Diretrizes para Projeto e Instalação de Redes PROFIBUS DP

Wladimir Lopes Silva
wladimir@wtech.ind.br
Wtech Automação Ltda

Resumo

A utilização das redes PROFIBUS DP em ambientes industrias, apesar de simples, exige alguns cuidados para o seu correto funcionamento. Alguns detalhes técnicos devem ser observados na definição, projeto e instalação destes barramentos de campo, e este trabalho procura apresentá-los, buscando facilitar o trabalho dos projetistas de instalações industriais utilizando redes PROFIBUS DP.

Palavras-Chave: Automação Industrial, Barramento de Campo, Controlador Lógico Programável, Redes de Comunicação.

1. Introdução

A utilização de redes PROFIBUS em ambientes industriais, apesar de simples, exige alguns cuidados importantes para o seu funcionamento efetivo e eficiente. Existem vários critérios técnicos que devem ser observados pelo projetista na concepção e instalação destes barramentos de campo e a PROFIBUS International tem despendido um grande esforço na criação de regras que, quando seguidas, facilitam este trabalho. Este trabalho procura basicamente apresentar estas orientações, entretanto, focando a versão DP da família de redes PROFIBUS.

2. Informações Gerais

A Tabela 2.1 contém algumas informações básicas para o dimensionamento de uma instalação utilizando o padrão PROFIBUS.

Tabela 2.1: Informações gerais para dimensionamento de redes PROFIBUS [PRO98]

O padrão elétrico de transmissão RS-485 é o mais aplicado em instalações utilizando PROFIBUS DP. Neste padrão, cada segmento de rede pode conter até 32 dispositivos ativos. Portanto, quando existe a necessidade de conexão de um grande número de estações DP (acima de 32 estações) faz-se necessário dividir a rede em segmentos. Estes segmentos são interconectados através de Repetidores, que fornecem isolação galvânica entre os segmentos e a regeneração do sinal passado de um segmento para outro. Na prática, cada Repetidor permite que o sistema PROFIBUS seja ampliado por um segmento adicional com o tamanho máximo admissível do cabo e com o numero máximo de dispositivos permitidos (32 estações).

Segundo a norma CENELEC EN 50170, um máximo de 4 Repetidores são permitidos entre duas estações quaisquer. Entretanto, dependendo do fabricante e das características técnicas do Repetidor, a utilização de uma quantidade maior de Repetidores é possível. Existem casos em que até 9 Repetidores são utilizados [MIT04].  Não se recomenda a utilização de um número maior de Repetidores devido aos atrasos que são embutidos na rede e o comprometimento do Slot Time, que consiste no tempo máximo que o Mestre irá esperar uma resposta do Escravo.

A Figura 2.1 mostra um exemplo de segmentação da rede PROFIBUS DP através da utilização de Repetidores. Nota-se a existência de 3 segmentos de rede PROFIBUS interligados por 2 Repetidores. É importante observar a existência de uma terminação nas extremidades de cada segmento de rede.

 
Figura 2.1: Exemplo de segmentação de uma rede PROFIBUS DP

3. Tamanho da Rede

O comprimento máximo do cabeamento RS-485 em um segmento de rede PROFIBUS depende da velocidade de transmissão. Em altas velocidades de transmissão, o sinal é atenuado mais rapidamente do que em velocidades mais baixas implicando, portanto, em um comprimento máximo menor para os segmentos de rede com velocidades maiores. Os Repetidores podem ser também utilizados nestes casos, permitindo ao projetista manter velocidades mais altas, mesmo em redes fisicamente maiores, através da segmentação da mesma.

A Tabela 3.1 mostra as distâncias máximas para um segmento de rede e para uma rede contendo 9 Repetidores, em diferentes velocidades de transmissão.

Tabela 3.1: Comprimento máximo para segmento e expansão em redes PROFIBUS utilizando RS-485[CAS07, MIT04]

Pela Tabela 3.1, segundo [CAS07] e [MIT04], a expansão máxima da rede PROFIBUS utilizando 9 Repetidores nas velocidades de 9,6 / 19,2 / 93,75, seria de 10 km. Entretanto, segundo [PRO98] e mesmo [CAS07], o cálculo para determinação da máxima distância entre duas estações em uma rede PROFIBUS é dada pela equação abaixo:

(3.1)

Onde,
- distância máxima entre duas estações em uma rede PROFIBUS em [m],
 - número de Repetidores conectados em série,
- comprimento máximo de um segmento de acordo com a velocidade de transmissão desejada em [m].

