Uma visão de Profibus, desde a instalação até a configuração básica – Parte 4

César Cassiolato, Diretor de Marketing, Qualidade e Assistência Técnica da SMAR Equipamentos Industriais Ltda e Ana Cecília Della Torre, Engenheira Eletricista  da SMAR Equipamentos Industriais Ltda.

Introdução
É notório o crescimento do Profibus em nível mundial e, principalmente, no Brasil. Decidimos escrever este artigo, detalhando desde a instalação até a configuração básica, pois temos visto na prática muita instalação de forma inadequada, assim como erros básicos na configuração básica que têm estendido o tempo de comissionamento e startup e, conseqüentemente, gerado uma degradação da qualidade da performance da rede. Dividimos este artigo, pela sua extensão e abrangência em seis partes. Esta é a quarta parte.

Profibus
O PROFIBUS é um padrão de rede de campo aberto e independente de fornecedores, onde a interface entre eles permite uma ampla aplicação em processos e manufatura. Esse padrão é garantido segundo as normas EN 50170 e EN 50254, além da IEC 611158-2 no caso do PROFIBUS PA.

O PROFIBUS DP é a solução de alta velocidade (high-speed) do PROFIBUS. Seu desenvolvimento foi otimizado especialmente para comunicações entre os sistemas de automação e equipamentos descentralizados, voltada para sistemas de controle, onde se destaca o acesso aos dispositivos de I/O distribuídos.

O PROFIBUS DP utiliza a RS485 como meio físico ou a fibra ótica em ambientes com susceptibilidade a ruídos ou que necessitem de cobertura a grandes distâncias.

O PROFIBUS PA é a solução PROFIBUS que atende aos requisitos da automação de processos, onde se tem a conexão em processos com equipamentos de campo, tais como: transmissores de pressão, temperatura, conversores, posicionadores, etc. Esta rede pode ser usada em substituição ao padrão 4 a 20 mA.

Existem vantagens potenciais da utilização dessa tecnologia, onde resumidamente destacam-se as vantagens funcionais (transmissão de informações confiáveis, tratamento de statusdas variáveis, sistema de segurança em caso de falha, equipamentos com capacidades de autodiagnose, rangeabilidade dos equipamentos, alta resolução nas medições, integração com controle discreto em alta velocidade, aplicações em qualquer segmento, etc.). Além dos benefícios econômicos pertinentes às instalações (redução de até 40% em alguns casos em relação aos sistemas convencionais), custos de manutenção (redução de até 25% em alguns casos em relação aos sistemas convencionais) e menor tempo de startup, oferece um aumento significativo em funcionalidade, disponibilidade e segurança.

PROFIBUS PA permite a medição e controle por um barramento a dois fios. Também permite alimentar os equipamentos de campo e aplicações em áreas intrinsecamente seguras, bem como a manutenção e a conexão/desconexão de equipamentos até mesmo durante a operação, sem interferir em outras estações em áreas potencialmente explosivas. O PROFIBUS PA foi desenvolvido em cooperação com os usuários da Indústria de Controle e Processo (NAMUR), satisfazendo as exigências especiais dessa área de aplicação:

• O perfil original da aplicação para a automação do processo e interoperabilidade dos equipamentos de campo dos diferentes fabricantes;
• Adição e remoção de estações de barramentos mesmo em áreas intrinsecamente seguras sem influência para outras estações;
• Uma comunicação transparente através dos acopladores do segmento entre o barramento de automação do processo (PROFIBUS PA) e do barramento de automação industrial (PROFIBUS-DP);
• Alimentação e transmissão de dados sobre o mesmo par de fios baseado na tecnologia IEC 61158-2;
• Uso em áreas potencialmente explosivas, intrinsecamente segura.

A conexão dos transmissores, conversores e posicionadores em uma rede PROFIBUS DP é feita por um coupler DP/PA. O par trançado a dois fios é utilizado na alimentação e na comunicação de dados para cada equipamento, facilitando a instalação e resultando em baixo custo de hardware, menor tempo para startup, manutenção livre de problemas, baixo custo do softwarede engenharia e alta confiança na operação.

O protocolo de comunicação PROFIBUS PA utiliza o mesmo protocolo de comunicação PROFIBUS DP, onde os serviços de comunicação e telegramas são idênticos. Na verdade, o PROFIBUS PA = PROFIBUS DP - protocolo de comunicação + serviços acíclico estendido + IEC 61158, também conhecida como nível H1.

O Profibus permite uma integração uniforme e completa entre todos os níveis da automação e as diversas áreas de uma planta. Isto significa que a integração de todas as áreas da planta pode ser realizada com um protocolo de comunicação que usa diferentes variações.

No nível de campo, a periferia distribuída, tais como: módulos de E/S, transdutores, acionamentos (drives), válvulas e painéis de operação, trabalham em sistemas de automação, através de um eficiente sistema de comunicação em tempo real, o PROFIBUS DP ou PA. A transmissão de dados do processo é efetuada ciclicamente, enquanto alarmes, parâmetros e diagnósticos são transmitidos somente quando necessário, de maneira acíclica.

