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- Associação PROFIBUS Brasil
- Comunicação Industrial
- Tecnologia PROFIBUS
- 2.1. Perfil de Comunicação (Communication Profile)
- 2.2. Perfil físico (Physical Profile)
- 2.3. Perfil de Aplicação (Aplication Profile)
- Características Básicas
- 3.1. Arquitetura do protocolo
- 3.2. Meio de transmissão RS -485......................................................................................................
- 3.3. Meio de transmissão IEC-61158-2
- 3.4. Meio de transmissão com fibra ótica
- 3.5. Protocolo de Acesso ao Meio PROFIBUS
- Perfil de Comunicação DP
- 4.1. Funções básicas......................................................................................................................
- 4.2. Funções estendidas do PROFIBUS DP
- Perfil de Comunicação FMS............................................................................................................
- 5.1. FMS Services
- 5.2. Gerenciamento de rede............................................................................................................
- Perfil de Aplicação (Application Profile)............................................................................................
- 6.1. Automação de processo (PA)
- 6.2. Aplicações “Failsafe”................................................................................................................
- 6.3. Automação Predial
- 6.4. Perfis de Aplicação para tipos de dispositivos especiais
- Desenvolvimento de Dispositivos
- 7.1. Arquivos “GSD”
- 7.2. Ident Number
- 7.3. Descrição eletrônica do dispositivo (EDD)
- 7.4. Conceito FDT (Fieldbus Device Tool)
- Opções de Implementação
- 8.1. Implementação de dispositivos simples
- 8.2. Implementação de dispositivos inteligentes
- 8.3. Implementação de mestres complexos......................................................................................
- 8.4. Implementação de interfaces IEC 61158-2
- Certificação de Dispositivos
- Novos Desenvolvimentos Técnicos
- Perspectivas
- Lista de Abreviações
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1. Comunicação Industrial
PROFIBUS
Cell-level
Field-level
ES
PROFIBUS on Ethernet/TCP-IP
PLCPLC
Sensor-/Actuator-
level
RS-485/FO IEC 1158-
ManufacturingManufacturing ProcessProcess
Internet Internet
OS
IPC
AS-Interface
Complexity
Costs
Explosion protection
PROFIBUS
Fig. 1: Comunicação Industrial
A tecnologia da informação tem sido determinante no desenvolvimento da tecnologia da automação, alterou hierarquias e estruturas no ambiente dos escritórios e chega agora ao ambiente industrial nos seus mais diversos setores, desde as indústrias de processo e manufatura até prédios e sistemas logísticos. A capacidade de comunicação entre dispositivos e o uso de mecanismos padronizados, abertos e transparentes são componentes indispensáveis do conceito de automação de hoje. A comunicação vem se expandindo rapidamente no sentido horizontal nos níveis inferiores ( field level ), assim como no sentido vertical integrando todos os níveis hierárquicos. De acordo com as características da aplicação e do custo máximo a ser atingido, uma combinação gradual de diferentes sistemas de comunicação, tais como Ethernet, PROFIBUS e AS-Interface, oferece as condições ideais de redes abertas em processos industriais.
No nível de atuadores/sensores o AS-Interface é o sistema de comunicação de dados ideal, pois os sinais binários de dados são transmitidos via um barramento extremamente simples e de baixo custo, juntamente com a energia (24Vdc) necessária para alimentar estes mesmos sensores e atuadores. Outra característica importante é que os dados são transmitidos ciclicamente, de uma maneira extremamente eficiente e rápida.
No nível de campo, a periferia distribuída, tais como módulos de E/S, transdutores, acionamentos ( drives) , válvulas e painéis de operação, comunicam-se com sistemas de automação via 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 aciclicamente, somente quando necessário.
No nível de célula, os controladores programáveis, tais como CLP’s e PC’s comunicam-se uns com os outros, o que requer grandes pacotes de dados e um grande número de funções poderosas de comunicação. Além disto, uma integração eficiente aos sistemas de comunicação corporativos existentes, tais como: Intranet, Internet e Ethernet é um requisito absolutamente mandatório, o que o PROFIBUS FMS e o PROFINet podem suprir.
A revolução da comunicação industrial na tecnologia da automação está revelando um enorme potencial na otimização de sistemas de processo e tem feito uma importante contribuição na direção da melhoria no uso de recursos. As informações à seguir fornecerão uma explicação detalhada do PROFIBUS como um elo de ligação central no fluxo de informações na automação. A integração da tecnologia PROFIBUS com base em TCP/IP é explanada em detalhes no capítulo: Desenvolvimentos Técnicos Futuros.
