Apostila Profibus2, Notas de estudo de Tecnologia Industrial

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Autor: Constantino Seixas Filho

Profibus

Pro cess Fi eld bus

Capítulo

R

Autor: Constantino Seixas Filho

Profibus

Introdução:

Profibus é hoje um dos standards de rede mais empregados no mundo. Esta

rede foi concebida a partir de 1987 em uma iniciativa conjunta de fabricantes,

usuários e do governo ale mão. A rede está padronizada através da norma DIN

19245 incorporada na norma europea Cenelec EN 50170.

Figura 1 - Aplicações da rede Profibus

A rede Profibus é na verdade uma família de três redes ou communication

profiles no jargão Profibus.

P r o f i b u s D P ( D i s t r i b u t e d P e r i p h e r a l s )

Esta rede é especializada na comunicação entre sistemas de automação e

periféricos distribuídos.

P r o f i b u s F M S ( F i e l d b u s M e s s a g e S p e c i f i c a t i o n )

É uma rede de grande capacidade para comunicação de dispositivos

inteligentes tais como computadores, CLPs ou outros sistemas inteligentes que

impõem alta demanda de transmissão de dados. FMS vem perdendo espaço

para a rede Ethernet TCP/IP.

P r o f i b u s P A ( P r o c e s s A u t o m a t i o n )

• DP - PA

FMS

Nível de fábrica Tempo de ciclo < 1000ms

Nível de célula Tempo de ciclo < 100ms

Nível de campo Tempo de ciclo < 10ms

Autor: Constantino Seixas Filho

Características do nível físico:

Existem atualmente três physical profiles que definem os métodos de

transmissão disponíveis para o Profibus:

? RS-485 para aplicações gerais da automação da manufatura.

? IEC 1158-2 para uso na automação de processos

? Fibra ótica para maior imunidade a ruído e maiores distâncias

Existem pesquisas para se usar o Profibus sobre uma rede Ethernet 10Mbps ou

100 Mbps.

Figura 3 - Arquitetura dos protocolos Profibus

O protocolo DP utiliza as camadas 1 e 2 e a camada de usuário. Esta

arquitetura otimizada assegura uma transmissão de dados eficiente e rápida. A

suite FMS possui apenas as camadas 1, 2 e 7. A camada 7 corresponde ao

Fieldbus Message Specification (FMS).

Autor: Constantino Seixas Filho

Profibus PA

Figura 4 - Topologia da rede Profibus PA

A rede Fieldbus PA é uma rede para interligar válvulas, transmissores de

pressão diferencial, etc., portanto geralmente dispositivos escravos. A

alimentação dos dispositivos pode se dar pela própria rede. Caso se deseje

interligar esta rede de baixa velocidade a uma rede de alta velocidade (DP) ou a

um CLP, deve-se utilizar um acoplador.

O protocolo é muito simples, o que facilita a interoperabilidade.

A distribuição do controle depende sempre de um mestre externo. O mestre

deve ler as PVs dos transmissores, executar os algoritmos de controle e definir

a abertura da válvula de controle.

A Profibus PA permite ligar 32 dispositivos por segmento sem segurança

intrínseca (IS) ou até 9 dispositivos com segurança intrínseca (Eex ia/ib).

Os dispositivos podem ser conectados e desconectados para manutenção com a

rede em operação, mesmo quando operando em áreas classificadas.

Master C

Slaves

PA

Coupler

PID

PV

Autor: Constantino Seixas Filho

O consumo de corrente em regime permanente é de 10 mA. O nó que envia

dados deve sobrepor uma modulação de +/- 9 mA à corrente básica.

Figura 6 - Nível de sinal na rede Profibus -PA.