Portanto, para as velocidades de transmissão de 9,6 / 19,2 / 93,75 kbit/s e utilizando-se 9 Repetidores, é possível obter a seguinte distância máxima da rede:

= (9+1).1200 = 12000, ou seja, 12 km.

Por segurança, recomenda-se a utilização dos valores da Tabela 3.1. Na prática, permite-se uma margem de até 5% em relação aos comprimentos máximos presentes na Tabela 3.1, não havendo necessidade da compra de um Repetidor, quando a distância máxima estimada permanecer dentro destes limites [MIT04].
É importante salientar que as distâncias apresentadas acima consideram a utilização de cabo padrão PROFIBUS tipo A, cujas características são apresentadas na Tabela 3.2, a seguir.

Tabela 3.2: Parâmetros do cabo PROFIBUS tipo A [CAS06, PRO98, WEI03]

Na prática, são utilizados ainda os OLMs (Módulos de Link Ótico), para aplicações em ambientes com alta interferência eletromagnética (EMI), fornecendo isolação galvânica entre as estações ou entre os segmentos de rede em RS-485 através do uso de fibra ótica. A utilização de fibra ótica também possibilita a construção de topologias de redes mais complexas e permite um comprimento máximo do barramento com taxas de transmissão elevadas. Os OLMs são similares aos Repetidores utilizados em RS-485 e normalmente possuem dois canais para RS-485 e um ou dois canais para fibra ótica. Os OLMs podem ser conectados entre si através dos canais óticos, sendo os canais RS-485 utilizados para conexão com estações individuais ou segmentos de rede PROFIBUS.

4. Ramais ou Conexões T

 
Figura 4.1: Exemplo de ramal ou conexão T

A norma PROFIBUS permite a utilização de ramais ou conexões T (ver Figura 4.1) em um barramento principal em alguns casos. É importante salientar que este tipo de conexão não é recomendável, pois em determinadas condições é uma das causas de reflexão do sinal, prejudicando a transmissão de dados no segmento PROFIBUS. A recomendação é que se utilizem sempre Repetidores, quando existir a necessidade de derivações na linha principal.

A Tabela 4.1 mostra os comprimentos máximos para a linha principal e para os ramais em função da velocidade de transmissão. Como pode ser observado nesta tabela, o uso de ramais pode ser tolerado em baixas velocidades de transmissão, mas devem ser evitados completamente em velocidades acima de 500 kbit/s.

Tabela 4.1: Comprimento máximo da linha principal e ramais em redes PROFIBUS utilizando RS-48 [MIT04]

5. Reflexão de Sinal, Terminação e Conectores

Quando um sinal elétrico atravessa um condutor, cujo comprimento é da ordem de grandeza do comprimento de onda do sinal, qualquer descontinuidade elétrica como uma mudança de resistência, capacitância, ou particularmente o final do condutor, pode causar a ocorrência de reflexões. Este sinal refletido pode ser percebido em alguns casos como uma pequena ondulação sobre o sinal principal, mas muitas vezes pode corromper ou distorcer completamente o sinal original, perdendo-se a informação, especialmente em altas velocidades de comunicação. Em dispositivos certificados, o nível de reflexão é garantido para que não ultrapasse 500mV pico a pico [MIT04].
Para evitar as reflexões de sinal, devem ser utilizados resistores de terminação. Estes resistores são adicionados em paralelo entre as linhas de sinal RxD/TxD-POS e RxD/TxD-NEG, nas extremidades de cada segmento de rede. Os resistores de terminação em uma rede RS-485 buscam casar a impedância característica do cabo, que é dependente do seu diâmetro, distância entre os condutores, tipo de isolação, etc. Estes resistores ajudam absorver a energia do sinal e deste modo impedem a reflexão do mesmo no barramento. Eles possuem o valor de 220 Ohms.

Existem também os resistores de polarização que são utilizados para manter as linhas de sinal RxD/TxD-POS e RxD/TxD-NEG no estado inativo, quando nenhum transmissor está ativo na linha. No PROFIBUS, um dos resistores de polarização é conectado entre a linha de sinal RxD/TxD-POS e a tensão +5Vcc (VP), enquanto que o outro resistor é conectado entre a linha de sinal RxD/TxD-NEG e o terra (DGND). Manter as linhas de sinal no estado inativo impede a recepção de falsos Start Bits pelos receptores, evitando deste modo, a recepção de falsas mensagens. Estes resistores possuem o valor de 390 Ohms.

