Overview da Tecnologia Profibus

César Cassiolato

Diretor de Marketing, Qualidade, Assistência Técnica, Instalações e Montagens –Smar Presidente da Associação Profibus Brasil América Latina

Overview

Overview

da

da

Tecnologia

Tecnologia

Profibus

Profibus

Smar Equipamentos Ind. Ltda.

Sensorbus

• Seriplex • ASI • INTERBUSLoop

Devicebus

• Device Net • SDS • Profibus DP • LONWorks • INTERBUS-S

Fieldbus

• IEC/ISA SP50 • Profibus PA • HART • Foundation Fieldbus Tipo de Dispositivo Tipo de controle Controle de Processo Controle Lógico

bit byte bloco

Dispositivo Simples Dispositivo Complexo

CNC

VME/PC

Router / Firewall

Ethernet/TCP/IP Plant Backbone

PROFIBUS-DP _PROFIBUS-PA Nível de Fábrica Tempo de ciclo < 1000 ms Células Tempo de ciclo < 100 ms Nível de Campo Tempo de ciclo < 10 ms PLC ETHERNET DCS

Comunicação Transparente

PROFIBUS – Topologias de Rede

OLM OLM P R O F IB U S D P Fibra ótica DP/PA link ILM Infra-vermelho PROFIBUS P A DP/PA link PROFIBUS DP/iS Barreira + Repetidor ILM OLM DP/PA link Repetidor PROFIBUS PA – Topologias de Rede: • redundante • anel • linha • estrela • Eex / Não-Eex RS485

Par de fios trançados – IEC61158-2

•RS 485: Profibus DP

•RS 485 iS: DP em áreas (Ex) •IEC 61158-2: Profibus PA •Fibra Ótica: Profibus DP

•

RS 485 (Profibus DP)

•

Transmissão Assíncrona NRZ

•

Baud rates de 9.6 kBit/s a 12 MBit/s selecionável

•

Par trançado com shield

•

32 estações por segmento, max. 126 estações

•

Distância dependente do baud rate

•

12 MBit/s = 100 m; 1.5 MBit/s = 200m; < 187.5 kBit/s = 1000 m

•

Distância expansível até 10Km com o uso de repetidores

•

9 PIN, D-Sub conector

•

Vale lembrar que os equipamentos PROFIBUS DP não são alimentados pelo barramento.

•

Possibilidade de Segurança Intrínseca: RS485-IS

•

IEC 61158-2 (H1- Profibus PA)

•

Transmissão Síncrona Manchester bi-fase, 31.25 kBit/s, modo corrente

•

Segurança Intrínseca (opcional) e alimentação via barramento (depende do fabricante)

•

Par de cabo trançado com ou sem shield

•

Distância de 1900 m por segmento, expansível até 10Km com o uso de repetidores (até 4)

•

max. 126 estações, 10-32 por segmento (dep. da classificação da área e do consumo dos equipamentos)

PROFIBUS-DP

•

Excelente para substituir extensos cabeamentos entre PLC/SDCD/PC e E/S

•

Muito rápido, transmite 1 kByte de dado de entrada e saída em menos de 2ms

•

Poderosas ferramentas reduzem os esforços de configuração e manutenção

•

Suportado pelos principais fabricantes de PLCs e SDCDs

•

Vários tipos de produtos, isto é, PLC, SDCD, PC, I/O remoto, Inversores de

Frequência, CCMs inteligentes, Válvulas, Encoders

•

Comunicação cíclica e acíclica(via funções DPV1)

•

Comunicação Mono e multi mestres

•

Até 244 bytes de dados de entrada e 244 bytes de saída por estação

•

Distância Hamming HD = 4

– HD 4 significa que até 3 falhas de transmissões ao mesmo tempo podem ser

detectadas (feito pelo ASICs);

Principais catacterísticas:

Comunicação Mestre e Escravo

PLC, SDCD ou PC Industrial

Acionamentos Profibus-PA 31.25 kbit/s 24 V Remote I/O Equipamentos PA

Sistemas com Mono mestre alcançam tempos de respostas muito curtos

Eles consistem de

- 1 Mestre DP (Classe 1) - 1 a 125 escravos DP

Comunicação Multimestre,

passagem do token

PLC / SDCD / PC

PC Industrial

token token token

tokentokentoken

Profibus-PA 31.25 kbit/s 24 V Drivers Remote I/O Equipamentos PA

Vários mestres DP podem acessar os escravos com as funções de leituras

Um sistema multi-mestre consiste de: - múltiplos mestres (classe 1 ou 2) - 1 a 124 DP-Slaves no máximo

Cabo Profibus - DP

•

Cabo Recomendado: Tipo A

•

Impedância (Ω): 135 a 165

•

Freqüência (MHz) : 3 a 20

•

Capacitância (pF/m): < 30

•

Resistência de Loop (Ω/km): <110

•

Seção (mm²): >= 0.34

PROFIBUS-DP:

Distâncias Max. Permitidas

•

Verificação das distâncias máximas permitidas

–

Distâncias limites dependem do tipo do cabo assim como da

taxa de comunicação

0 6.6 20 33 100 500 500 Spur Máximo (m) 100 193.4 380 967 900 500 500 Tronco Máximo (m) 100 200 400 1000 1200 1200 1200 Comprimento Total (m) ou Segmento (m) 12000 1500 500 187.5 93.75 19.2 9.6 Baud rate (kbit/s)

-

Distância Mínima entre slaves deve ser respeitada

-

Com fibra ótica Sintética consegue-se Longa distância, > 80 km

Detalhes da instalação

•

Terminação(RS485)

– Cada segmento necessita ser terminado nas duas extremidades;

– Terminação deve ser energizada todo o tempo;

– Se possível, usar uma terminação no mestre;

– A potência para a terminação precisa ser provida pelo equipamento.

•

Devemos colocar sempre o repetidor quando temos que expandir a capacidade de

escravos no DP, considerando como limite 32 devices/segmento, sendo que o

mestre conta como um device e o repetidor também

•

Além disso, como o repetidor garante isolação galvânica, deve-se tê-lo sempre

que tenhamos uma área geradora de ruídos e com isto reduziremos o ruído e

potencial transientes em modo comum.

•

Pode ser que tenhamos(e com grande probabilidade) diferença de terra entre as

áreas por onde passa o DP e por isto, devemos colocar, como por exemplo no

CCM, o repetidor DP para que tenhamos a isolação galvânica e ainda, isto fará

com que o sinal não seja afetado pelo diferencial de terra de outra área ou mesmo

afete outra área.

•

Alguns fornecedores já providenciam o repetidor no CCM.

•

Outro uso do repetidor DP é quando deseja-se criar braços além do tronco

principal e existe uma regra que define a máxima distância entre duas estações.

PROFIBUS-DP:

Repetidores

PROFIBUS-DP:

Repetidores & Terminadores

• Repetidores & Terminadores

– Quando o mestre está localizado no início do barramento com um terminador

ativo e o último escravo, o mais distante do mestre, também possui terminador

ativo, deve-se atentar para que este último escravo deva permanecer alimentado o

tempo todo, pois durante sua manutenção ou reposição, pode haver comunicação

termitente com os outros devices.

• Repetidores & Terminadores

– Quando o mestre está localizado no início do barramento com um terminador

ativo e se tem repetidores deve-se ter um terminador na chegada e saída do

repetidor, sempre que se tem um segmento novo.

PROFIBUS-DP:

PROFIBUS-DP:

Repetidores & Terminadores

• Repetidores & Terminadores

– Quando devido à arquitetura e/ou topologia tem-se algo como a figura, onde se tem o

mestre no meio do barramento, deve-se colocar os terminadores no primeiro escravo(o mais a esquerda do mestre) e no último(o mais distante), mantendo-os sempre energizados. Aqui também, durante a manutenção ou reposição, pode haver comunicação intermitente com os outros devices.