Este artigo apresenta detalhes de instalações em PROFIBUS-DP e PROFIBUS-PA.

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 tem 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 do 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.

Dando continuidade à quarta parte, temos:

Topologias
Em termos de topologia, têm-se as seguintes possibilidades: Estrela (Figura 1.1), Barramento (Figura 1.2) e Ponto-a-ponto (Figura 1.3). Na prática, normalmente tem-se uma topologia mista.

Vale lembrar que estes exemplos são para uma rede PROFIBUS PA.

Figura 1.1 – Topologia Estrela

Figura 1.2 – Topologia Barramento

Figura 1.3 – Topologia Ponto-a-Ponto

Repetidores
Na rede PROFIBUS PA pode-se ter até 4 repetidores. Estes são usados sempre que se precisa aumentar a quantidade de equipamentos ou reforçar níveis de sinais que foram atenuados com a distância de cabeamento ou mesmo expandir o cabeamento até 9500m.

Certifique-se da quantidade de repetidores, suas alimentações e terminadores no final do segmento (início do repetidor) e na saída do repetidor. Sempre que se tem um repetidor é como se houvesse uma nova rede com as mesmas regras vistas anteriormente.

Supressor de Transientes
Toda vez que se tiver uma distância efetiva maior que 100m na horizontal ou 10m na vertical entre dois pontos aterrados, recomenda-se o uso de protetores de transientes, no ponto inicial e final da distância. Na prática, na horizontal, entre 50 e 100m recomenda-se o seu uso.
É indicado instalar o protetor de transiente imediatamente após o coupler DP/PA, antes de cada equipamento e mesmo na caixa de junção. Em áreas classificadas, deve-se usar protetores certificados. Veja figura 1.4.

Figura 1.4 – Distância Efetiva em uma Distribuição de Cabo

Fonte de Alimentação e Sinal de Comunicação
O consumo de energia varia de um equipamento para outro, assim como de fabricante para fabricante. Por exemplo, todos os equipamentos PROFIBUS PA da Smar têm o mesmo consumo de corrente (12mA). É importante que a resistência do cabeamento não seja muito alta, a fim de não gerar uma queda de tensão e se ter níveis baixos de alimentação no equipamento mais distante do coupler DP/PA. Para manter a resistência baixa é preciso fazer boas conexões e junções.
Em termos de sinal de alimentação considera-se como valores aceitáveis:

• 12 a 32 Vdc na saída do coupler DP/PA, dependendo do fabricante do coupler.
• Ripple, r (mV) ideal:
• < 25: excelente
• 25<r<50: ok
• 50<r<100: marginal
• >100: não aceitável

Em termos de sinal de comunicação considera-se como valores aceitáveis:

• 750 a 1000 mVpp – ok
• 1000 mVpp – Muito alto, pode ser que tem um terminador a menos
• Algumas barreiras e protetores de segmento (spur guard ou segment protector) possuem uma alta impedância em série e podem resultar em sinais até 2000 mV e podem permitir a operação adequada.
• < 250 mVpp – Muito baixo, verificar se tem mais de 02 terminadores ativos, fonte de alimentação, coupler DP/PA, etc.

Alguns equipamentos têm polaridade, outros não; por isso é muito importante assegurar a correta ligação no barramento. Todos os equipamentos estão conectados em paralelo.

Acopladores DP/PA (Coupler DP/PA)
O acoplador DP/PA é usado para converter as características físicas do barramento PROFIBUS DP e PROFIBUS PA, pois existe a necessidade de conversão de meio físico (RS485/fibra óptica) para IEC61158-2 (H1), onde as velocidades de comunicação são diferentes.
O coupler DP/PA está disponível também para aplicações que exigem segurança em áreas classificadas.

O coupler DP/PA é transparente, isto é, não possui endereço no barramento. Os equipamentos de campo conectados são endereçados ou acessados diretamente do controlador programável ou do sistema de automação. No mercado, existem alguns fornecedores, sendo os mais comuns Pepperl+Fuchs com 93.75 kbits/s e Siemens, com 45.45 kbits no lado do PROFIBUS DP. A Pepperl+Fuchs disponibiliza seus modelos de alta velocidade no DP, os chamados High Speed Couplers onde se pode chegar a 12 Mbits/s, sendo estes: SK2 e Sk3, onde a Pepperl+Fuchs disponibiliza em seu siteum aplicativo para que se converta os arquivos GSDs dos escravos em um formato adequado a estes couplers:

http://www.pepperl-fuchs.com/selector/navi/productInfo/18/1830112c.zip

A Tabela 1.1 apresenta detalhes de alguns modelos de couplers. Para mais detalhes e últimas versões consulte os fabricantes.

Tabela 1.1 – Características de acopladores DP/PA.

Tabela 1.2 – Características de Acopladores DP/PA - Pepperl+Fuchs (Para mais detalhes consulte o manuais da P+F).

Tabela 1.3 - Detalhe de Certificação do coupler Conforme a Classificação de Área.