O diagrama de conexão dos resistores de terminação e de polarização pode ser visualizado na Figura 5.1, a seguir.

 
Figura 5.1: Resistores de terminação e de polarização no PROFIBUS

Dependendo do fabricante, alguns modelos de conectores de rede PROFIBUS já contêm os resistores de terminação e de polarização. Estes resistores são habilitados através de chave seletora existente no próprio conector. A Figura 5.2 mostra uma terminação em um conector PROFIBUS padrão.

 
Figura 5.2: Terminação em um conector PROFIBUS

É importante ressaltar que as terminações devem estar habilitadas nas extremidades do segmento e devem ser apenas duas. Caso sejam adicionados mais do que dois resistores de terminação em paralelo, a resistência de terminação efetiva é diminuída. Com vários resistores de terminação habilitados em paralelo, as linhas de sinal RxD/TxD-POS e RxD/TxD-NEG muitas vezes parecem estar em curto-circuito. Os conectores PROFIBUS modernos evitam a conexão de vários resistores de terminação no mesmo segmento de rede, pois interrompem a rede no ponto em que a resistência de terminação está habilitada. Neste caso, o conector apresenta pontos distintos para conexão do cabo que “chega” e do cabo que “sai”. Quando a terminação é habilitada, o cabo que “sai” do conector é eletricamente desconectado do barramento. Um conector deste tipo pode ser observado na Figura 5.2.

Outro ponto importante a ser destacado é que as terminações habilitadas nas extremidades do segmento de rede devem estar conectadas a estações que estejam sempre energizadas. Isto é extremamente importante, pois estas estações fornecem os sinais +5Vcc (VP) e terra (DGND) para o circuito dos resistores de polarização e de terminação existente nos conectores PROFIBUS. Caso a estação não forneça esta alimentação, o circuito dos resistores não ficará completamente ativo e erros no barramento poderão ocorrer. Por isto, é recomendável evitar sempre a utilização de estações baseadas em computadores como último dispositivo de rede, pois durante qualquer reinicialização do mesmo, os sinais de +5Vcc e terra existentes no conector ficarão desabilitados e poderão causar falhas na comunicação.

Para sanar o problema descrito acima, existem também terminações de barramento que funcionam de modo independente, ou seja, sem estar conectadas a uma estação (Active Termination Box, também conhecida como Terminação Ativa). Estas terminações são geralmente alimentadas em 24Vcc e contêm os resistores de polarização e de terminação, um circuito para fornecimento de +5Vcc e conexões para terra. Este dispositivo não é considerado uma estação da rede PROFIBUS, e deve ser utilizado em instalações onde todas estações possam ser desenergizadas, inclusive as estações localizadas nas extremidades do segmento de rede, o que prejudicaria o funcionamento do circuito dos resistores, caso fossem utilizados apenas conectores PROFIBUS. A utilização de Terminação Ativa é particularmente importante no projeto de CCMs Inteligentes utilizando a rede PROFIBUS DP.

Os conectores PROFIBUS utilizados para velocidades de transmissão acima de 1500 kbit/s contêm ainda indutores nas linhas de sinal, para compensar a capacitância do dispositivo e minimizar o nível de reflexão. A grande maioria dos fabricantes já inclui estes indutores em todos os conectores PROFIBUS, entretanto, existem alguns fornecedores que ainda produzem modelos diferenciados para velocidades de transmissão acima de 1500 kbit/s. Portanto, é importante estar sempre atento na utilização de conectores PROFIBUS em redes que irão trabalhar com velocidades mais de altas de transmissão.

6. Disposição dos Cabos

Existem algumas regras básicas que devem ser seguidas pelos projetistas para definição do trajeto percorrido por cabos PROFIBUS. Algumas regras são apresentadas a seguir.

A Tabela 6.1 apresenta o espaçamento mínimo recomendado entre cabos PROFIBUS e outros tipos de cabos, quando não se está utilizando eletrodutos ou canaletas metálicas para separação dos mesmos. Pela Tabela 6.1, pode-se observar que cabos para redes de comunicação, periféricos de computadores, entradas e saídas analógicas, e tensões abaixo de 60Vcc ou abaixo de 25Vca, podem percorrer o mesmo trajeto do cabo PROFIBUS. Demais cargas exigem uma separação mínima que varia de 100 a 500 mm.