•

Terminadores

–

Verifique a posição de ativação dos terminadores de acordo com o

que foi visto anterior e se certifique que apenas dois terminadores

estejam ativos.

–

No caso de repetidores, vale o que já vimos anteriormente.

–

Um outro cuidado que se deve tomar é o excesso de terminação;

alguns devices possuem terminação on-board.

–

Verifique também se no caso de uma parada se os terminadores

possuem energização suficiente.

Profibus-DP: Formas de Onda

•

Formas de onda no RS-485, entre o pino 3 e 8

VODidle – tensão diferencial em repouso(sem transmissão ativa) UODlow – tensão diferencial na fase negativa

UODhigh – tensão diferencial na fase positiva UODss – nivel máximo de saída, pico-a-pico

UTH – tensão de limiar do receptor (±0.2V de acordo com a EIA 485 /4/)

A forma de onda dependerá da taxa de comunicação, sendo um sinal

normalmente excursionando entre -7V e +12V. Pode ser encontrado

excursões de -9V a +14V ou ainda -8V a +13V, dependendo do driver 485

usado.

Profibus-DP: Formas de Onda &

Terminadores

• Terminação ativa na posição incorreta (fig. da esquerda) e com a terminação correta. • Observe que tanto o nível quanto a forma de onda são degradados.

• O ativação incorreta do terminador causa descasamento de impedância e reflexões do sinal, uma vez

que além do terminador ainda tem cabo com sua impendância.

•

A falta de terminação(esquerda), onde o não casamento de impedância faz com que o cabo

Profibus fique susceptível a reflexão de sinal, atuando como uma antena.

• Na forma de onda à direita, podemos ver a falta de terminação.

•

Sem Ativação do BT

Profibus-DP: Formas de Onda &

Terminadores

Profibus-DP: Formas de Onda &

Terminadores

•

O Tamanho do tronco além dos limites

• A forma de onda gerada pelo fato de um tamanho de tronco além do permitido (esquerda) e

com o tamanho de tronco dentro dos limites(direita).

• Observe que tanto o nível quanto a forma de onda são degradados e há geração de spiking e

ruídos.

PROFIBUS-DP:

Shield & Aterramento

•

Shield

– O shield (a malha, assim como a lâmina de alumínio) deve ser conectado ao terra

funcional do sistema em todos os conectores DP do cabo, de tal forma a proporcionar

uma ampla área de conexão com a superfície condutiva aterrada.

– Onde se tem um diferencial de tensão entre os pontos de aterramento recomenda-se

passar junto ao cabeamento uma linha de equalização de potencial (às vezes a própria

calha metálica pode ser usada ou um cabo AWG 10-12).

Profibus-DP: Instalações

Mecânicas

•

Instalações Mecâncias

– Verifique para cada equipamento, caixa de distribuição,

caixa de junção, etc, se a classificação IP está adequada e

ainda se a vedação de cabos e roscas estão adequadas,

assim como, se os prensa-cabos estão adequados e vedados,

etc.

– Além disso, verifique a rigidez das conexões elétricas e

acabamentos das conexões, acabamento do shield, do

aterramento, etc.

Device Data Base Files GSD-file PROFIBUS Ferramenta de configuração (Mestre Classe 2)

Configu

ração d

o Sistem

a

Configuração Aberta

PLC / SDCD / PC

(Mestre Classe 1)

Field device

I/O Sensor Drive

M Trans-mitter Field device

PROFIBUS - DP

É um protocolo de comunicação dedicado à Automação de

Processos e otimizado para equipamentos de campo.

• Transmissores, Válvulas, Atuadores, Conversores, etc.

• Interligados e alimentados via barramento fieldbus.

• Cada equipamento de campo possui um endereço físico e único

no barramento.

• Possibilidades de uso em áreas classificadas (Zonas 0, 1, e 2)

em modo Intrinsecamente Seguro (Ex ia/ib).

