AUTOMAÇÃO
/ Redes
20/02/2009 10:34:31
A Rede Profibus DP
Na edição anterior, iniciamos uma série de quatro de artigos sobre redes da Organização PROFIBUS, cujas principais redes suportadas são PROFIBUS DP, PROFIBUS PA e PROFInet. Naquela edição, fizemos uma abordagem geral da Organização PROFIBUS. Nesta, analisaremos com mais detalhes a primeira das três redes suportadas: PROFIBUS DP
Osmar Brune
Aplicações de Profibus DP
Esta rede tem sido aplicada principalmente na área de manufatura na indústria automobilística, de bebidas e outras. Mas sua participação na indústria de processos também tem crescido, por exemplo, na indústria química e petroquímica. Em indústrias de processo onde segurança intrínseca é exigida (áreas classificadas por risco de explosão), pode-se utilizar a rede PROFIBUS PA, que será objeto do próximo artigo desta série.
Meios Físicos de Transmissão
Existem duas possibilidades de meios físicos para PROFIBUS DP: -elétrico em padrão RS-485
-fibra ótica.
Além disso, será analisada a redundância de meios físicos.
Meio Físico RS-485 em Topologia de Barramento
Quando este meio físico é utilizado, deve ser empregada uma topologia de barramento, mostrada na
figura 1.
F.1 Topologia de Barramento para um Segmento RS-485
Um cabo PROFIBUS tipo A (roxo na figura 1, e na prática também normalmente fornecido na cor roxa) possui as características resumidas na tabela 1.
T.1 Características de um cabo PROFIBUS tipo A.
Considerando a utilização de um cabo tipo A, a tabela 2 mostra a velocidade de transmissão (baudrate) em função do comprimento do segmento (do cabo roxo mostrado na figura 1).
T.2 Baudrate X Comprimento.
Cada segmento RS-485 pode ter até 32 equipamentos, entre mestres, escravos e repetidores. Considerando que uma rede PROFIBUS pode ter até 126 estações (entre mestres e escravos), devem ser empregados repetidores para quebrar a rede em diversos segmentos RS-485, cada um deles com no máximo 32 equipamentos. Os repetidores podem ser elétricos (RS-485 para RS-485) ou óticos (RS -485 para fibra ótica).
Na instalação de uma rede PROFIBUS DP em meio físico RS-485, as seguintes recomendações devem ser seguidas, como ilustra a figura 2:
-nas duas extremidades da rede devem ser utilizados terminadores ativos (com alimentação em VP = +5 V e DGND = 0 V) para evitar problemas de reflexão e recepção -espúria de dados, quando nenhuma estação estiver transmitindo na linha.
-aterramento da blindagem do cabo em cada estação -encaminhamento dos cabos longe de cabos de energia.
F.2 Fiação e terminação para um segmento RS-485.
Meio Físico Ótico
O uso de fibra ótica é recomendável em diversas situações:
-para interligar áreas distantes entre si, sem reduzir o baudrate como aconteceria com um cabo RS-485 (ver tabela 2);
-para interligar áreas onde seja impossível aterrar a blindagem em cada equipamento, por exemplo, devido a grandes diferenças de potencial de terra;
-para conseguir isolação e imunidade a ruído;
-para conseguir proteção contra transientes e descargas atmosféricas, principalmente em redes que passam por áreas abertas.
Normalmente as estações PROFIBUS (mestres e escravos) vêm equipadas com conectores RS-485. O meio físico ótico geralmente é uma alternativa para unir diferentes segmentos RS-485 que estejam em áreas diferentes. Uma estratégia freqüentemente utilizada é criar pequenos segmentos RS-485 dentro de um armário elétrico, sala ou prédio, de preferência com comprimento de cabo até 100 metros para possibilitar altos baudrates (3 Mbps, ver tabela 2). E finalmente, unir estes diferentes segmentos RS-485 através de repetidores óticos. A figura 3 exibe dois segmentos RS-485 interligados via repetidores óticos.
F.3 Uso de repetidores óticos simples.
Uma característica adicional do meio físico ótico é a utilização de repetidores óticos que podem ser ligados na forma de anel, provendo uma tolerância a falha adicional, pois pode-se perder uma fibra do anel sem descontinuar a comunicação. Ilustra-se quatro segmentos RS-485 ligados opticamente entre si na forma de anel na figura 4. Para tanto, os repetidores óticos devem ter 2 canais óticos, e um dos repetidores deve ser configurado como gerenciador do anel (abrir ou fechar o anel, em função de testes cíclicos de integridade das fibras).