Figura 7 - Alimentação dos instrumentos de campo

DCS/PLC

PROFIBUS-PA 31.25 kbit/s (^)? 100 (^1)? F

Par trançado, blindado comprimento total max. 1.900 m

(Tipo de proteção: [EEx ib], explosion group: IIC)

? 10 mA?^ 10 mA

? 10 mA

? 10 mA

? 10 mA

24 V

Alimentação de inst. De campo: área Ex: max. 10 área não Ex: max. 40

Spur max. 30 m

DP/PA Link

PROFIBUS-DP

< 120 mA

??x

Bits 1 0 1 1 0

19 mA

IB = 10 mA

1mA

1 Bit Manchester Code t

Autor: Constantino Seixas Filho

Topologias:

Figura 8 - Topologia da rede Profibus

Profibus-PA & FF (H1)

Daisy Chain a <= 1900m

Bus b <=30..120m

T-plug IP66 dependendo do número de derivações

Tree Caixa de Junção

b <=30 .. 120m

Em aplicações de segurança intrínseca uma drop line ( stub ou spur em inglês,

ou spur em alemão) não pode ser maior que 30m.

Para se determinar o comprimento máximo da linha, uma série de fatores

devem ser analisados, mas uma regra básica seria calcular a potência necessária

a cada dispositivo a ser conectado e a classificação da área de processo. As

tabelas 1 e 2 são usadas para este cálculo.

Tipo Aplicação Tensão de alimentação

Corrente máxima da fonte

Potência máxima

Número de estações típico

I Eex ia/ib IIC 13.5 V 110 mA 1.8 W 9

II EEX ib IIC 13.5 V 110 mA 1.8 W 9

III Eex ib IIB 13.5 V 250 mA 4.2 W 22

IV Não intrinsecamente

seguro

24 V 250 mA 12 W 32

Tabela 1 : Fontes de alimentação padrão para transmissão IEC 1158-

T P F

T P F

T P F

Estrutura em Linha (Daisy chain)

Linha com derivações lineares 1)

Estrutura em árvore

b

b

T

T

T

a

Autor: Constantino Seixas Filho

LO_LIM (^)?? Limite inferior de aviso: se excedido, aviso e

bit de status vão para 1.

LO_LO_LIM (^)?? Limite inferior de alarme: se excedido, aviso

e bit de status vão para 1.

HI_HI_ALM (^)? Status do limite superior de alarme com time

stamp

HI_ALM (^)? Status do limite superior de advertência com

time stamp

LO_ALM (^)? Status do limite superior de advertência com

time stamp

LO_LO_ALM

?

Status do limite inferior de alarme com time

stamp

Figura 9 - Parâmetros de um instrumento no Profile PA

Autor: Constantino Seixas Filho

Profibus DP

É uma rede de alta velocidade e multimestres utilizando o padrão RS 485.

Os mestre podem ser de duas categorias:

Classe 1 : são mestres que realizam comunicações cíclicas tais como CLPs.

Classe 2 : São mestres que trabalham com mensagens assíncronas como

estações de operação e de configuração.

Figura 10 - Topologia da rede Profibus DP

A rede Profibus DP permite a conexão de até 32 dispositivos por segmento, até

o máximo de 4 segmentos, através de 3 repetidores. O número máximo de

nodos deve ser 126. A distância máxima é de 1.2 Km utilizando interface RS-

485. A rede pode ser estendida com repetidores até 15 Km com fibra ótica.

A rede é terminada por um terminador ativo no começo e fim de cada

segmento. Ambos os terminadores devem ser alimentados.

Velocidade da rede:

A velocidade da rede é única e é determinada pelo escravo mais lento. Hoje a

velocidade máxima da rede Profibus DP é 12 Mbps. A velocidade default é de

1.5 Mbps.

A velocidade de transmissão irá depender do comprimento do cabo no

segmento:

Baud rate (kbit/s) 9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 12000

Comprimento do

segmento (m)

Ethernet, TCP/IP Backbone

T

R

Segment 1 Segment 2

R

Coupler

HMI

Master DPM

PNC

PA

DP Slave

DP Slave

Autor: Constantino Seixas Filho

Topologias:

Figura 13 - Topologias para rede Profibus

Profibus -DP

Daisy Chain a<= 1200m

Bus T-Plug IP 40

b<= 0.2 m

Uso de fibra ótica

Figura 14 - Rede Profibus em anel utilizando tecnologia Hirshmann

T P F

T P F

Estrutura em Linha (Daisy chain)

Linha com derivações lineares 1)^

b

T

T

a

O rompimento do cabo causa a degeneração

da topologia para barramento PROFIBUS

Cabo de cobre

Anel ótico redundante Profibus

?

