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REDES PROFIBUS ; Comunicação Industrial
Tipologia: Notas de estudo
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Trabalho
Alunos: Alexandre Esteca / RA: 03030325 Turma: Richard Roberto Caires / RA: 03030289
Professor: Marcelo
Este trabalho tem como objetivo descrever o sistema de Redes PROFIBUS
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
Hoje, estima-se em mais de 10 milhões de nós instalados com tecnologia PROFIBUS e mais de 1000 plantas com tecnologia PROFIBUS PA. São 24 organizações regionais (RPAs) e 29 Centros de Competência em PROFIBUS (PCCs), localizados estrategicamente em diversos países, de modo a oferecer suporte aos seus usuários. O PROFIBUS INTERNATIONAL (PI) agora ostenta mais de 1100 membros em todo o mundo. Assim como patrocinar o extenso range de desenvolvimento de tecnologia e sua aceitação, PI também utiliza esforços adicionais de membros (usuários e fabricantes) com conselho, informação e procedimentos para assegurar a qualidade assim como a padronização da tecnologia em padrões internacionais. A PI forma a maior associação de usuários de barramentos de campo no mundo. Isto representa futuras oportunidades e responsabilidades em medidas iguais, oportunidade para continuar criando e estabelecendo tecnologias de liderança que são úteis aos usuários e responsabilidade para aqueles à cabeça destas associações de usuários para que não vacilem em seus empenhos de buscar a abertura e a proteção de investimento para o PROFIBUS no futuro. Este compromisso serve como guia principal para todo interesse para que não vacilem em seus empenhos de buscar a abertura e a proteção de investimento para o PROFIBUS no futuro. Este compromisso serve como guia principal para todo interesse. São mais de 2.000 produtos disponíveis no mercado, atendendo às mais diversas necessidades de aplicações. Em termos de desenvolvimento, vale a pena lembrar que a tecnologia é estável, porém não é estática. As empresas-membro do PROFIBUS International estão sempre reunidas nos chamados Work Groups atentas às novas demandas de mercado e garantindo novos benefícios com o advento de novas características.
O PROFIBUS pode ser usado tanto em aplicações com transmissão de dados em alta velocidade como em tarefas complexas e extensas de comunicação. Através de seu contínuo esforço de desenvolvimento tecnológico, o PROFIBUS é o sistema de comunicação industrial mais bem preparado para o futuro. A Organização de Usuários PROFIBUS está atualmente trabalhando na implementação de novos conceitos universais. PROFIBUS oferece diferente protocolos de comunicação (Communication Profile) que de acordo com a aplicação, pode-se utilizar como meio de transmissão (Physical Profile) qualquer um dos seguintes padrões: RS-485, IEC 61158-2 ou Fibra Ótica. O Perfil da Aplicação (Aplication Profile) define as opções do protocolo e da tecnologia de transmissão requerida nas respectivas áreas de aplicação e para os vários tipos de dispositivos. Estes perfis também definem o comportamento do dispositivo.
O perfil de comunicação PROFIBUS define como os dados serão transmitidos serialmente através do meio de comunicação.
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.
O PROFIBUS especifica as características técnica e funcionais de um sistema de comunicação industrial, através do qual dispositivos digitais podem se interconectar, desde do nível de campo até o nível de células. O PROFIBUS é um sistema multi-mestre e permite a operação conjunta de diversos sistemas de automação, engenharia ou visualização, com seus respectivos dispositivos periféricos (por ex. I/O’s). O PROFIBUS diferencia seus dispositivos entre mestres e escravos. Dispositivos mestres determinam a comunicação de dados no barramento. Um mestre pode enviar mensagens, sem uma requisição externa, sempre que possuir o direito de acesso ao barramento (o token). Os mestres também são chamados de estações ativas no protocolo PROFIBUS. Os dispositivos escravos são dispositivos remotos (de periferia), tais como módulos de I/O, válvulas, acionamentos de velocidade variável e transdutores ou mesmo os equipamentos em PROFIBUS PA. Eles não têm direito de acesso ao barramento e só podem enviar mensagens ao mestre ou reconhecer mensagens recebidas quando solicitados. Os escravos também são chamados estações passivas. Já que para executar estas funções de comunicação somente um pequena parte do protocolo se faz necessária, sua implementação é particularmente econômica.