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2.1. Perfil de Comunicação (Communication Profile)
O perfil de comunicação PROFIBUS define como os dados serão transmitidos serialmente através do meio de comunicação.
DP
Communication
FMS
RS- Fiber Optic
RS- Fiber Optic IEC 1158-
PROFIBUS Data Link Layer
Application
Manufacturing Drives, Encoders, HMI, ...
Process Measuring Transducers , Positioners, I/O, ...
Physical
Fig. 3: Estrutura da Tecnologia PROFIBUS
PROFIBUS-DP - Periferia Descentralizada (Decentralized Periphery)
O DP é o perfil mais freqüentemente utilizado. Otimizado para alta velocidade e conexão de baixo custo, foi projetado especialmente para a comunicação entre sistemas de controle de automação e seus respectivos I/O’s distribuídos a nível de dispositivo. O PROFIBUS-DP pode ser usado para substituir a transmissão de sinal em 24 V em sistemas de automação de manufatura assim como para a transmissão de sinais de 4 a 20 mA ou HART em sistemas de automação de processo.
PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification)
O PROFIBUS-FMS é o perfil de comunicação universal para tarefas de comunicação complexas. FMS oferece muitas funções sofisticadas de comunicação entre dispositivos inteligentes. No futuro, com o uso do TCP/IP no nível de célula, o FMS terá um papel menos significativo.
2.2. Perfil físico (Physical Profile)
A aplicação de um sistema de comunicação industrial é amplamente influenciada pela escolha do meio de transmissão disponível. Assim sendo, aos requisitos de uso genérico, tais como alta confiabilidade de transmissão, grandes distâncias a serem cobertas e alta velocidade de transmissão, soma-se as exigências específicas da área automação de processos tais como operação em área classificada, transmissão de dados e alimentação no mesmo meio físico, etc. Partindo-se do princípio de que não é possível atender a todos estes requisitos com um único meio de transmissão, existem atualmente três tipos físicos de comunicação disponíveis no PROFIBUS:
- RS-485 para uso universal, em especial em sistemas de automação da manufatura;
- IEC 61158-2 para aplicações em sistemas de automação em controle de processo;
- Fibra Ótica para aplicações em sistemas que demandam grande imunidade à interferências e grandes distâncias.
Atualmente, estão sendo feitos desenvolvimentos para uso de componentes comerciais de 10 e 100 Mbit/s como camada física para PROFIBUS.
Links e acopladores são disponíveis para acoplamento entre os vários meios de transmissão. Enquanto o termo Acoplador (Couplers) aplica-se à dispositivos que implementam o protocolo somente no que se refere ao meio físico de transmissão, o termo Link se aplica aos dispositivos inteligentes que oferecem maiores opções na operação entre subredes.
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2.3. Perfil de Aplicação (Aplication Profile)
O perfil de Aplicação descreve a interação do protocolo de comunicação com o meio de transmissão que está sendo utilizado, além de definir o comportamento do dispositivo durante a comunicação. O mais importante perfil de aplicação PROFIBUS é, atualmente, o perfil PA, que define os parâmetros e blocos de função para dispositivos de automação de processo, tais como transmissores, válvulas e posicionadores. Existem ainda alguns outros perfis disponíveis, tais como: Acionamentos (Drives), Interface Homem Máquina e Encoders, etc. os quais definem a comunicação e o comportamento destes equipamentos de uma maneira independente do fabricante.
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3.2. Meio de transmissão RS-
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 à uma instalação simples e barata são necessárias. 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/sec e 12 Mbit/sec 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 RS-
Todos os dispositivos são ligados à uma estrutura de tipo barramento linear. Até 32 estações (mestres ou escravos) podem ser conectados à um único segmento. O barramento é terminado por um terminador ativo do barramento no início e fim de cada segmento (Veja Figura 5). Para assegurar uma operação livre de erros, ambas as terminações do barramento devem estar sempre ativas. Normalmente estes terminadores encontram-se nos próprios conectores de barramento ou nos dispositivos de campo, acessíveis através de uma dip-switch. No caso em que mais que 32 estações necessitem ser conectadas ou no caso que a distância total entre as estações ultrapasse um determinado limite, devem ser utilizados repetidores (repeaters) para se interconectar diferentes segmentos do barramento.
O comprimento máximo do cabo depende da velocidade de transmissão (Veja Tabela 2). As especificações de comprimento de cabo na Tabela 2, são baseadas em cabo Tipo-A, com o seguintes parâmetros:
- Impedância: 135 a 165 Ohms
- Capacidade: < 30 pf/m
- Resistência: 110 Ohms/km
- Medida do cabo: 0.64mm
- Área do condutor: > 0.34mm²
Mídia
Cabo par trançado blindado. A blindagem pode ser omitida, dependendo das condições eletromagnéticas do ambiente (EMC). Número de Estações
32 estações em cada segmento sem repetidores. Com repetidores pode ser estendida até 126 estações.