Rompimento do cabo

OZD Profi

Autor: Constantino Seixas Filho

Fibra ótica pode ser utilizada para aumentar a imunidade ao ruído ou para

alcançar maiores distâncias. Segmentos Profibus utilizando fibra ótica como

meio físico devem adotar uma topologia em estrela ou anel. Alguns fabricantes

oferecem ainda redes redundantes com a troca automática de rota em caso de

falha. Existem também acopladores entre rede de fibra ótica e RS485, o que

permite trocar de meio de transmissão sempre que desejado. A Hirschmann

oferece uma arquitetura de rede em anel utilizando o repetidor OZD Profibus

[Figura 14].

O tipo da fibra irá determinar a distância máxima a ser alcançada.

Tipo de fibra Propriedades

Fibra de vidro multimodo Distâncias médias na faixa de 2-3 km

Fibra de vidro monomodo Longas distâncias > 15 km

Fibra sintética Pequenas distâncias > 80 m

Fibra de PCS/HCS Pequenas distâncias > 500 m

Protocolo de acesso ao meio

O protocolo de acesso ao meio é implementado pela camada 2, que no caso do

Profibus é denominado Fieldbus Data Link (FDL). A camada MAC no

Profibus opera segundo dois princípios básicos:

? Na comunicação entre sistemas de automação complexos (mestres) deve-se

buscar que cada estação tenha tempo suficiente para realizar suas tarefas de

comunicação dentro de intervalos de tempo estabelecidos. Para este tipo de

comunicação é adotado o protocolo token passing.

? Na comunicação cíclica entre um mestre tal como um CLP e seus

periféricos (escravos), a transmissão deve ser o mais simples e rápida

possível. Neste tipo de transação utiliza-se o protocolo mestre-escravo.

P r o t o c o l o t o k e n p a s s i n g

O token é passado para cada estação segundo sua posição no anel lógico

(endereços crescentes) dentro de um tempo bem determinado. O tempo de

retenção da ficha por cada mestre é determinado pelo tempo de rotação do

token, que é configurável.

A comunicação em Profibus é independente de conexão, o que permite

executar uma comunicação broadcast (uma estação envia uma mensagem sem

reconhecimento para todas as demais, mestres ou escravos) ou multicast (uma

estação ativa envia uma mensagem sem reconhecimento para um determinado

grupo de estações (mestre ou escravos).

Autor: Constantino Seixas Filho

Figura 17 - DP/PA link

Figura 18 - Profibus DP sistema monomestre.

Cada dispositivo ligado na rede pode fornecer 246 bytes de dados de entrada e

246 bytes de dados de saída.

Numa arquitetura típica, a rede teria apenas um mestre, como por exemplo, um

CLP. Numa arquitetura multi mestres, cada mestre pode ler variáveis de cada

dispositivo escravo, porém cada escravo está dedicado a um mestre

determinado. Este mestre é responsável pela sua inicialização e configuração.

Se o mestre de alguns escravos não está presente, então não se consegue

realizar a leitura das variáveis deste mestre. Apenas um mestre de cada vez

pode escrever num dispositivo escravo.

PROFIBUS-PA 31.25 kbit/s

DP/PA Link (expansão modular , módulo central com com um máx. de 3 acopladores) 24 V

Não-Ex: max. 40 instrumentos de campo Ex: max. 3 x 10 inst. de campo

PROFIBUS-DP up to 12 Mbit/s

??x

J

J

Autor: Constantino Seixas Filho

Figura 19 - Rede Profibus - Arquitetura Multimestre

Arquivo de Configuração: GSD – General

Slave Data

Profibus definiu uma folha de dados eletrônica denominada GSD que são

proporcionados pelo fabricante do dispositivo Profibus. O GSD se divide em

três partes: especificações gerais, informações relacionadas ao mestre (para

dispositivos mestres), informações relacionadas ao escravo.