Os equipamentos de campo no PROFIBUS PA podem ser conectados ao PROFIBUS DP também por um linkDP/PA. O linkDP/PA é usado para redes extensas, e neste caso, mais que um linkDP/PA pode ser conectado a uma linha PROFIBUS DP dependendo da complexidade da rede e das exigências do tempo de processamento. O linkDP/PA atua como um escravo no PROFIBUS DP e como um mestre no PROFIBUS PA, desacoplando todos os dados de comunicação na rede. Isto significa que o PROFIBUS DP e o PROFIBUS PA podem ser combinados sem influenciar no desempenho do processo PROFIBUS DP. O linkDP/PA pode ser operado em todos os padrões mestres PROFIBUS DP e a capacidade de endereçamento do sistema é aumentada consideravelmente, mas o linkDP/PA reserva somente um endereço do PROFIBUS DP. Os escravos conectados ao linkDP/PA têm o seu endereçamento iniciado como se fosse uma rede nova, por isto que é usado quando se deseja expandir o endereçamento.

A Siemens tem um linkDP/PA que consiste do IM 157. Este linktrabalha no lado PA em 31.25kbits/s e no lado do DP de 9.6kbits/s a 12Mbits/s. O próprio linkconsiste de um módulo de interface com até cinco acopladores DP/PA, versão intrinsecamente segura, ou até dois acopladores DP/PA, versão não segura. O IM 157 e cada um dos acopladores devem ser alimentados com 24Vdc. O número máximo de equipamentos de campo por linké limitado a 30 ou 64 equipamentos, mas isto depende do modelo e da quantidade de bytestrocados ciclicamente.Para maiores detalhes, consulte o manual da Siemens.

Um ponto importante que deve ser levado em conta é que no arquivo GSD do linkIM157 deve ser acrescido os dados cíclicos de cada equipamento, onde as áreas de início e fim devem ser demarcadas, como segue:

É necessário verificar se no arquivo GSD do DP/PA - LinkIM157 inclui os módulos do equipamento PA, como por exemplo, veja os equipamentos da Smar. Se eles não estiverem incluídos, adicioná-los:

===============================================
Module = "==SMAR device beginning " 0x01,0xfc
270
EndModule
Module = " ==Analog Input " 0x94
271
EndModule
Module = "==Totalizer " 0x41, 0x84, 0x85
272
EndModule
Module = "==SP " 0xA4
273
EndModule
Module = "==RCAS_OUT, RCAS_IN " 0xB4
274
EndModule
Module = "==READBACK + POS_D,SP----Part1" 0x96
275
EndModule
Module = "==READBACK + POS_D,SP----Part2" 0xA4
276
EndModule
Module = "==CHECKBACK,SP -Part1" 0x92
277
EndModule
Module = "==CHECKBACK,SP -Part2" 0xA4
278
EndModule
Module = "==READBK+POS_D+CHKBK,SP--Part1" 0x99
279
EndModule
Module = "==READBK+POS_D+CHKBK,SP--Part2" 0xA4
280
EndModule
Module = "==RCAS_OUT+CHKBK,RCAS_IN-Part1" 0x97
281
EndModule
Module = "==RCAS_OUT+CHKBK,RCAS_IN-Part2" 0xA4
282
EndModule
Module = "==RB+RC_OUT+POS_D+CB,SP+RC_IN1" 0x9E
283
EndModule
Module = "==RB+RC_OUT+POS_D+CB,SP+RC_IN2" 0xA9
284
EndModule
Module = "== Empty Module " 0x00
285
EndModule
Module = "==SMAR device end " 0x01,0xfd
286
EndModule;
===============================================

Mestre DP-V1 com canais PA
A Smar possui dois modelos de mestres DP-V1 com a opção de canais PA. Estes mestres proporcionam a melhor relação custo/benefício do mercado:
- DF95:

•  1 Controlador DP-V1
•  1 canal Profibus DP
•  4 canais Profibus PA
•  Possibilidade do Baud Rate até 12Mbps na rede Profibus DP

- DF97:

•  1 Controlador DP-V1
•  1 canal Profibus DP
•  2 canais Profibus PA
•  Possibilidade do Baud Rate até 12Mbps na rede Profibus DP

Figura 1.5 – Mestre Smar DP-V1 com 4 canais Profibus PA

Conclusão
Vimos neste artigo vários detalhes importantes. Na próxima parte veremos mais detalhes de instalação e configuração básica.
Vale a pena lembrar que o sucesso de toda rede de comunicação está intimamente ligada à qualidade das instalações.
Sempre consulte as normas.

O seu tempo de comissionamento, startup e seus resultados podem estar comprometidos com a qualidade dos serviços de instalações. Como cliente, contrate serviços de empresas que conheçam e dominam a tecnologia Profibus e que façam instalações profissionais e de acordo com o padrão Profibus.

Referências

• Manuais Smar Profibus
• www.smar.com.br
• Material de Treinamento em Profibus - César Cassiolato
• Especificações técnicas Profibus.