Conectores
Preferencialmente DB-9 para IP20. M12, Han-Brid or tipo Híbrido para IP65/67. Tabela 1: Características básicas do RS-
Baud rate (Kbit/s) 9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 12000
Distância/segmento (m) 1200 1200 1200 1000 400 200 100 Tabela 2: Distâncias baseadas em velocidade de transmissão para cabo Tipo A
Os cabos PROFIBUS são oferecidos por vários fabricantes. Uma característica particular é o sistema de conexão rápida. O uso de cabos do tipo B, ao contrário do que anteriormente divulgado, não é mais recomendado.
Durante a instalação, observe atentamente a polaridade dos sinais de dados (A e B). O uso da blindagem é absolutamente essencial para se obter alta imunidade contra interferências eletromagnéticas. A blindagem por sua vez deve ser conectada ao sistema de aterramento em ambos os lados através de bornes de aterramento adequados. Adicionalmente recomenda-se que os cabos de comunicação sejam mantidos separados dos cabos de alta voltagem. O uso de cabos de derivação deve ser evitados para taxas de transmissão acima de 1,5Mbits/s. Os conectores disponíveis no mercado hoje permitem que o cabo do barramento entre/saia diretamente no conector, permitindo assim que um dispositivo seja conectado/desconectado da rede sem interromper a comunicação.
Nota-se que quando problemas ocorrem em uma rede PROFIBUS, cerca de 90% dos casos são provocados por incorreta ligação e/ou instalação. Estes problemas podem ser facilmente solucionados com o uso de equipamentos de teste, os quais detectam falhas nas conexões.
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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 5.
Estação 1 Estação 2
Shielding Protective ground
Protective ground
RxD/TxD-P (3)
DGND (5)
VP (6)
RxD/TxD-N (8)
(3) RxD/TxD-P
(5) DGND
(6) VP
(8) RxD/TxD-N
390 W
Data line
Data line
DGND (5)
VP (6)
220 W
390 W
RxD/TxD-P (3)
RxD/TxD-N (8)
Cabo Terminador de Bus
Termination
Fig. 5: Ligação e Terminação para o RS-
Já no caso de grau de proteção IP65/76, existem 3 alternativas para a conexão:
- Conector circular M12 (IEC 947-5-2)
- Conector HAN-BRID, conforme recomendação DESINA
- Conector híbrido SIEMENS
3.3. Meio de transmissão IEC-61158-
Transmissão síncrona em conformidade à norma IEC 61158-2, com uma taxa de transmissão definida em 21,25 Kbuts/s, veio atender aos requisitos das indústrias químicas e petroquímicas. Permite, além de segurança intrínseca, que os dispositivos de campo sejam energizados pelo próprio barramento. Assim, o PROFIBUS pode ser utilizado em áreas classificadas. As opções e limites do PROFIBUS com tecnologia de transmissão IEC61158-2 para uso em áreas potencialmente explosivas são definidas pelo modelo FISCO ( F ieldbus I ntrinsically S afe C oncept). O modelo FISCO foi desenvolvido pelo instituto alemão PTB - Physikalisch Technische Bundesanstalt (Instituto Tecnológico de Física) e é hoje internacionalmente reconhecida como o modelo básico para barramentos em áreas classificadas A transmissão é baseada no seguintes princípios, e é freqüentemente referida como H
- cada segmento possui somente uma fonte de energia, a fonte de alimentação;
- alimentação não é fornecida ao bus enquanto uma estação está enviando
1
4
3
2
5
Conector M12 para RS485, IP65/ Pinos: 1 – VP 2 – RxD/TxD-N 3 – DGND 4 – RxD/TxD-P 5 - Shield
Conector Han-Brid, versão CU-Fo Transmissão de dados via fibra ótica e alimentação 24 Vdc para periféricos em um único conector
B-Line (red) A-Line (green)
Shielding (PE)
PE M
P
1
2
3
4
5
6
Conector Híbrido Transmissão de dados e alimentação 24 Vdc via cabo de cobre para dispositivos com grau de proteção IP
Figura 6: Opções para conectores PROFIBUS IP65/
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PROFIBUS
IEC 1158-2 mit 31.25 kbit/s 100 Ω
1 μ F Shielded twisted pair cable
≥ (^) 10 mA ≥^ 10 mA
≥ (^) 10 mA
≥ (^) 10 mA
≥ (^) 10 mA
24 V
Stub line
Segment coupler or Link
PROFIBUS
+ εx
I < 120 mA
Control System
RS 485
Bus terminator
Figura 7: Sistema com alimentação de dispositivos em uma rede PROFUBS e IEC 61158-
Cabo Par trançado blindado
Área do Condutor 0.8 mm2 (AWG 18)
Resistência de Loop 44 ohms/Km
Impedância à 31.25 KHz 100 ohms +/-20%
Atenuação à 39 KHz 3 dB/Km
Capacitância Assimétrica 2 nF/Km Tabela 4: Especificação do cabo para IEC 61158-
Em um estrutura linear, as estações são conectadas ao cabo principal através de conectores do tipo T. A estrutura em árvore pode ser comparada à técnica clássica de instalação em campo. O cabo multivias pode ser substituído pelo par trançado do barramento. O painel de distribuição continua a ser utilizado para a conexão dos dispositivos de campo e para a instalação dos terminadores de barramento. Quando uma estrutura em árvore é utilizada, todos os dispositivos de campo conectados ao segmento de rede são interligados em paralelo ao distribuidor.