As especificações gerais definem informações do fabricante, velocidade de

comunicação, pinagem de conectores, etc.

As especificações do mestre definem o número máximo de escravos permitidos

e opções de upload e download.

As especificações do escravo definem os parâmetros do escravo: número e tipo

de canais de I/O, especificação de textos de diagnósticos, etc. Um editor de

GSDs está disponível no sítio oficial da rede Profibus. GSDs são visíveis até o

nível de controle e são usados pelas ferramentas de configuração para

visualizar os dados do instrumento.

E x e m p l o G S D

; GSD File Example E ; Modular Slave with header parameters and ; module related parameters (Example10) ; ; With Slot Definition ;====================================================== #Profibus_DP ; Prm-Text-Def-List PrmText= Text(0)= "Bit 0" Text(1)= "Bit 1"

Autor: Constantino Seixas Filho

MaxTsdr_6M = 450 MaxTsdr_12M = 800 Redundancy = 0 Repeater_Ctrl_Sig = 2 24V_Pins = 0 Implementation_Type = "Implementation" Bitmap_Device = "DIB_NamN" Bitmap_Diag = "DIB_NamD" Bitmap_SF = "DIB_NamS" ; Slave-Specification: Freeze_Mode_supp = 1 Sync_Mode_supp = 1 Set_Slave_Add_Supp = 0 Auto_Baud_supp = 1 Min_Slave_Intervall = 1 Fail_Safe = 0 Max_Diag_Data_Len = 13 Modul_Offset = 0 Slave_Family = 3@Sub1@Sub Modular_Station = 1 Max_Module = 10 Max_Input_len = 50 Max_Output_len = 50 Max_Data_len = 100

; UserPrmData: Length and Preset: User_Prm_Data_Len = 12 User_Prm_Data = 0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x Max_User_Prm_Data_Len= 15 Ext_User_Prm_Data_Const(0)=0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00, x00,0x00,0x00,0x00,0x Ext_User_Prm_Data_Ref(3)= Ext_User_Prm_Data_Ref(3)= Ext_User_Prm_Data_Ref(4)=

; Module Definition List Module="Module1 1 Byte Out" 0x 1 EndModule

Module="Module2 1 Byte In " 0x 2 EndModule

Module="Module3 2 Byte Out" 0x 3 EndModule

Module="Module4 2 Byte In " 0x 4 EndModule

Module="Module5 3 Byte In PRM SKF" 0x45,0x02,0x05,0x04,0x03,0x02,0x 5 Ext_Module_Prm_Data_Len = 3 Ext_User_Prm_Data_Const(0) = 0x05,0x00,0x Ext_User_Prm_Data_Ref(1) = 4 Ext_User_Prm_Data_Ref(1) = 5

Autor: Constantino Seixas Filho

Ext_User_Prm_Data_Ref(2) = 6 EndModule

Module="Module6 3 Byte Out PRM SKF" 0x85,0x02,0x06,0x07,0x08,0x09,0x0a 6 Ext_Module_Prm_Data_Len = 3 Ext_User_Prm_Data_Const(0) = 0x06,0x00,0x Ext_User_Prm_Data_Ref(1) = 6 Ext_User_Prm_Data_Ref(2) = 4 Ext_User_Prm_Data_Ref(2) = 5 EndModule

Module="Module7 Emty" 0x 7 EndModule

SlotDefinition Slot(1) = "Slot 1" 1 1- Slot(2) = "Slot 2" 2 2- Slot(3) = "Slot 3" 3 3,5, Slot(4) = "Slot 4" 1 1- Slot(5) = "Slot 5" 7 1,2,3,4,5,6, ;Attention: The Slots until Max_Module can be configured with every module (or not) EndSlotDefinition