PROFIBUS - PA

• Baseado no PROFIBUS-DP e transmissão IEC 61158-2

• Interoperabilidade e intercambialidade devido ao perfil

PROFIBUS-PA

– Blocos Funcionais

– Diagnósticos disponíveis nos instrumentos, facilitando a

manutenção

– Baixo consumo de energia

– Distância até 1900m por segmento, sem repetidores

Características

• Sinal de comunicação: codificação Manchester com a

modulação de corrente

• Topologia: Barramento, árvore/estrela, ponto-a-ponto

• Alimentação: via barramento ou externa, 9-32Vdc em

áreas não intrinsecamente seguras

• Baude rate: 31.25 kbit/s

• Permite no máximo 32 equipamentos (non-”Ex”) por segmento,

num total de 126 equipamentos

• Aproximadamente 9 equipamentos (Explosion Group IIC)

• Aproximadamente 23 equipamentos (Explosion Group IIB)

• Permite 4 repetidores: distâncias até 10Km.

• Cabeamento máximo de 1900m, sem repetidores

• Spur max de 120m/spur.

Características

Rede Profibus

100 Ohm C

100 Ohm

Terminador

C é dimensionado para 31.25 kbit/s

Obs: como opção, um dos terminadores pode ter derivação central aterrada para evitar acúmulo de tensão na rede Profibus.

FONTE ALIM.

H1 - 31.25 kbit/s Modo Tensão

Transmitindo Idle Equipamento Profibus I (mA) 10 ~ 25 _{15 ~ 20 mA} C

V = 50

Ω x 20mA = 1000 mV

V (volt) 0.75 ~ 1 Vpp 9 ~ 32

Zeq= 50

Ω ( 31.25 KHz )

BT302 Bus terminator

Profibus-PA: Sinais em função

do BT

• Classe 1: responsável pelas operações cíclicas (leitura/escrita) e

controle das malhas abertas e fechadas do sistema de

controle/automação (PLC).

• Classe 2: responsável pelos acessos acíclicos dos parâmetros e

funções dos equipamentos PA (estação de engenharia ou estação

de operação: PDM).

Obs:

- os mestres trabalham com o meio físico RS485 ou fibra ótica

(até 12 Mbits/s quando são utilizados os DP/PA Links + Couplers ou

SK2/SK3 da P+F para os segmentos em Profibus PA)

- os equipamentos de campo são somente escravos.

Mestres: Possui dois tipos de mestres:

• São dispositivos utilizados para traduzir as características físicas entre o

PROFIBUS DP (RS485) e o PROFIBUS PA (H1:31,25kbits/s)

• São transparentes para os mestres (não possuem endereço no barramento

Profibus DP)

• Atendem aplicações de segurança intrínseca (Ex) e (Non-Ex), definindo e

limitando o número máximo de equipamentos em cada segmento PA. O número

máximo de devices depende da somatória das correntes dos devices no segmento

e distâncias envolvidas no cabeamento.

• São alimentados com 24 Vdc.

• Exemplos: Couplers Pepperl+Fuchs (93.75 kbits/s SK2/SK3:12Mbits/s) e Siemens

(45.45 kbits/s).

Couplers:

Couplers

Existe um diagrama de conexões

• São dispositivos utilizados como escravos da rede PROFIBUS DP (RS485 até

12Mbits/s) e mestre da rede PROFIBUS PA (H1:31,25kbits/s).

• Permitem taxas de até 12Mbits/s no barramento Profibus DP.

• Permitem que sejam acoplados até 5 couplers, com um número máximo de

dispositivos de 64, dependendo do número de slots (Function Blocks) ocupados pos

cada instrumento e/ou atuador

• Possuem endereço físico no barramento Profibus DP.

• Exemplo: IM157 - Siemens

Links:

Link Device: IM157

Links

Fonte de Alimentação 24 VDC IM 157 DP/PA Coupler 1 DP/PA Coupler 2

Qual Cabo Profibus PA Utilizar ?

