois apresentam baixa impedância. Condutores comuns com altas freqüências apresentam a desvantagem de terem alta impedância. Os loops de correntes devem ser evitados. O sistema de aterramento deve ser visto como um circuito que favorece o fluxo de corrente sob a menor indutância possível.

Figura 6 – Detalhe de Cabeamento em Áreas Distintas com Potenciais de Terras Equalizados

Figura 7 – Detalhe da Preparação do Cabo PROFIBUS

Algumas recomendações:

• Deve-se evitar splice, ou seja, qualquer parte da rede que tenha comprimento descontínuo de um meio condutor especificado, por exemplo, remoção de blindagem, troca do diâmetro do fio, conexão a terminais nus, etc. Em redes com comprimento total maior que 400 m, a somatória dos comprimentos de todos os splices não deve ultrapassar 2 % do comprimento total e ainda, em comprimentos menores que 400m, não deve exceder 8 m.
• Em áreas sujeitas à exposição de raios e picos de alta voltagem, é indicado utilizar os protetores de surtos. Toda vez que houver uma distância efetiva maior que 100m na horizontal ou 10m na vertical entre dois pontos aterrados, recomenda-se o uso de protetores de transientes. Na prática, na horizontal, entre 50 e 100m, recomenda-se o uso dos mesmos; Quando a taxa de comunicação for maior ou igual a 1.5 MBit/s, é recomendado  ter pelo menos 1m de cabo entre dois equipamentos DP. A capacitância de entrada dos dois equipamentos compensará o cabo, a fim de preservar a impedância comum. Quando se tem uma distância menor, a capacitância de entrada pode causar reflexões. Em taxas inferiores a 1.5 MBit/s este efeito é bem menor. O sinal fieldbus deve ser isolado das fontes de ruídos, como cabos de força, motores, inversores de freqüência. O ideal é ter o cabo PROFIBUS em guias e calhas separadas;
• Quando utilizar cabos multivias, não se devem misturar sinais de vários protocolos;
• Quando possível, utilizar filtros de linha, ferrites para cabo, supressores de transientes, centelhadores (spark gaps), feedthru e isoladores óticos para proteção;
• Utilizar canaletas de alumínio onde se tem a blindagem eletromagnética externa e interna. São praticamente imunes as correntes de Foucault devido à boa condutibilidade elétrica do alumínio;
• Para a taxa de 12 Mbits/s, recomenda-se colocar conectores com indutores de 110 nH, conforme a Figura 8;
• Para cada equipamento, antes de instalá-lo, ler cuidadosamente seu manual e as recomendações do fabricante;
• Em casos onde existem problemas com distâncias ou alta susceptibilidade a ruídos, recomenda-se o uso de fibras óticas, onde é possível estender a mais de 80Km (fibras sintéticas);
• É comum o uso de linkótico. Neste caso, recomenda-se estar atento ao uso de repetidores óticos(OLM). Veja Figura 9;
• Sempre verificar o endereçamento. No PROFIBUS-DP é comum ser local, através de dip switches.

Figura 8 – Conexão de Conectores e Indutores na Rede PROFIBUS-DP.

Figura 9 – Repetidores, Terminadores e Links Óticos.

Para a conexão em locais com  grau de proteção IP20, utiliza-se conectores tipo DB9 (9 pinos). A definição da pinagem e esquema de ligação é mostrada na figura 10.

Figura 10 – Terminador de barramento para o RS485.

Já no caso de grau de proteção IP65/76, existem três alternativas para a conexão:

• Conector circular M12 (IEC 947-5-2)
• Conector HAN-BRID, conforme recomendação DESINA
• Conector híbrido SIEMENS

RS485-IS

Figura 11: Opções para conectores PROFIBUS IP65/67.

Existia grande demanda entre usuários para apoiar o uso do RS485 com suas rápidas taxas de transmissão em áreas intrinsecamente seguras. O PNO encarou esta tarefa e desenvolveu uma diretriz para a configuração de soluções RS485 intrinsecamente seguras com capacidade de troca de dados simples de dispositivos.

A especificação dos detalhes da interface, os níveis para corrente e tensão que precisam ser aderidos para todas as estações devem assegurar um funcionamento seguro durante a operação.

Um circuito elétrico permite correntes máximas em um nível de tensão específico.

Quando conectar fontes ativas, a soma das correntes de todas as estações não pode exceder a corrente máxima permitida. Uma inovação do conceito RS485–IS é que, em contraste ao modelo FISCO que tem somente uma fonte intrinsecamente segura, todas as estações representam agora fontes ativas.