F.4 Uso de repetidores óticos duplos e anéis óticos.
Redundância de Meio Físico, Escravos e Mestres
A rede PROFIBUS DP vem sendo utilizada em aplicações críticas, onde tolerância a falhas é uma exigência (exemplo: plataformas de exploração de petróleo). A redundância tem sido empregada para obter esta tolerância a falhas.
A figura 5 apresenta uma arquitetura típica formada por um controlador programável redundante, ligado a estações de E/S remoto redundantes, através de uma rede PROFIBUS redundante. Mostra-se também algumas estações remotas simples ligadas em rede PROFIBUS simples, admitidas em sub-sistemas menos críticos de uma aplicação crítica. Neste caso, um equipamento especial (Y) é utilizado para interligar a rede simples (S) às redes redundantes (A e B).
F.5 Sistema redundante.
As seguintes observações podem ser feitas na figura 5:
Existem duas rede PROFIBUS independentes, denominadas A e B, onde se interligam dispositivos mestres ou escravos com suporte à redundância PROFIBUS. Cada uma destas redes, na figura 5, é um segmento elétrico RS-485. No entanto, é possível criar redes maiores compostas de vários segmentos RS-485 unidos opticamente entre si, na forma simples como mostra a figura 3, ou no feitio de anel como mostra a figura 4. Na forma de anel, consegue-se uma tolerância a falhas ainda maior. Encontra-se ilustrada também uma rede simples (S), destinada a escravos PROFIBUS sem suporte à redundância. O chaveador (Y) conecta a rede S ou à rede A, ou à rede B. Se o Y estiver conectando a rede S à rede A, e a rede A falhar, o mesmo comuta automática e rapidamente para conectar a rede S à rede B. Este chaveamento deve ser mais rápido do que o tempo de “watch-dog” da rede PROFIBUS, que será discutido posteriormente.
Os controladores programáveis centrais (CP1 e CP2) são duplicados, sendo que um deles (CP ativo) está controlando o sistema, e o outro (CP reserva) está apto a assumir o controle em caso de falha do primeiro. Cada CP central possui dois interfaces de rede PROFIBUS DP mestres para comunicação com os escravos, denominados de 1A e 1B para o CP1, e 2A e 2B para o CP2.
As estações de E/S remota PROFIBUS DP com suporte à redundância possuem duas interfaces PROFIBUS DP escravas independentes e substituíveis a quente em caso de falha (denominadas cabeça A e cabeça B), além de módulos de E/S. Uma destas interfaces (cabeça ativa) se comunica com os módulos de E/S e o outro (cabeça reserva) está apta a assumir a comunicação com os módulos de E/S em caso de falha da primeira.
Em um mesmo instante, algumas estações de E/S remota poderão estar com a cabeça A ativa, e outras com a cabeça B ativa.
Neste exemplo, como o CP1 e CP2 são redundantes, somente os mestres do CP em estado ativo (ou CP1, ou CP2) se comunicam com as estações de E/S remota das redes A e B. Por exemplo, se o CP1 estiver ativo, utilizará sua interface mestre 1A para se comunicar com as cabeças A, e sua interface mestre 1B para se comunicar com as cabeças B. Além disso, os mestres do CP2 (interfaces 2A e 2B) ficam supervisionando a comunicação dos respectivos mestres do CP1 (1A e 1B) para diagnosticar falhas na rede.
A comunicação ocorre simultaneamente nas redes A e B. O mestre da rede A escreve saídas e parâmetros nas cabeças da rede A, e lê entradas e diagnósticos das cabeças da rede A, enquanto o mesmo acontece na rede B. No entanto, considerando que somente uma das cabeças de uma remota está ativa (A ou B), as saídas recebidas do mestre pela cabeça reserva não são repassadas para os módulos de saída, e as entradas recebidas da cabeça reserva pelo mestre não são consideradas.
Funções Típicas de Comunicação do Protocolo DP V0
A comunicação entre um mestre e seus escravos PROFIBUS DP na versão DP V0 tem 4 funções principais além de outras secundárias:
1.Escrita nas saídas nos escravos (até 244 bytes por escravo). 2.Leitura das entradas dos escravos (até 244 bytes por escravo).