O PROFIBUS é baseado em padrões reconhecidos internacionalmente, sendo sua arquitetura de protocolo orientada ao modelo de referência OSI (Open System Interconnection) conforme o padrão internacional ISO 7498. Neste modelo, a camada 1 (nível físico) define as características físicas de transmissão, a camada 2 (data link layer) define o protocolo de acesso ao meio e a camada 7 (application layer) define as funções de aplicação.
O PROFIBUS-DP usa somente as camadas 1 e 2, bem como a interface do usuário. As camadas 3 a 7 não são utilizadas. Esta arquitetura simplificada assegura uma transmissão de dados eficiente e rápida. O Direct Data Link Mapper (DDLM) proporciona à interface do usuário acesso fácil à camada 2. As funções de aplicação disponíveis ao usuário, assim como o comportamento dos dispositivos e do sistemas dos vários tipos de dispositivos DP, são especificados na Interface do Usuário. No PROFIBUS-FMS as camadas 1, 2 e 7 são de especial importância. A camada de aplicação é composta do FMS (Fieldbus Message Specification) e do LLI (Lower Layer Interface). O FMS define uma ampla seleção de serviços de comunicação mestre-mestre ou mestre-escravo. O LLI define a representação destes serviços FMS no protocolo de transmissão de dados.
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-
Tabela 3: 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. 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.
Já no caso de grau de proteção IP65/76, existem 3 alternativas para a conexão:
Existia grande demanda entre usuários para apoiar o uso do RS485 com suas rápidas taxas de transmissão em áreas intrinsecamente seguras. O PNO encarou esta tarefa e desenvolveu uma diretriz para a configuração de soluções RS485 intrinsecamente seguras com capacidade de troca de dados simples de dispositivos. A especificação dos detalhes da interface, os níveis para corrente e tensão que precisam ser aderidos para todas as estações devem assegurar um funcionamento seguro durante a operação. Um circuito elétrico permite correntes máximas em um nível de tensão específico.
Quando conectar fontes ativas, a soma das correntes de todas as estações precisa não exceder a corrente máxima permissível. Uma inovação do conceito RS485–IS é que, em contraste ao modelo FISCO que tem somente uma fonte intrinsecamente segura, todas as estações representam agora fontes ativas. As investigações contínuas da agência de testes, nos leva a esperar que será possível conectar até 32 estações no circuito de barramento intrinsecamente seguro.
Transmissão síncrona em conformidade à norma IEC 61158-2, com uma taxa de transmissão definida em 31,25 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 (Fieldbus Intrinsically Safe Concept). 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
Veja Figura 7. A combinação geralmente otimiza o comprimento do bus e permite a adaptação de um sistema eventualmente existente.
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.
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 6, e determina-se o comprimento de linha para o tipo de cabo selecionado conforme tabela 7. 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 (Corrente do consumida pelo equipamento em desconexão por falha). O FDE evita que dispositivos defeituosos bloqueiem o barramento permanentemente.
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.
O procedimento de passagem do Token garante que o direito de acesso ao barramento (o token) é designado a cada mestre dentro de um intervalo preciso de tempo. A mensagem de Token, um telegrama especial para passar direitos de acesso de um mestre ao próximo mestre, deve ser distribuída no anel lógico de Token pelo menos uma vez a todos mestres dentro de um intervalo de tempo máximo denominado tempo de rotação do Token. No PROFIBUS o procedimento de passagem de Token somente é utilizado na comunicação entre estações ativas (mestres). O procedimento mestre-escravo permite ao mestre que no momento possui o Token acessar seus próprios escravos. O mestre pode enviar mensagens aos escravos ou ler mensagens dos escravos. Este método de acesso permite as seguintes configurações de sistema:
A figura 8 mostra uma configuração PROFIBUS com três estações ativas (mestres) e sete estações passivas (escravos). Os três mestres formam um anel lógico de Token. No momento que uma estação ativa recebe o telegrama de Token passa a executar seu papel de mestre durante um determinado período de tempo. Durante este tempo, pode comunicar-se com todas estações escravas num relacionamento de comunicação de mestre-escravo e com todas estações mestres num relacionamento mestre-mestre de comunicação. 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).
Cada perfil de comunicação PROFIBUS utiliza um subset específico dos serviços 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).
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.
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.
Em sistemas mono-master somente um mestre é ativo no barramento durante a fase de operação da rede. A figura10a 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 (Fig.10b) 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.
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
