Fundamentos e aplicações do protocolo Profibus

Profibus

A comunicação entre equipamentos e sistemas tem se tornado cada vez mais importante em diversas aplicações, seja na indústria, nas residências e até nos automóveis, o compartilhamento de informações tem se tornado essencial para a integração de sistemas eletrônicos.

Na indústria as redes de comunicação têm estado cada vez mais presentes, e para suprir a demanda de comunicação segura e confiável entre máquinas e equipamentos, diversos tipos de redes foram desenvolvidos.

Uma das redes mais utilizadas atualmente na indústria é a rede baseada no protocolo Profibus. Esse protocolo é utilizado por milhares de equipamentos industriais nas mais diversas aplicações, por exemplo: Plataformas de petróleo, Fábricas de bebida, Fábricas de automóveis, Indústria farmacêutica, enfim sua aplicação não tem limites.

Neste post apenas nos limitamos a caracterizar e diferenciar o protocolo profibus, de forma que o conhecimento seja útil para orientar o leitor na aplicação e na configuração da rede que utiliza o protocolo.  

A história do protocolo se inicia em 1987 na Alemanha quando 21 companhias se uniram para criar um barramento de campo que atendesse as necessidades industriais. O resultado foi um protocolo aberto onde dispositivos de diferentes fabricantes pudessem se comunicar livremente após serem configurados e adicionados na rede. Ou seja, o profibus tem a característica de interoperabilidade entre diversos fabricantes de equipamentos.

Os padrões da rede foram definidos pelas normas EN 50170/EN 50254 e posteriormente incluídos na IEC 61158/IEC 61784. A figura 1 representa claramente a ideia de interoperabilidade pois vemos uma rede com 5 dispositivos com fabricantes diferentes se comunicando de forma transparente.

A família de redes profibus pode ser dividida em três versões, a saber:

  • Profibus DP;
  • Profibus PA;
  • Profinet.

Pela extensão do post iremos abordar apenas os padrões DP e PA, a versão profinet será abordada em outro momento.

Profibus DP (Decentralized Peripherals)

O profibus DP (Periférico Descentralizado) é caracterizado pela alta velocidade de comunicação, que pode chegar a 12Mb/s e com tempo de reação da ordem de 1 a 5 milisegundos, sendo adequado para sistemas que exigem alta velocidade de comunicação. Isso, aliado à interoperabilidade de muitos fabricantes de equipamentos e a alta confiabilidade na troca de dados, fez com que o protocolo se tornasse referência no chão de fábrica de muitas indústrias.

Entre os equipamentos que são interligados em profibus DP podemos encontrar:

  • CLP (Controlador Lógico Programável);
  • IHM (Interface Homem Máquina);
  • Interfaces remotas para sinais digitais e analógicos;
  • Inversores de frequência/Soft-starter;
  • Sensores;
  • Válvulas e outros atuadores.
Rede profibus DP.
Figura 1 -  Rede profibus DP.

Os dispositivos da rede podem ser classificados de três modos:

  • Mestre DP Classe 1

O mestre DP classe 1 é um controlador central que troca informações com as estações escravas dentro de um ciclo de mensagens especificado. O dispositivo mestre mais comum é o controlador lógico programável (CLP).

  • Mestre DP classe 2

Os mestres DP Classe 2 são os programadores, dispositivos de configuração ou sistemas de supervisão. Os mestres classe 2 são utilizados para a configuração da rede, ou para os propósitos de operação e monitoria.

  • Escravo DP

Um escravo DP é um dispositivo periférico (dispositivos de E/S, inversor de frequência, IHM, válvula) que coleta informação de entrada e/ou atua sobre o processo com informações oriundas da própria rede. A quantidade de informação de entrada e saída depende no tipo de dispositivo. O PROFIBUS permite até 246 bytes de entrada e 246 bytes de saída.