3.Escrita de parâmetros de configuração nos escravos (por exemplo, para definir se um módulo analógico se configura em 4-20 mA ou 0 a 10 V).
4.Leitura de diagnósticos dos escravos (exemplo: falha em um módulo de E/S).
No protocolo DP V0, ciclicamente o mestre manda uma mensagem para cada escravo contendo as saídas que devem ser transferidas para os módulos de saída deste escravo. Na mensagem de resposta, o escravo devolve as entradas lidas de seus módulos de entrada. Este ciclo é muito rápido e eficiente.
A figura 6 ilustra um gráfico de desempenho que assume a existência de um único mestre DP V0, e que cada escravo tenha 2 bytes de entrada e 2 bytes de saídas (por exemplo, 16 entradas digitais e 16 saídas digitais). No gráfico, observa-se que em menos de 2 ms pode-se varrer as entradas e saídas de 30 escravos nesta situação, em 12 Mbps.
F.6 – Alta Performance da Rede PROFIBUS
Os parâmetros são escritos na energização do sistema, ou após uma falha de comunicação. Os diagnósticos são lidos por exceção, isto é, quando um escravo tem diagnósticos para informar ao mestre, ele liga um bit na mensagem de resposta cíclica com as entradas. Isto faz com que o mestre execute uma leitura de diagnósticos neste escravo em seguida.
Quando um escravo fica sem receber requisições do seu mestre por um tempo superior ao tempo de watchdog, o mesmo pode ativar uma condição de segurança, desligando suas saídas por exemplo. Os projetos elétricos de sistemas normalmente devem prever que as saídas digitais e analógicas, quando desligadas, conduzam o processo controlado a uma parada segura. O tempo de watchdog é um parâmetro, transmitido do mestre para os escravos na inicialização.
Cada escravo deve pertencer a um único mestre.
Controle de Acesso ao Meio Físcico Determinístico - Token Big
Numa arquitetura onde só existe um mestre e diversos escravos deste mestre, existe apenas comunicação mestre-escravo, cujo controle de acesso ao meio é muito simples (similar àquele observado no protocolo MODBUS RTU, objeto de um artigo anterior). Esta simplicidade advém do fato de que somente o mestre inicia as comunicações, fazendo requisições que devem ser respondidas pelo escravo endereçado. É como numa sala de aula (dos velhos tempos é claro...) onde somente o professor falava, e um aluno só respondia ao professor quando indagado.
No entanto, pode haver diversos mestres em uma mesma rede PROFIBUS DP, sendo que cada um deles gerencia um grupo de escravos. Neste caso, é necessária uma disciplina de acesso ao meio físico para os diversos mestres transmitirem suas requisições. Esta disciplina se chama token-ring, e consiste em dar uma fatia de tempo para que cada mestre se comunique com seus respectivos escravos. Se não houvesse tal disciplina, vários mestres poderiam transmitir simultaneamente no meio físico comum, e a mistura das mensagens seria um ruído incompreensível (como várias pessoas falando ao mesmo tempo).
A necessidade do token-ring degrada a performance da rede PROFIBUS em relação àquela mostrada na figura 6, no entanto, de forma pouco significativa.
É importante ressaltar que a metodologia token-ring é determinística, o que é extremamente importante em uma rede de comunicação industrial. Em outras palavras, considerando as características da rede (baudrate, número de mestres, escravos e alguns outros parâmetros), é possível determinar o maior tempo que um mestre terá de esperar para ganhar acesso ao meio físico. Em contraposição a isto, existem redes que utilizam métodos estatísticos de controle de acesso ao meio, onde o tempo de espera pelo acesso ao meio não pode ser limitado (depende de métodos randômicos, e um mestre azarado poderia esperar para sempre teoricamente, embora a probabilidade de que isto aconteça seja baixa). Um exemplo de tal método é o CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Colision Detect), utilizado na rede Ethernet. Neste caso, um mestre só fala quando sentir que há silêncio na rede. Entretanto, outros mestres podem estar esperando pelo silêncio, e começarem a transmitir ao mesmo tempo, gerando uma colisão. Esta colisão é detectada pelos mestres, todos voltam a ficar em silêncio, e tentam transmitir novamente após um tempo estabelecido randomicamente. Devido a este tempo randômico, não se pode garantir que um mestre azarado (que sorteie altos tempos randômicos) consiga acesso ao meio num tempo máximo determinável.