• Tipo de Cabo: Par trançado 1x2, 2x2 ou 1x4 com shield

• Impedância: 35 a 165 Ohm nas frequências de 3 à 20 MHz

• Capacitância do Cabo: Menor que 30 pF por metro

PROFIBUS-PA: Spur & Devices

•

Quantidade

–

Verifique o comprimento dos spurs. A quantidade de Equipamentos

PA(deve ser considerado os repetidores quando houver) deve estar de

acordo com a tabela . Em áreas classificadas o spur máximo é de 30m

1 x 32 = 32 1 1 1 1 25-32 24 x 30 = 720 1 1 1 30 19-24 18 x 60 = 1080 1 1 30 60 15-18 14 x 90 = 1260 1 30 60 90 13-14 12 x 120 =1440 30 60 90 120 1-12 Comprimento considerando a quantidade máxima de spurs (m) Comprimento do Spur (m) com 04 equip. Comprimento do Spur (m) com 03 equip. Comprimento do Spur (m) com 02 equip. Comprimento do Spur (m) com 01 equip. Total de Equipamentos PA por segmento coupler DP/PA

•

Dimensionando a rede PA

–

ISeg = Σ IBN + IFDE + IFREE

Sendo que ISeg < I C

Onde :

•

ISeg = corrente no segmento PA

•

Σ IBN = somatória das correntes quiescentes de todos os

equipamentos no segmento PA

•

IFDE = corrente adicional em caso de fallha, normalmente

desprezível

•

IFREE = corrente de folga, útil em caso de expansão ou troca de

fabricante, recomendado 20 mA

•

IC = corrente drenada pelo coupler

PROFIBUS-PA: Dimensionamento em função do cabo,

distâncias, equipamentos

PLC / SDCD / PC PROFIBUS DP DP/PA COUPLER PROFIBUS-PA 31.25 kbit/s Escravos 24V 24V PROFIBUS-DP 45.45 kbit/s ou 93.75 kbit/s Mestre

4

3

2

1

Endereçamento do sistema PROFIBUS

PLC / SDCD / PC PROFIBUS DP COUPLER PROFIBUS-PA 31.25 kbit/s Escravos 24V 24V PROFIBUS-DP até 12 Mbit/s DP/PA LINK Max. 64 equipamentos por link IM157 - Non-Ex Max. 35 equipamentos por link IM157 - Ex

Mestres

Max. 5 DP/PA Couplers por link IM157

2

3

2

1

2

₁

3

1

Links

O que devemos ter em uma rede

PROFIBUS-PA ?

• Placa de comunicação PROFIBUS-DP no microcomputador (Mestre Classe 2)

• Software de configuração e diagnóstico de dispositivos de campo

PROFIBUS-PA (Simatic PDM(Siemens), FieldCare(E+H, Metso), Pactware(Vega/Outros) ,

ProfibusView(Smar), AssetView(Smar), SmartVision(ABB), etc )

• DP/PA Coupler ou DP/PA Link + Coupler ou High Speed Couplers

• Controlador Lógico Programável, SDCD ou PC como Mestre Classe 1

•Terminadores de rede

• Dispositivos de campo (transmissores, posicionadores de válvulas, etc)

PROFIBUS-PA

• GSD (device master data) file: arquivo txt com detalhes de revisão de hardware

e software, bus timing do equipamento PA e informações sobre troca de dados

cíclicos. Deve ser um para cada tipo equipamento.

• DD (Device Description) para o Simatic PDM : arquivo ddl com a descrição de todos

os parâmetros de todos os blocos funcionais e métodos (calibração) e menus

operacionais.