Independente da topologia utilizada, o comprimento da derivação da ligação deverá ser considerado no cálculo do comprimento total do segmento. Uma derivação não deve ultrapassar 30m em aplicações intrinsecamente seguras.
Um par de fios blindados é utilizado como meio de transmissão (veja fig 7). Ambas as terminações do cabo principal do barramento devem ser equipados com um terminador passivo de linha, que consiste num elemento RC em série com R=100 Ohms e C=1 μF. Tanto os couplers quanto os links possuem o terminador de barramento integrados. Uma ligação com a polaridade invertida no barramento não afetará o correto funcionamento do mesmo, já que os dispositivos de campo são equipados com sistemas automáticos de detecção de polaridade
O número de estações que pode ser conectado à um segmento é limitado a 32. Este número pode ser ainda mais reduzido em função do tipo de classe de proteção à explosão. Em redes intrinsecamente seguras, tanto a tensão máxima quanto a corrente máxima de alimentação são especificadas dentro de limites claramente definidos. Observe que mesmo nos casos que a segurança intrínseca não é utilizada, a potência da fonte de alimentação é limitada.
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Tipo Área de Aplicação Alimentação Corrente Máxima
Potência Máxima
No. Típico de Estações
I EEX ia/ib IIC 13,5V 110mA 1,8W 8
II EEx ib IIC 13,5V 110mA 1,8W 8
III Eex ib IIB 13,5V 250mA 4,2W 22
IV Não Intrinsicamente seguro
24V 500mA 12W 32
Importante: Esta especificação é baseada com uma corrente de consumo de 10 mA por dispositivo. Se um dispositivo consome mais Tabela 5: Alimentação padrão
De modo geral, para determinar o comprimento máximo da linha, calcula-se a corrente consumida pelos dispositivos de campo, seleciona-se uma unidade de alimentação, conforme tabela 5, e determina-se o comprimento de linha para o tipo de cabo selecionado conforme tabela 6. A corrente necessária é obtida da soma das correntes básicas dos dispositivos de campo do segmento selecionado, somada à uma reserva de corrente de 9 mA por segmento, destinado para a operação do FDE (Equipamento de desconexão por falha). O FDE evita que dispositivos defeituosos bloqueiem o barramento permanentemente.
Tipo I Tipo II Tipo III Tipo IV Tipo IV Tipo IV
Tensão V 13,5 13,5 13,5 24 24 24
Soma das correntes necessárias
mA (^) ≤ 110 ≤ 110 ≤ 250 ≤ 110 ≤ 250 ≤ 500
Comprimento da linha para 0.8 mm
m ≤ 900 ≤ 900 ≤ 400 ≤ 1900 ≤ 1300 ≤ 650
Comprimento da linha para 1.5 mm
m (^) ≤ 1000 ≤ 1500 ≤ 500 ≤ 1900 ≤ 1900 ≤ 1900
Tabela 6: Comprimentos de Linha para IEC 61158-
A conexão em um barramento intrinsecamente seguro de dispositivos auto-alimentados pelo barramento e dispositivos alimentados externamente é possível, se os dispositivos alimentados externamente forem equipados com isolamento apropriado de acordo com EN 50 020. Deve ser considerada entretanto, no cálculo da corrente total, a corrente que o dispositivo com alimentação externa consome do barramento.