Tabela 6.1: Distâncias de separação entre cabo PROFIBUS e outros tipos de cabos [CAS07, MIT04]

A Tabela 6.2 mostra a definição do espaçamento mínimo entre cabos, conforme norma CENELEC EN 50174.

As seguintes recomendações também devem ser observadas na definição da disposição dos cabos em redes PROFIBUS [MIT04, PRO06]:

• Deve-se evitar o cruzamento de cabos. Caso seja necessário, fazê-lo perpendicularmente (ângulo de 90º entre os cabos que cruzam) para diminuir a possibilidade de acoplamento indutivo.
• Se o espaço é insuficiente para manter o espaçamento requerido conforme Tabela 6.1, então os cabos devem ser encaminhados em canaletas metálicas separadas. Cada canaleta metálica deverá conter apenas cabos da mesma categoria (mesmo nível de tensão).
• Para instalações externas, é recomendável a utilização de cabos de fibra ótica, pois permitem maior imunidade às interferências eletromagnéticas (EMI), isolação elétrica e maiores distâncias.
• Conforme já mencionado anteriormente, as linhas de dados do PROFIBUS são designadas A e B. Apesar de não existir nenhuma obrigatoriedade, na prática tem-se adotado utilizar o condutor verde para linha de dados A e o condutor vermelho para linha de dados B. E para facilitar a manutenção do sistema, é conveniente que se utilize as linhas A e B de forma continuada ao longo de toda rede PROFIBUS, evitando-se inversões.
• Caso sejam utilizados dispositivos PROFIBUS não certificados, é recomendável deixar pelo menos um metro de cabo entre os dispositivos. Quando o dispositivo não é certificado, pode gerar um nível de reflexão acima do permitido e o cabo maior ajuda na atenuação desta reflexão. Ainda segundo [MIT04], é recomendável a utilização de pelo menos um metro de cabo entre dispositivos PROFIBUS, em qualquer caso, se a rede for funcionar em 12 Mbit/s.

Tabela 6.2: Espaçamento mínimo para cabos, conforme EN 50174 [PRO06]

7. Blindagem e Aterramento

O cabo PROFIBUS possui uma blindagem constituída por uma malha e por uma lâmina de alumínio. Esta blindagem deve ser conectada ao terra funcional do sistema e deve permitir uma ampla área de conexão com a superfície condutiva aterrada. Entretanto, o modo como este aterramento é realizado depende de alguns fatores, sendo que existe ainda muita controvérsia sobre este tema.

A recomendação básica é que a blindagem do cabo seja aterrada em ambas extremidades do segmento de rede, para permitir um caminho de baixa impedância para os sinais de alta freqüência, bem como fornecer uma referência de terra para fonte de alimentação +5Vcc do padrão RS-485.

Entretanto, na configuração proposta acima, pode ocorrer a passagem de corrente pela blindagem (loop de corrente), caso exista uma significativa diferença de potencial entre os dois pontos de aterramento, localizados nas extremidades do segmento de rede. Neste caso, recomenda-se a utilização de um condutor para equalização do potencial (cabo AWG 10 ou 12) que interligará os dois pontos de aterramento e minimizará a passagem de corrente através da blindagem. A própria canaleta metálica responsável pelo trajeto do cabo PROFIBUS pode ser utilizado como um pseudocondutor de equalização (ou linha de equipotencial), sendo interligada aos pontos de aterramento [MIT04]. A Figura 7.1 mostra um exemplo de conexão de uma linha de equipotencial [PRO98, PRO06].

 
Figura 7.1: Exemplo de linha de equipotencial

Uma outra possibilidade de aterramento leva em consideração que o conector PROFIBUS possui em sua carcaça uma parte metálica para contato com a blindagem do cabo. A carcaça do conector, por sua vez, também faz contato com a carcaça do dispositivo PROFIBUS, que está aterrado na estrutura do painel elétrico, fechando o circuito. Nestes casos, é recomendável verificar na documentação técnica do dispositivo PROFIBUS, a melhor opção para o seu aterramento.

Pode-se adotar ainda uma opção híbrida para o aterramento, ou seja, a combinação de múltiplos pontos de aterramento para as estações que estão relativamente próximas e o uso de condutores para equalização de potencial para os pontos de aterramento que apresentam diferença de potencial significativa.

