César Cassiolato, Diretor de Marketing, Qualidade e AssistênciaTécnica da SMAR Equipamentos Industriais Ltda e Ana Cecília Della Torre, Engenheira Eletricista da SMAR Equipamentos Industriais Ltda.
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 sexta e última parte.
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 status das 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 destartup, oferece um aumento significativo em funcionalidade, disponibilidade e segurança.
O 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:
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 dehardware, menor tempo para startup, manutenção livre de problemas, baixo custo do software de engenharia e alta confiança na operação.
O protocolo de comunicação PROFIBUS PA utiliza o mesmo protocolo de comunicação PROFIBUS DP, onde o serviço 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 voltagem 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 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.
Dando continuidade à quinta parte, temos:
Um mestre Profibus DPV1 como, por exemplo, o DF73 da SMAR, suporta taxas de comunicação até 12 Mbits/s, onde esta taxa deve ser selecionada de acordo com a velocidade do equipamento mais lento na rede DP.
Quando se tem o PROFIBUS PA, deve-se atentar aos tipos de couplers, pois alguns possuem taxas de velocidade menores:
Coupler |
Siemens |
P+ F (versões antes de 2/12/98) |
P+ F (versões posteriores a 2/12/98) |
Slot Time |
640 |
10000 |
4095 |
Max. Station Delay Time |
400 |
1000 |
1000 |
Min. Station Delay Time |
11 |
255 |
22 |
Setup time |
95 |
255 |
150 |
Gap Actualization factor |
1 |
1 |
1 |
Max. Retry Limit |
3 |
3 |
3 |
Target Rotation Time (TTR, it should be set in all masters) |
TTR calculado pelo mestre + 20000 bit times |
Tabela 1.1 – Parâmetros de Barramento para o DF73 da SMAR
Para outros mestres, consultar o manual do fabricante.
Os parâmetros de barramento do PROFIBUS são comumente dados em “bit times (TBIT)”. Esta é a unidade que é mostrada tipicamente nos arquivos GSD e nas ferramentas de configuração, etc.
O Target Token Rotation Time (TTR) é dado em bit times e normalmente é calculado pelas ferramentas de configuração. É o tempo para se passar otoken por toda a rede e retorna ao seu mestre inicial. Quando se tem múltiplos mestres, isto inclui o tempo total para cada mestre completar seu ciclo de I/O, passar o token ao próximo mestre e este retornar ao mestre inicial. Alguns fatores influenciam diretamente o TTR: o baud rate, o número de escravos com troca de dados cíclicos, o número total de I/Os durante a troca de dados e o número de mestres.
Um parâmetro diretamente influenciado pelo TTR é o watchdog time. Este é o tempo descarregado na configuração de cada escravo e que será usado pelo escravo para detectar falhas de comunicação. A cada falha detectada com a expiração do time, o escravo vai ao estado de reset e com isto nenhuma troca de dados cíclica é permitida e deverá ser inicializado pelo mestre. Este procedimento levará pelo menos 4 ciclos de barramento. É comum, porém não recomendado, se ver na prática usuários reduzindo o tempo de TTR e com isto se tem watchdog timemuito pequeno, o que faz com que no final do tempo de barramento sempre se tem a expiração do time do escravo e sempre o escravo levará 4 ciclos para trocar dados novamente e a performance da rede fica comprometida.
Figura 1.2 – Parametrização do Barramento
Se um escravo detecta um erro de transmissão ao receber um pedido do mestre, ele simplesmente não responde e depois de esperar um slot time, o mestre enviará novamente o pedido (retry). Da mesma forma, se o mestre detectar uma falha na resposta do escravo, também enviará novamente o pedido. O número de vezes que o mestre tentará sucesso na comunicação com o escravo dependerá da taxa de comunicação, sendo:
Após esgotar todos os retries, o mestre marca o escravo, indicando um problema e realiza o logout. Nos ciclos subseqüentes, se o mestre consegue sucesso, ele realiza a seqüência do startup novamente (4 ciclos para trocar dados novamente).
É comum, por exemplo, em redes onde não se tem uma comunicação íntegra devido ao nível de ruído ou devido a uma má condição de shield e de aterramento aumentar o número de retries, até que se corrija o problema. Outra situação em que se procura aumentar este número é quando há mais de 9 repetidores. A utilização de repetidores provoca congestionamento de tráfego (atrasos crescentes nas filas) e com o objetivo de resolver esse problema, é proposto um mecanismo inovador de inserção de tempos mortos (idle time) entre transações, recorrendo para o efeito à utilização dos dois temporizadores Idle Time do Profibus.
Existem situações quando se tem múltiplos mestres de um mesmo fabricante e ainda utilizando ferramentas deste mesmo fabricante. Neste caso, na maioria das vezes o tempo de rotação do token (TTR) é otimizado pela própria ferramenta, de tal forma a garantir o perfeito funcionamento da rede. Existe outra situação onde os mestres são de diferentes fabricantes e a ferramenta não calcula automaticamente o TTRe, neste caso, o que se deve fazer é levantar para cada mestre o perfeitoTTR isoladamente e depois somar os tempos determinados para ter o TTRde ambos os mestres ao mesmo tempo.