3.4. Meio de transmissão com fibra ótica
Fibra ótica pode ser utilizada pelo PROFIBUS para aplicações em ambientes com alta interferência electromagnética ou mesmo com o objetivo de aumentar o comprimento máximo com taxas de transmissão elevadas. Vários tipos de fibra estão disponíveis, com diferentes características, tais como, distância máxima, preço e aplicação. Para uma rápida descrição, consulte tabela 7.
Os segmentos PROFIBUS que utilizam fibra normalmente são em estrela ou em anel. Alguns fabricantes de componentes para fibra ótica permitem o uso de links redundantes com meios físico alternativo, cuja transferência é automática quando ocorre uma falha.
Tipo de Fibra Propriedades
Fibra de vidro “multimode” Média distância, 2 a 3 Km
Fibra de vidro “monomode” Longa distância, >15 Km
Fibra sintética Longa distância, > 80 Km
Fibra PCS/HCS Curta distância, > 500m Tabela 7: Propriedades das fibras ótica
Diversos fabricantes oferecem conectores especiais com conversor integrado de sinais RS485 para fibra ótica e vice-versa. Isto proporciona um método muito simples de troca entre transmissão RS 485 e fibra ótica dentro de um sistema.
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Um anel de Token é a corrente organizacional de estações ativas que forma um anel lógico baseado em seus endereços de estação. Neste anel, o Token (direito de acesso a rede) é passado de um mestre ao próximo numa ordem especificada (endereços crescentes).
Na fase de inicialização do sistema, a tarefa do controle de acesso (MAC) das estações ativas é captar esta designação lógica e estabelecer o anel de Token. Na fase operacional, estações ativas defeituosas ou fora de operação são removidas do anel e novas estações ativas podem ser adicionadas ao anel. Além disto, o controle de acesso assegura que o Token seja passado de um mestre ao próximo em ordem crescente de endereços. O tempo de retenção do Token por um mestre depende do tempo de rotação de Token configurado. A detecção de defeitos no meio de transmissão ou no receptor, assim como detecção de erros de endereçamento (por ex.: endereços duplicados) ou na passagem do token (por ex.: múltiplos ou tokens ou perda do token) são funções do Controle de Acesso ao Meio (MAC) do PROFIBUS.
Outra tarefa importante de camada 2 é a segurança de dados. A camada 2 do PROFIBUS formata frames que asseguram a alta integridade de dados. Todos os telegramas têm Hamming Distance HD=4, alcançada através do uso de telegramas especiais delimitadores de início/fim, bit de paridade e byte de check, conforme norma IEC 870-5-1.
A camada 2 do PROFIBUS opera num modo denominado “sem conexão”. Além de transmissão de dados ponto-a-ponto, proporciona também comunicações do tipo multi-ponto (Broadcast e Multicast).
Comunicação Broadcast significa que uma estação ativa envia uma mensagem sem confirmação a todas outras estações (mestres e escravos).
Comunicação Multicast significa que uma estação ativa envia uma mensagem sem confirmação a um grupo de estações pré-determinadas (mestres e escravos).
Serviço Função DP FMS
SDA
Send Data with Acknowledge Envia dados com reconhecimento
SRD
Send and Request Data with replay Envia e requisita dados com resposta
SDN
Send Data with No acknowledge Envia dados sem reconhecimento
CSRD
Cyclic Send and Request Data with replay Envia e requisita dados ciclicamente com resposta
Tabela 8: Serviços da camada de segurança de dados (Data Link Layer)
Cada perfil de comunicação PROFIBUS utiliza um subset específico dos servi ços da camada 2 (veja tabela 8). Os serviços são acionados por camadas mais elevadas via pontos de acesso de serviço (SAP’s). No PROFIBUS-FMS estes pontos de acesso de serviço são utilizados para endereçar os relacionamentos lógicos de comunicação. No PROFIBUS-DP a cada função definida é associado um ponto de acesso de serviço. Vários pontos de acesso de serviço podem ser usados simultaneamente por todas estações passivas e ativas. Uma distinção é feita entre fonte (SSAP – Source) e destino dos pontos de acesso de serviço (DSAP - Destiny).
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4. Perfil de Comunicação DP
O PROFIBUS-DP foi projetado para comunicação de dados em alta velocidade no nível de dispositivo. Os controladores centrais (por exemplo:, PLCs/PCs) comunicam com seus dispositivos de campo distribuídos: (I/O’s), acionamentos ( drivers ), válvulas, etc., via um link serial de alta velocidade.