Mestres Classe 1 e Classe 2
Um mestre classe 1 faz comunicação cíclica com os escravos para escrita de saídas e leitura de entradas, conforme descrito anteriormente, com eventuais leituras de diagnóstico e parametrizações. Um exemplo típico é um controlador programável. Ou seja, o mestre classe 1 contém as funções básicas necessárias para um sistema de automação.
Mestres classe 2 são utilizados para funções de engenharia, manutenção e calibração. Eles não precisam estar conectados permanentemente à rede.
Protocolo DP V1 e DP V2
O protocolo DP V0 foi o primeiro disponível historicamente para PROFIBUS DP. Posteriormente, foram definidos os protocolos V1 e V2 com funções estendidas.
A principal novidade do protocolo DP V1 é a capacidade de comunicações acíclicas, em paralelo com as comunicações cíclicas do DP V0, mas com prioridade menor. Isto permite, por exemplo, fazer parametrizações de escravos durante a operação, e não somente na energização. Uma das vantagens disso é ultrapassar o limite máximo de dados de E/S transferidos ciclicamente por escravo (máximo 244 bytes de entrada e 244 bytes de saída por escravo), pois blocos de dados agora podem ser lidos aciclicamente sob requisição do mestre. Outra vantagem é diminuir o tráfego na rede, através da leitura e escrita de dados menos prioritários de forma acíclica.
O protocolo DP V2 introduziu outras novidades interessantes:
Comunicação entre escravos: os dados de entradas respondidos por um escravo a uma requisição
de seu mestre podem ser capturados por outros escravos (broadcast da resposta), e utilizados como entradas para estes escravos. Isto possibilita diversas aplicações, por exemplo, um escravo inteligente do tipo válvula pode utilizar a leitura de um escravo tipo transmissor para fechamento de um laço PID sem intermediação do mestre.
Modo isócrono: permite que todos mestres e escravos da rede sincronizem ações de controle (por
Acerto de relógio: permite que mestres e escravos tenham seus relógios internos sincronizados com
erro menor do que 1 milissegundo, para a datação de eventos. Isto é muito importante, por exemplo, para a organização cronológica de eventos capturados em estações distintas da rede.
upload e download: permite a carga ou descarga de qualquer quantidade de dados de estações da
rede, por exemplo, leitura de eventos, atualizações de programas de um escravo inteligente, e outras funções.
Arquivos GSD: Chave para a Interoperabilidade
Todo mestre ou escravo PROFIBUS DP possui um arquivo texto em formato padrão (GSD) definido pelo Organização PROFIBUS, que define as características do dispositivo (quantidade e formato dos dados de entrada e saída, diagnósticos e parâmetros, e outras características).
Este arquivo acompanha o dispositivo na venda, e tipicamente também pode ser facilmente obtido no site do fabricante via Internet. Os programas de configuração de rede PROFIBUS, geralmente construídos para cada mestre, utilizam os arquivos GSD deste mestre e dos escravos da rede (independente do fabricante) para importar as características dos dispositivos. Os arquivos GSD, portanto, possibilitam a interoperabilidade entre dispositivos de vários fabricantes.
Remotas Compactas e Modulares
Remotas compactas possuem uma estrutura de E/S fixa, isto é, uma quantidade fixa de pontos de E/S. Remotas modulares podem ser expandidas em módulos. No caso de remotas modulares, cada um dos módulos é definido no arquivo GSD da mesma.
A figura 7 mostra um exemplo de remota modular, formado por uma cabeça remota (o interface de comunicação escravo PROFIBUS DP) com fonte embutida (à esquerda) e de diversos módulos de E/S à direita da cabeça.
F.7 – Exemplo de Remota Modular.
Conclusões
Este artigo é o segundo de uma série de quatro artigos sobre as principais redes suportadas pela Organização PROFIBUS. Os próximos dois artigos abordarão, respectivamente, as redes PROFIBUS PA e PROFInet.
Bibliografia
www.profibus.com
*Originalmente publicado na revista Mecatrônica Atual - Nº17 - Set/04