Integração entre os segmentos

PROFIBUS-PA e PROFIBUS-DP

• DTMs (Device Type Manager) para sistemas FDT: AssetView, SmartVision,

FieldCare, Pactware

Arquivo GSD para um

instrumento Profibus PA

#Profibus_DP GSD_Revision = 2 Vendor_Name = "SMAR" Model_Name= "LD303" Revision= "1.0" Ident_Number= 0x0895 Protocol_Ident= 0 Station_Type= 0 Bitmap_Device = "Src0895n" FMS_supp= 0 Hardware_Release= "3.0" Software_Release= "1.17" 31.25_supp= 1 45.45_supp= 1 93.75_supp= 1 187.5_supp= 1 MaxTsdr_31.25= 100 MaxTsdr_45.45= 250 MaxTsdr_93.75= 1000 MaxTsdr_187.5= 1000 Redundancy= 0 Repeater_Ctrl_Sig= 0 24V_Pins= 0 Freeze_Mode_supp= 0 Sync_Mode_supp= 0 Auto_Baud_supp= 0 Set_Slave_Add_supp= 1 Min_Slave_Intervall= 250 Modular_Station= 1 Max_Module= 2 Max_Input_Len= 10 Max_Output_Len= 2 Max_Data_Len= 12 Max_Diag_Data_Len= 14 Slave_Family= 12 User_Prm_Data_Len= 0 ;

;Modules for Analog Input

Module = "Analog Input (short) " 0x94 EndModule

Module = "Analog Input (long) " 0x42, 0x84, 0x08, 0x05 EndModule

;

;Module for Totalizer

Module = "Total " 0x41, 0x84, 0x85 EndModule Module = "Total_Settot " 0xC1, 0x80, 0x84, 0x85 EndModule Module = "Total_Settot_Modetot " 0xC1, 0x81,0x84, 0x85 EndModule ; ;Empty module Module = "EMPTY_MODULE" 0x00 EndModule

Measured variable IEEE Floating Point

Format (4 Byte) Status Byte 00 . . . .= bad 01 . . . .= uncertain 10 . . . .= good . . . . = Sub status . . . 00 = Limits o.k. . . . 01 = low limit . . . 10 = high limit Parâmetrose variáveis de medição Comunicação

cíclica Byte de status

•

PROFIBUS PA provê alta resolução das variáveis de processos.

•

Todas variáveis de processos possuem um byte de status.

•

A avaliação do byte de status permite a validação da medição e pode ser usada

como diagnóstico online.

Valores medidos e Status da

medição (qualidade)

μP A

D

Sensor Device Genérico PA

PA-Interface

PROFIBUS PA

PROFIBUS DP

Device Genérico 4-20mA μP A D A D A D PROFIBUS DP 4 to 20 mA Remote I/O DP/PA-Link

PROFIBUS PA PROFIBUS DP PROFIBUS DP 4 a 20 mA Remote I/O DP/PA-Link Transmissor de Densidade Concentração

• Muitos equipamentos podem medir mais do que uma grandeza, podem receber e enviar valores aos controladores (PLC / SDCD / PC):

• Concentração(Brix), • Densidade(Kg/m3), • Temperatura(C)

Comunicação bidirecional multivariável

• Medidor de vazão(4-20mA)

• Totalização de vazão com entrada de reset • Totalização de vazão direta com entrada de

reset

• Totalização de vazão reversa com entrada

de reset

• Temperatura • etc

Sensor PROFIBUS PA PROFIBUS DP PROFIBUS DP Transmissor de Temperatura Sensor failure DP/PA-Link Remote I/O > 20 mA or < 4 mA

• Diagnósticos online são trocados ciclicamente com o mestre classe 1 permitindo identificar a falha

instantaneamente.

• No 4-20mA uma falha pode ser

detectada se a corrente sair desta faixa de 4-20mA, porém o usuário não

consegue diferenciar entre uma falha de sensor e outra falha qualquer.

Diagnóstico online cíclico em instrumentos

PROFIBUS PA e via mestre classe 2

AI

PID

AO

Falha de Sensor

Bad – Falha de Sensor IFS – Iniciar Falha Segura

Boa Cascata IFS Iniciar Falha Segura

Boa Cascata FSA Falha Segura Ativa Fail Safe Value: 50% Fail Safe Time: 3 s

Blocos Funcionais e Fail Safe

Obrigado

César Cassiolato

[email protected]

Smar Equipamentos Ind. Ltda.