Multimestre

O profibus DP pode operar no modo multimestre, onde vários mestres estão conectados no barramento. Estes mestres são subsistemas independentes, cada um contém um mestre DP classe 1 com seus respectivos escravos DP, ou dispositivos de diagnóstico DP classe 2. Os dados das entradas e saídas de todos escravos DP podem ser lidos por todos os mestres, mas somente um mestre previamente configurado pode enviar informações para o seu respectivo escravo.

Representação dos mestres e seus respectivos escravos na rede.
Figura 2 - Representação dos mestres e seus respectivos escravos na rede.

Endereços

O profibus DP suporta até 126 disposivos mestres ou escravos. O endereçamento é efetuado conforme o tipo de dispositivo, por exemplo:

  • Inversores de frequência e soft-starters: O endereço profibus é selecionado por meio de um dos parâmetros de configuração do equipamento;
  • Interfaces remotas: O endereço é configurado por meio de DIP switch diretamente do equipamento;
  • Controladores: Alguns controladores possuem seu endereço definido pelo software de programação/configuração.
Endereçamento do dispositivo por switch.
Figura 3 - Endereçamento do dispositivo por switch.

Versões do protocolo

O protocolo Profibus DP possui diferentes versões com funções completares definidas em cada versão.

DP-V0: Define  funções para realizar a troca de dados cíclicos entre o mestre e os escravos.

  • Ferramenta de integração: GSD;
  • Diagnóstico.

DP-V1: Sendo um complemento da primeira versão, define a comunicação acíclica ente mestre e escravo.

  • Ferramentas de integração: EDD e FDT;
  • Blocos funcionais portáveis (IEC 61131-3);
  • Comunicação para dispositivos de segurança (PROFIsafe);
  • Alarmes.

DP-V2: Define funções avançadas como redundância e modo de comunicação isócrono.

  • Sincronismo entre clocks e time;
  • HART no profibus DP;
  • Upload e Download;
  • Redundância.

Arquivo GSD

O arquivo GSD, General Station Description ou Descrição Geral da Estação é um dos grandes trunfos do protocolo, pois permite que a maior parte da configuração do dispositivo seja feita de forma automática. O arquivo GSD contém os dados de configuração e características do dispositivo e durante a configuração essas informações são disponibilizadas para a rede. Esse fato possibilita a interoperabilidade de dispositivos da rede entre diferentes fabricantes, além de simplificar muito a configuração da rede.

Representação do arquivo GSD.
Figura 4 -  Representação do arquivo GSD.

O arquivo GSD pode ser obtido pelo site do respectivo fabricante do equipamento ou pelo site da função profibus.

Meio físico

O protocolo profibus DP utiliza como meio físico o padrão RS-485, e também fibra ótica pode ser utilizada para garantir maior imunidade à interferência eletromagnética, para cobrir grandes distâncias e para oferecer maior isolação contra altas tensões. A topologia de barramento do RS-485 permite a adição e remoção de dispositivos sem influências em outros dispositivos que já estejam em operação.

O padrão RS-485 define cada dispositivo da rede como “unidade de carga” , definindo em uma rede o número máximo de 32 unidades. A definição de uma carga unitária é como uma resistência de 15 kΩ - ligado a uma fonte -3V ou 5V. Logo a tensão elétrica do barramento é inversamente proporcional à quantidade de unidades de carga conectadas à rede. Conclui-se que podemos conectar 32 dispositivos de uma unidade de carga na rede ou conectar 64 dispositivos de ½ unidade de carga na rede, ou seja o que define o número máximo de dispositivos no barramento da rede é a característica elétrica dos dispositivos mestres e escravos.

Representação de uma unidade de carga no padrão RS-485
Figura 5 -  Representação de uma unidade de carga no padrão RS-485

De acordo com o padrão RS-485 o início e o fim do barramento devem ser ligados com terminadores de rede, que nada mais são que resistores de 120Ω ligados entre as duas linhas do barramento. Distâncias de até 1200 metros podem ser atingidas sem o uso de repetidores, sendo que com eles a rede pode atingir distâncias maiores. Vale lembrar que um repetidor é reconhecido na rede como uma estação possuindo endereço próprio.