Ainda na Figura 1.2 têm-se os seguintes parâmetros importantes:
A característica de watchdog pode ser configurada no Profibus com a intenção de monitorar ciclicamente a troca de dados cíclicos com os escravos. Este tempo é monitorado pelo escravo e é ativado sempre que a última comunicação cíclica expira. Após o tempo decorrido do watchdogtime, as saídas vão para um estado seguro e o escravo entra no modoWait_prm. O valor deste tempo pode variar de acordo com o usuário, mas seu valor mínimo é um tempo de ciclo (Cycle time).
Para a maioria das ferramentas de configuração, este valor é calculado em função da taxa de comunicação e dos tempos anteriormente comentados. O que se recomenda na prática é que este valor não seja tão longo, de forma que leve muito tempo para as saídas irem para um estado seguro ou mesmo muito curto que em qualquer situação leve as mesmas aos estados seguros, mesmo sem o mestre falhar.
Normalmente, quando se tem 12 Mbits/s no PROFIBUS DP e há o PROFIBUS PA, utiliza-se um fator de 300.
Dica: Quando se utiliza o SK2 da P+ F, recomenda-se o uso de TWD = 5s.
O não deve ser maior do que o maior tempo de atraso que ocorrerá:
Onde
: Tempo de ciclo no Profibus DP;
: Tempo de ciclo no Profibus PA.
A P+F recomenda três vezes o tempo de ciclo do Profibus PA para o SK2. O tempo de ciclo do PA depende do número de equipamentos no canal, assim como da quantidade efetiva de bytes trocada pelos escravos com o mestre DP no canal:
- LΣ: Total de bytes de entrada de todos os devices + total de bytes de saída de todos os devices/N;
- N: Número total de devices.
=
Para mais detalhes consulte o manual do SK2.
=
Quando se tem mais de um segmento, deve-se considerar a soma de todos os tempos de ciclos por segmento.
O tempo de reposta em um sistema PROFIBUS DP é essencialmente dependente dos seguintes fatores:
: Soma de todos os tempos de ciclos + Tempo de ciclo do PLC + Tempo de transmissão do PROFIBUS DP
Quando se utiliza o SK2, o tempo total de ciclo pode ser reduzido.
Como exemplo, tem-se um coupler da Siemens ou o SK1 da P+F e 10 equipamentos de entrada (tempo de resposta 10ms cada um) e que o PLC tenha um tempo de ciclo de 100ms, então:
Neste caso ainda entra o tempo de transmissão do PROFIBUS DP
Considera-se agora o coupler SK2. Para este coupler vale:
Onde
=
Onde
: Número total de equipamentos PA;
: Número total de equipamentos PA e DP;
: Número total de bytesde entrada de todos os equipamentos PA no canal;
: Número total de bytes de saída de todos os equipamentos PA no canal;
: Número total de bytes de entrada de todos os equipamentos PA e DP;
: Número total de bytes de saída de todos os equipamentos PA e DP;
: Bit time / (baude rate).
NOTAS |
- Um valor de segurança de 10% é somado ao . |
Para o link DP/PA da Siemens, considera-se:
≥ 10 ms x número de equipamentos PA + 10 ms (serviços acíclicos mestre classe 2) + 2.0 ms (para cada conjunto de 5 bytes de valores cíclicos).
Figura 1.3 – Tempo de ciclo com o link DP/PA
Os Equipamentos Profibus podem ser conectados ou removidos de uma rede Profibus em operação. Ao remover um equipamento assegure-se que os fios Profibus não estão curto-circuitados ou entrem em contato com outros fios, blindagem ou aterramento. Não podem ser misturados equipamentos Profibus com velocidades diferentes de comunicação na mesma rede. Equipamentos alimentados ou não pelo barramento podem ser misturados e compartilhados na mesma rede. Não se deve conectar equipamentos que não sejam Profibus à rede. Indicadores do tipo analógico com bobinas, etc. podem afetar a comunicação. A impedância alta DVMs pode ser usada para troubleshooting, etc.
Ao receber o equipamento, desempacote-o e conecte-o a fonte de alimentação e verifique se a configuração do seu endereço está de acordo com a aplicação usando o procedimento de ajuste local ou durante a inicialização quando é mostrado o seu endereço num tempo curto.
O usuário pode mudar o endereço físico de um equipamento fieldbus em uma rede operacional sem desconectá-lo.
O endereço 126 é o endereço default (padrão) para todos os equipamentos.
Usando ferramentas de configuração, como o ProfibusView da SMAR, o usuário pode mudar o endereço do equipamento e configurá-lo para umdefault genérico igual 126.