A maior parte desta comunicação de dados com os dispositivos distribuídos é feita de uma maneira cíclica. As funções necessárias para estas comunicações são especificadas pelas funções básicas do PROFIBUS- DP, conforme EN 50 170. Além da execução destas funções cíclicas, funções de comunicação não cíclicas estão disponíveis especialmente para dispositivos de campo inteligentes, permitindo assim configuração, diagnóstico e manipulação de alarmes. Estas novas funções não cíclicas são definidas na diretriz PROFIBUS No. 2.042 e são descritos no capítulo Funções DP Estendidas.
4.1. Funções básicas
O controlador central (mestre) lê ciclicamente a informação de entrada dos escravos e escreve também ciclicamente a informação de saída nos escravos. O tempo de ciclo do bus é geralmente mais curto que o tempo de ciclo do programa do PLC, que em muitas aplicações é em torno de 10 ms. Além da transmissão cíclica de dados de usuário, PROFIBUS-DP proporciona funções poderosas de diagnóstico e configuração. A comunicação de dados é controlada por funções de monitoração tanto no mestre, como no escravo. A tabela 9 proporciona um resumo das funções básicas do PROFIBUS-DP.
Tecnologia de transmissão RS-485 (par trançado cabo de dois fio) ou Fibra Ótica Baudrate: 9.6 kbit/sec a 12 Mbit/sec
Acesso ao Bus Procedimento de passagem de token entre mestres e procedimento de mestre-escravo para escravos Possível sistemas mono-mestre ou multi-mestre Dispositivos mestre e escravo, máximo de 126 estações em um barramento de comunicação
Comunicação Peer-to-peer (transmissão de dados de usuário) ou Multicast (comandos de controle) Transmissão de dados do usuário mestre-escravo cíclica e transmissão de dados não cíclica mestre- mestre
Modos de Operação Operate : Transmissão cíclica de entrada e saída de dados Clear : Entradas são lidas, e saídas são mantidas em estado seguro. Stop : Transmissão de dados só é possível em mestre-mestre
Sincronização Comandos de controle permitem sincronização de entradas e saídas Sync mode : Saídas são sincronizadas Freeze mode (modo de congelamento): Entradas são sincronizadas.
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Bus Cycle Time [ms]
Slaves
12 MBit/s
1.5 MBit/s
500 kBit/s
18
14
10
6
2
2 10 20 30
Figura 7:Tempo de ciclo de um sistema PROFIBUS-DP mono-master
Funções de diagnóstico
As várias funções de diagnósticos do PROFIBUS-DP permitem a rápida localização de falhas. As mensagens de diagnósticos são transmitidas ao barramento e coletadas no mestre. Estas mensagens são divididas em três níveis:
Diagnósticos de Estação : estas mensagens ocupam-se com o estado operacional geral da estação (por exemplo: alta temperatura ou baixa tensão).
Diagnósticos de Módulo : estas mensagens indicam que existe uma falha em um I/O específico (por ex.: o bit 7 do módulo de saída) de uma estação.
Diagnósticos de Canal : estas mensagens indicam um erro em um bit de I/O (por ex.: curto-circuito na saída 7).
4.1.2. Configuração do sistema e tipos de dispositivos
O PROFIBUS DP permite sistemas mono e multi-mestre oferecendo um alto grau de flexibilidade na configuração do sistema. Até 126 dispositivos (mestres ou escravos) podem ser ligados a um barramento. Sua configuração consiste na definição do número de estações, dos endereços das estações e de seus I/O’s, do formato dos dados de I/O, do formato das mensagens de diagnóstico e os parâmetros de barramento. Cada sistema de PROFIBUS-DP pode conter três tipos de dispositivos diferentes:
Classe -1 DP MASTER é um controlador central que troca informação com as estações descentralizadas (por ex.: DP slaves) dentro de um ciclo de mensagem especificado. Dispositivos mestres típicos incluem controladores programáveis (PLCs) e PC ou sistemas VME.
Classe -2 DP MASTER são terminais de engenharia, programadores, dispositivos de configurações ou painéis de operação. São utilizados durante o comissionamento para configuração do sistema DP e também para a manutenção e diagnóstico do barramento e/ou de seus dispositivos.
Um DP SLAVE é um dispositivo periférico (dispositivos de I/O , drivers , IHM, válvulas, etc.) que coleta informações de entrada e enviam informações de saída ao controlador. Pode haver dispositivos que possuem somente informações de entrada e outros com somente informações de saída
A quantidade de informação de I/O depende do tipo de dispositivo. Um máximo de 246 bytes de entrada e 246 bytes de saída são permitidos.