Barramento profibus DP com terminadores.
Figura 6 - Barramento profibus DP com terminadores.

O terminador da rede pode vir montado dentro do próprio dispositivo profibus, sendo ativado ou não por um pequeno dip switch próximo ao conector ou borne de ligação elétrica do barramento. Ainda podem ser utilizados conectores profibus tipo DB9 com terminadores embutidos.

Conector profibus DP.
Figura 7 -  Conector profibus DP.
Conexão do cabo profibus DP.
Figura 8 - Conexão do cabo profibus DP.

A distância máxima é de 1200 metros, lembrando que quanto maior o comprimento da rede menor será a velocidade de comunicação.

Tabela 1 - Velocidade de comunicação

Protocolo-Profibus-tabela-1

O cabo profibus padrão é representado na figura abaixo. O mesmo deve possuir malha de proteção contra interferência eletromagnética ligada à terra.

Cabo padrão profibus DP
Figura 9 - Cabo padrão profibus DP.

Redundância

Para aumentar ainda mais a confiabilidade da rede profibus DP, a mesma pode ser ligada em modo redundante mantendo a comunicação por um cabo caso o outro cabo seja rompido ou apresente dificuldade de comunicação.

Rede profibus DP redundante.
Figura 10 - Rede profibus DP redundante.

Profibus  PA (Process Automation)

O profibus PA (Automação de Processos) é adequado para controle de processos industriais e instrumentação, dispensando o uso de controladores como o CLP (Controlador Lógico Programável), pois as funções de controle podem ser exercidas pelos próprios instrumentos ligados à rede.

É um protocolo de comunicação digital bidirecional com meio físico baseado na IEC 61158-2, onde a comunicação é feita pelos próprios cabos de alimentação, o que simplifica a interligação dos instrumentos, sendo que alguns equipamentos podem ter alimentação externa quando necessário. Além disso a rede pode operar em áreas intrinsecamente seguras (com risco de explosão), a manutenção e a conexão/desconexão de equipamentos pode ser feita até mesmo durante a operação da rede. O sinal de comunicação utilizado é um sinal AC que varia entre 750 mV a 1000 mV sobreposto ao sinal DC de alimentação. Logo abaixo vemos a forma de onda típica do barramento.

Forma de onda no barramento profibus PA.
Figura 11 - Forma de onda no barramento profibus PA.

A velocidade da rede é de 31,25 Kbit/s, os equipamentos no barramento utilizam a modulação Manchester e devem ser conectados em paralelo ao longo do mesmo par de fios. No mesmo barramento podem ser utilizados até 32 equipamentos de diferentes fabricantes.

O comprimento máximo da rede é de 1900 metros sem repetidores. Utilizando até 4 repetidores, o comprimento máximo pode chegar a 9,5 Km.

No exemplo abaixo vemos uma simples malha de controle de nível com instrumentos profibus PA. Nesse caso temos um transmissor de nível que mede o nível de fluido do tanque e envia essa informação para a válvula de controle. Essa, por sua vez, calcula o quanto deve abrir ou fechar para manter o nível do tanque no ponto desejado.

Malha de controle com profibus PA.
Figura 12 - Malha de controle com profibus PA.

Conclusão

O protocolo profibus é um dos padrões mais utilizados e confiáveis da indústria, conhecê-lo é fundamental para o profissional que atua com automação industrial ou mesmo para o profissional de eletrônica que pode deparar com esse protocolo em seu dia a dia.

Referências

www.profibus.com

www.ti.com

www.smar.com.br

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Conceito de Engenharia » Fundamentos e aplicações do protocolo Profibus
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Wissan Dias
Wissan Dias
28/05/2017 12:56

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