Sistema |
Master |
Software de Configuração Profibus |
Software de Programação do Sistema |
swap |
SMAR – SYSTEM302-7 |
DF73 |
NetConf, ProfibusView |
Syscon |
Não |
Siemens |
S5...séries |
COM PROFIBUS |
Step 5 |
Não |
Allen Bradley |
PLC-5 |
SST PROFIBUS |
RS Logix-5 |
Sim |
Schneider |
TSX Premium |
Sycon Hilscher |
PL7 Pro |
Sim |
Schneider e Quantum |
Modicon Quantum |
Sycon |
Concept |
Sim |
Klockner-Moller |
PS 416 |
CFG-DP |
S 40 |
Sim |
ABB Free Lance |
AC B00 F |
Control Builder F |
Control Builder F |
Não |
Bosch |
ZS 401 |
Win DP |
Win SPS |
Sim |
Tabela 1.1 – Sistemas Profibus e condição de swap de Bytes
A Tabela abaixo mostra alguns sintomas, causas prováveis e recomendações que podem ser úteis durante a fase de comissionamento/startup e manutenção:
Sintoma |
Causa provável |
Recomendação |
Ruído excessivo ouspiking no barramento ou sinal muito alto |
Presença de umidade na borneira e/ou conectores causando baixa isolação de sinal, fontes de alimentação e/ou equipamentos e/ou terminadores, etc., com baixa isolação ou mau funcionamento,shield aterrado inadequadamente, tronco ou spurexcessivo, quantidades de terminadores inadequada ou fonte de ruído perto do cabeamento Profibus, etc. |
Verifique cada conector e borneira dos equipamentos certificando-se que não haja entrada de umidade, mau contato, que o shield esteja bem acabado nos cabos e aterrado adequadamente, que o nível de ripple nas fontes de alimentações e no barramento estejam dentro dos valores aceitáveis, que o número de terminadores e comprimentos de cabos e sua distribuição esteja dentro do recomendado e ainda que o cabeamento esteja distante de fontes de ruídos. Certifique-se que o aterramento esteja adequado.Em algumas situações equipamentos danificados podem gerar ruídos, desconecte um de cada vez e monitore o ruído. |
Excesso de retransmissões ou comunicação intermitente |
Comprimento de cabeamento ou spurinadequado; tensão de alimentação na borneira do equipamento inadequado; equipamento com mau funcionamento; terminação indevida,shield ou aterramento inadequados, a quantidade de equipamentos na rede e por spur, etc. |
Certifique-se dos comprimentos de cabeamento, verifique que a tensão de alimentação dos equipamentos estejam de 9 a 32 Vdc, certifique-se que não haja fontes de ruídos perto do barramento Profibus e ainda, em algumas situações equipamentos danificados podem gerar ruídos ou condições de intermitência, desconecte um de cada vez e monitore o status da comunicação.Verifique a excursão de sinal AC da comunicação (750mV a 1000mV) . Verifique a distribuição do shield e aterramento.Verifique a quantidade de equipamentos na rede e por spur. |
Falha de comunicação com alguns equipamentos |
Endereço repetido no barramento, tensão de alimentação insuficiente (< 9.0 Vdc), posição do terminadores, excesso de cabo,etc. ou quantidade de equipamentos além da permitida no segmento, etc. |
Certifique-se que todos os equipamentos possuem endereços diferentes, vale a pena lembrar que ao colocar um equipamento no barramento com endereço 126, coloque-o, altere o endereço de acordo com a configuração e somente após este procedimento coloque outro equipamento com endereço 126 no barramento. Verifique as distâncias do cabeamento e quantidades de equipamentos, assim como suas alimentações e posicionamento dos terminadores.
|
Energização intermitente de alguns ou de todos os equipamentos |
Curto-circuito entre o shield e os terminais do barramento ou fonte de alimentação com problema ou algum equipamento consumindo muito do barramento ou quantidade de equipamentos indevida |
Verifique a isolação do shield, verifique a quantidade de equipamentos e seus consumos, etc. |
Equipamento Profibus-PA não comunica com o link DP/PA Siemens |
Quando se tem o link, os endereços de 3 a 5 não são utilizados, são reservados |
Mude o endereço do equipamento PA |
O valor de medição não está correto, não é o mesmo que o indicado no LCD do equipamento |
Erro de conversão para float IEEE 754 ou erro de escala |
Verifique se é necessário o swap de bytes ou se no sistema Profibus utilizado existe alguma função para esta conversão automática. |
O valor medido no sistema Siemens S7 é sempre zero |
Erro de conversão envolvendo consistência de dados |
Utilize a função de leitura com consistência, SF14. |
O valor enviado pelo PLC no sistema Siemens S7 é sempre zero ou não está correto ao se escrever nodevice de saída |
Erro de conversão envolvendo consistência de dados ou o status não está sendo enviado adequadamente ou ainda uso inadequado do arquivo GSD onde não se finalizou os módulos com Empty_Module |
Ao usar o sistema Siemens certifique-se de usar a função de escrita com consistência, SF15. |
Sem comunicação entre o mestre DP e os escravos PA |
Erro na seleção de baud rate do coupler DP/PA ou link ou mesmo da parametrização dos mesmo ou mesmo problema no barramento |
Verifique as configurações conforme abaixo: |
Tabela 1.5 – Sintomas, causas prováveis e recomendações que podem ser úteis durante a fase de comissionamento/startup e manutenção
Chegamos ao final das seis partes que compõe este artigo, aonde vimos vários detalhes importantes 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.