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DP Master (Class 1)
Decentraliced inputs and outputs
PROFIBUS-DP
DP Slaves
PLC
Actuator (^) Sensor
Figura 10: Sistema Mono-mestre PROFIBUS DP
Em sistemas mono-master somente um mestre é ativo no barramento durante a fase de operação da rede. A figura10 mostra a configuração de um sistema mono-master. O PLC é o controlador central, sendo os DP-escravos distribuídos conectados à ele via o barramento. Sistemas Mono-master possuem tempo de ciclo curtíssimo.
Em configurações multi-master vários mestres são ligados a um único barramento. Estes mestres são sub-sistemas independentes, cada um consistindo em um mestre DPM1 e seus respectivos escravos DP, opcionalmente com dispositivos de configuração e diagnóstico adicionais. A imagem de entrada e saída dos escravos de DP podem ser lidas por todo os mestres DP. Entretanto, somente um único mestre DP (por ex.:o DPM1 designado durante configuração) poderá escrever em uma saída. Naturalmente sistemas Multi- mestres possuem um tempo de ciclo mais longo que sistemas Mono-Mestre.
4.1.3. Comportamento do sistema
A especificação do PROFIBUS DP inclui uma detalhada descrição do comportamento do sistema para garantir a intercambiabilidade dos dispositivos. O comportamento de sistema é determinado principalmente pelo estado de operação do DPM1.
DPM1 pode ser controlado localmente ou via o bus pelo dispositivo de configuração. Há três estados principais:
STOP : neste estado, nenhuma transmissão de dado entre o DPM1 e os escravos DP ocorre.
CLEAR : neste estado, o DPM1 lê a informação de entrada dos escravos DP e retém as saídas no estado de segurança.
OPERATE : neste estado, o DPM1 está na fase de transferência de dados. Numa comunicação cíclica de dados, as entradas dos escravos DP são lidas, e as saídas são escritas nos escravos DP.
O DPM1 envia ciclicamente, em um intervalo de tempo determinado e configurável, seu estado atual à todos os escravos DP associados através do comando denominado Multicast
Já a reação do sistema à um erro durante a fase de transferência de dados para o DPM1 (por ex.: falha de um escravo DP) é determinado pelo parâmetro de configuração auto-clear. Se este parâmetro está ativo (=1), o DPM1 altera todas as saídas do escravo DP defeituoso para um estado seguro, assim que tenha detectado que este escravo não está respondendo suas requisições. O DPM1 muda então para o estado CLEAR. No outro caso, isto é, se este parâmetro não está ativo (=0), o DPM1 permanece no estado OPERATE mesmo quando uma falha ocorre, e o usuário então deve programar a reação do sistema, por exemplo, através do software aplicativo.
4.1.4. Transmissão Cíclica de Dados entre o DPM1 e os Escravos DP
A transmissão de dados entre o DPM1 e os escravos DP associados a ele é executado automaticamente pelo DPM1 em uma ordem definida, que repete-se. Quando configurando o sistema, o usuário especifica a associação de um escravo DP ao DPM1 e quais escravos DP serão incluídos ou excluídos da transmissão cíclica de dados do usuário.
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O escravo usa o controle de watchdog para detectar falhas do mestre ou na linha de transmissão. Se nenhuma comunicação com o mestre ocorre dentro do intervalo de controle de watchdog, o escravo automaticamente muda suas saídas para o estado de segurança (fail-safe).
Adicionalmente, proteção de acesso é requerida para as entradas e saídas dos escravos DP que operam em sistemas multi-mestres. Isto assegura que o direito de acesso só pode ser executado pelo mestre autorizado. Para todos outros mestres, os escravos oferecem uma imagem de suas entradas e saídas que podem ser lidas de qualquer mestre, sem direito de acesso.
4.2. Funções estendidas do PROFIBUS DP
As funções estendidas do PROFIBUS-DP torna-o possível transmitir funções acíclicas de leitura e escrita, bem como alarmes entre mestre e escravos, independente da comunicação cíclica de dados. Isto permite, por exemplo, a utilização de um Terminal de Engenharia (DPM2) para a otimização dos parâmetros de um dispositivo (escravo) ou para se obter o valor do status de um dispositivo, sem perturbar a operação do sistema. Com estas funções estendidas, o PROFIBUS-DP atende os requisitos de dispositivos complexos que freqüentemente têm que ser parametrizados durante a operação da rede. Hoje em dia, as funções estendidas do PROFIBUS-DP são principalmente utilizadas na operação online dos dispositivos de campo em PROFIBUS-PA através de Terminais de Engenharia. A transmissão dos dados acíclicos é executada com uma baixa prioridade, paralelamente a transferência cíclica de dados. O mestre requer algum tempo adicional para executar os serviços de comunicação acíclico. Para permitir isto, a ferramenta de parametrização normalmente aumenta o tempo de circulação do token o suficiente para dar ao mestre a chance de executar não somente as comunicações cíclica de dados mas também tarefas acíclicas.