 Quando nenhuma das opções anteriormente recomendadas pode ser utilizada, então o aterramento em apenas uma das extremidades do segmento de rede deve ser implementado. A blindagem do lado do segmento de rede que não foi aterrada deve ser protegida contra contatos acidentais, pois apresenta risco potencial de choque [MIT04].

Entretanto, a melhor opção para evitar as conseqüências da existência de diferença de potencial entre os pontos de aterramento é a utilização de cabos de fibra ótica. Na prática, utiliza-se a fibra ótica como um barramento principal (backbone) para interconectar vários grupos de dispositivos conectados em RS-485, através da utilização de OLMs. A Figura 7.2 mostra um exemplo de configuração em anel utilizando OLMs para a interconexão de estações individuais ou segmentos de rede PROFIBUS.

 
Figura 7.2: Exemplo de configuração em anel utilizando OLMs

8. Conclusões - Diretrizes Gerais para Instalação

Em função do que foi apresentado nos itens anteriores deste trabalho, pode-se então destacar as seguintes diretrizes gerais para instalação de uma rede PROFIBUS DP:

• Utilizar sempre cabos e conectores PROFIBUS.
• Não exceder 32 dispositivos por segmento de rede, incluindo Repetidores, OLMs e Acopladores.
• Não ultrapassar a quantidade máxima de Repetidores permitidos pelo fabricante (de 4 a 9 Repetidores).
• Respeitar o comprimento máximo do segmento de rede em função da velocidade de transmissão escolhida.
• Garantir que existirão somente duas terminações habilitadas no segmento de rede, uma em cada extremidade, e que estas terminações estarão sempre energizadas.
• Evitar ramais ou conexões T. Quando necessário utilizar Repetidores.
• Adotar a linha de dados A como condutor verde e a linha B como condutor vermelho. Evitar a inversão destes condutores em todo trajeto da rede PROFIBUS, mantendo esta nomenclatura ao longo de todo cabeamento.
• Separar o cabo PROFIBUS das fontes de ruídos, respeitando a distância mínima recomendável, ou através da utilização de canaletas metálicas separadas.
• Evitar o cruzamento de cabos. Caso seja necessário, fazê-lo perpendicularmente para diminuir a possibilidade de acoplamento indutivo.
• Para os casos onde existam problemas com distâncias, ou aterramento, ou alta susceptibilidade a ruídos, é recomendável a utilização de cabos de fibra ótica.
• Verificar sempre na documentação técnica do dispositivo PROFIBUS a ser utilizado, a melhor opção para o seu aterramento.
• Dedicar especial atenção aos dispositivos PROFIBUS não certificados e aos conectores PROFIBUS no caso de velocidades de transmissão acima de 1500 kbit/s.
• Manter sempre atualizado nos desenhos de projeto, o comprimento real dos segmentos da rede PROFIBUS, evitando problemas em futuras expansões da rede. 

9. Referências Bibliográficas

• [CAS06] CASSIOLATO, César; TORRES, Leandro H.B.; CAMARGO, Paulo R. PROFIBUS – Descrição Técnica. Associação PROFIBUS Brasil, São Paulo, 2006.
• [CAS07] CASSIOLATO, César; TORRE, Ana C.D. Uma Visão de PROFIBUS, desde a Instalação até a Configuração Básica – Parte 2. Revista Controle & Instrumentação – C&I, São Paulo, n.130, p.92-97, Agosto 2007.
• [MIT04] MITCHELL, Ronald W. PROFIBUS – A Pocket Guide. Research Triangle Park: ISA – The Instrumentation, Systems and Automation Society, 2004.
• [PRO98] PROFIBUS User Organization – PNO. PROFIBUS – Technical Guideline – Installation Guideline for PROFIBUS DP/FMS. Karlsruhe: PROFIBUS Nutzerorganisation e.V., 1998.
• [PRO06] PROFIBUS International – PI. PROFIBUS – Installation Guideline for Cabling and Assembly. Karlsruhe: PROFIBUS Nutzerorganisation e.V., 2006.
• [SIL08] SILVA, Wladimir. Métodos para Diagnóstico de Falhas e Avaliação de Desempenho em Redes PROFIBUS DP. Monografia (Especialização em Automação Industrial) – Escola de Engenharia, UFMG, Belo Horizonte, 2008.
• [WEI03] WEIGMANN, Josef; KILIAN, Gerhard. Decentralization with PROFIBUS DP/DPV1 – Architecture and Fundamentals, Configuration and Use with SIMATIC S7. Erlangen: Publicis Corporate Publishing, 2003.