Estas funções são opcionais, porém compatíveis com as funções básicas do PROFIBUS-DP. Dispositivos existentes que não necessitam ou não queiram utilizar estas novas funções continuam a ser utilizados, já que estas funções são complementares às funções básica existentes. As extensões do PROFIBUS-DP são especificadas na diretriz técnica de PROFIBUS No. 2.082.
4.2.1. Endereçamento com slot e index
Ao se endereçar os dados no PROFIBUS supõe-se que os escravos estejam montados como um bloco físico, ou que possam ser estruturados internamente em unidades de função lógicas, chamados de módulos. Este modelo também é usado nas funções básicas do PROFIBUS-DP para transmissão cíclica de dados, onde cada módulo tem um número constante de bytes de entrada e/ou saída que são transmitidos, sempre em uma mesma posição no telegrama de dados do usuário. O procedimento de endereçamento é baseado em identificadores que caracterizam o tipo do módulo, tal como entrada, saída ou uma combinação de ambos. Todo identificadores juntos resultam na configuração do escravo, que também é verificada pelo DPM1 quando o sistema inicializa.
Os serviços acíclicos também são baseados neste modelo. Todos blocos de dados habilitados para acessos de leitura e escrita também são considerados pertencentes aos módulos. Estes blocos podem ser endereçados por um número de slot (ranhura) e ïndex (índice). O número de slot endereça o módulo, e o index endereça o bloco de dados pertencente à um módulo. Cada bloco de dados pode ter um tamanho de até 244 bytes, ver Fig. 12. Com dispositivos modulares, o número de slot é designado aos módulos. Iniciando com 1, os módulos são numerados consecutivamente em ordem crescente. O slot número 0 é atribuído ao próprio dispositivo. Dispositivos compactos são tratados como uma unidade de módulo virtual.
20 Associação PROFIBUS Brasil
Basic device unit
Index 0-
Index
Modul 1
Index 0-
8 Digital OUT
Modul 2
Index 0-
16 Digital OUT
Modul 3
Index 0-
8 Digital IN
Modul 4
Index 0-
1 Analog IN
0 1 2 3 4
Representation of data during data transmission
1 byte output (module 1)
2 byte output (module 3)
1 byte input (module 3)
4 byte output (module 4)
Request:
Response:
... ...
...
Slot_Number in ascending order from left to right
Fig. 12: Endereçamento nos serviços acíclicos de leitura e escrita dos serviços do PROFIBUS-DP
Usando a especificação de comprimento na requisição de leitura e escrita, é também possível ler ou escrever partes de um bloco de dados. Se acesso aos blocos de dados for bem sucedido, o escravo responde a leitura ou escrita positivamente. Se o acesso não for bem sucedido, o escravo dá uma resposta negativa com a qual é possível identificar o erro ou problema.
4.2.2. Transmissão acíclica de dados entre um DPM1 e os escravos
As seguintes funções são disponíveis para comunicação acíclica de dados entre um mestre (DPM1) e os escravos.
MSAC1_Read : o mestre lê um bloco de dados de um escravo.
MSAC1_Write : o mestre escreve um bloco de dados de um escravo.
MSAC1_Alarm: transmissão de um alarme do escravo para o mestre. A confirmação de um alarme é explicitamente reconhecida pelo mestre. Somente após o reconhecimento ter sido recebido, é que o escravo é capaz de enviar uma nova mensagem de alarme. Isto significa, que um alarme nunca pode ser sobrescrito.
MSAC1_Alarm_Acknowledge : o mestre envia um mensagem de reconhecimento para o escravo que enviou um alarme.
MSAC1_Status : transmissão de uma mensagem de estado do escravo para o mestre. Não haverá mensagem de reconhecimento do envio. As mensagens de estado, portanto, podem ser sobrescritas. Os dados são transferidos através de uma conexão. Esta conexão é estabelecida pelo DPM1. Esta função só pode ser usada por um mestre que tem também parametrizado e configurado o escravo em questão.
4.2.3. Transmissão acíclica de dados entre um DPM2 e escravos
As seguintes funções são disponíveis para comunicação acíclica de dados entre um Terminal de Engenharia (DPM2) e escravos.
MSAC2_Initiate e MSAC_Abort : estabelece e encerra uma conexão para comunicação de dados acíclicos entre um DPM2 e um escravo.
MSAC2_Read : o mestre lê um bloco de dados de um escravo.
MSAC2_Write : o mestre escreve um bloco de dados de um escravo.
