Dimensionamento da quantidade de equipamentos em uma rede PROFIBUS-PA

 

Introdução

Apesar de muito simples a tecnologia do meio físico utilizada no PROFIBUS-PA, a chamada H1, de acordo com a IEC61158-2, ainda vemos alguns detalhes em alguns projetos e que em campo poderiam ser evitados diminuindo o tempo de comissionamento e startup e evitando as condições de intermitências e paradas indesejadas durante a operação.

Em outro artigo detalharemos mais o meio físico. Acompanhe nas próximas edições.

Sempre que possível, consulte a EN50170 e a IEC61158-2 para as regulamentações físicas, assim como as práticas de segurança de cada área.

É necessário agir com segurança nas medições, evitando contatos com terminais e fiação, pois a alta tensão pode estar presente e causar choque elétrico. Lembre-se que cada planta e sistema têm seus detalhes de segurança. Informe-se sobre estes detalhes antes de iniciar o trabalho!

Para minimizar o risco de problemas potenciais relacionados à segurança, é preciso seguir as normas de segurança e de áreas classificadas locais aplicáveis que regulam a instalação e operação dos equipamentos. Estas normas variam de área para área e estão em constante atualização. É responsabilidade do usuário determinar quais normas devem ser seguidas em suas aplicações e garantir que a instalação de cada equipamento esteja de acordo com as mesmas.
Uma instalação inadequada ou o uso de um equipamento em aplicações não recomendadas podem prejudicar a performance de um sistema e consequentemente a do processo, além de representar uma fonte de perigo e acidentes. Devido a isto, recomenda-se utilizar somente profissionais treinados e qualificados para instalação, operação e manutenção.

 

Arquitetura típica de uma rede PROFIBUS

Observe a figura 1, onde temos uma arquitetura típica em PROFIBUS. Nela podemos verificar a ampla cobertura de meios físicos, várias topologias e níveis de aplicações. Neste artigo iremos comentar alguns detalhes sobre o PROFIBUS-PA.

 

Figura 1 – Arquitetura típica de uma rede PROFIBUS.

 

PROFIBUS-PA

O PROFIBUS-PA é a solução PROFIBUS que atende os requisitos da automação de processos, onde se tem a conexão de sistemas de automação e sistemas de controle de processo com equipamentos de campo, tais como: transmissores de pressão, temperatura, conversores, posicionadores, etc. Pode ser usada em substituição ao padrão 4 a 20 mA.

Existem vantagens potenciais da utilização dessa tecnologia, onde resumidamente destacam-se as vantagens funcionais (transmissão de informações confiáveis, tratamento de status das variáveis, sistema de segurança em caso de falha, equipamentos com capacidades de autodiagnose, rangeabilidade dos equipamentos, alta resolução nas medições, integração com controle discreto em alta velocidade, aplicações em qualquer segmento, etc.). Além dos benefícios econômicos pertinentes às instalações (redução de até 40% em alguns casos em relação aos sistemas convencionais), custos de manutenção (redução de até 25% em alguns casos em relação aos sistemas convencionais), menor tempo de startup, oferece um aumento significativo em funcionalidade e segurança.

O PROFIBUS-PA permite a medição e controle por uma linha a dois fios simples. Também permite alimentar os equipamentos de campo em áreas intrinsecamente seguras. O PROFIBUS-PA permite a manutenção e a conexão/desconexão de equipamentos até mesmo durante a operação sem interferir em outras estações em áreas potencialmente explosivas. O PROFIBUS-PA foi desenvolvido em cooperação com os usuários da Indústria de Controle e Processo (NAMUR), satisfazendo as exigências especiais dessa área de aplicação:

• O perfil original da aplicação para a automação do processo e interoperabilidade dos equipamentos de campo dos diferentes fabricantes.
• Adição e remoção de estações de barramentos mesmo em áreas intrinsecamente seguras sem influência para outras estações.
• Uma comunicação transparente através dos acopladores do segmento entre o barramento de automação do processo PROFIBUS-PA e do barramento de automação industrial PROFIBUS-DP.
• Alimentação e transmissão de dados sobre o mesmo par de fios baseado na tecnologia IEC 61158-2.
• Uso em áreas potencialmente explosivas com blindagem explosiva tipo “intrinsecamente segura” ou “sem segurança intrínseca”.

Transmissão síncrona em conformidade à norma IEC 61158-2, com uma taxa de transmissão definida em 31,25 Kbits/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 IEC 61158-2 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 nos seguintes princípios, e é frequentemente referida como H1:

• cada segmento possui somente uma fonte de energia, a fonte de alimentação;
• alimentação não é fornecida ao barramento enquanto uma estação está enviando
• os dispositivos de campo consomem uma corrente básica constante quando em estado de repouso
• os dispositivos de campo agem como consumidores passivos de corrente (sink)
• uma terminação passiva de linha é necessária, em ambos os fins da linha principal do barramento.
• topologia linear, árvore e estrela são permitidas.

No caso da modulação, supõe-se que uma corrente básica de pelo menos 10 mA consumida por cada dispositivo no barramento. Através da energização do barramento, esta corrente alimenta os dispositivos de campo. Os sinais de comunicação são então gerados pelo dispositivo que os envia, por modulação de + /- 9 mA, sobre a corrente básica.

Tabela 1 - Características da IEC 61158-2.

Para se operar uma rede PROFIBUS em área classificada é necessário que todos os componentes utilizados na área classificada sejam aprovados e certificados de acordo com o modelo FISCO e IEC 61158-2 por organismos certificadores autorizados tais como PTB, BVS (Alemanha), CEPEL, UL, FM (EUA). Se todos os componentes utilizados forem certificados e se as regras para seleção da fonte de alimentação, comprimento de cabo e terminadores forem observadas, então nenhum tipo de aprovação adicional do sistema será requerida para o comissionamento da rede PROFIBUS.

FISCO

• R´:15 ... 150 Ohm/km;
• L´: 0,4 ... 1 mH/km;
• C´: 80 ... 200 nF/km.
• Em termos de terminação:

Cabo tipo A: 0,8 mm2 (AWG18)

• Em termos de terminação:
  • R = 90 ... 100 Ohms;
  • C = 0 ... 2.2 µF.

O conceito FISCO foi otimizado para que seja permitido um número maior de equipamentos de campo, de acordo com o comprimento do barramento, levando-se em conta a variação das características do cabo (R', L',C') e terminadores, atendendo categorias e grupos de gases com uma simples avaliação da instalação envolvendo segurança intrínseca. Com isto, aumentou-se a capacidade de corrente por segmento e facilitou-se para o usuário a avaliação. Além disso, ao adquirir produtos certificados, o usuário não precisa se preocupar mais com cálculos, mesmo em substituição em operação.

 

 

Figura 2 – Exemplo de sinal PROFIBUS-PA em modo tensão.

 

 

 

 

Figura 3 – Exemplo de codificação Manchester.

 

A transmissão de um equipamento tipicamente fornece 10 mA a 31.25 kbit/s em uma carga equivalente de 50 Ω, criando um sinal de tensão modulado de 750 mV a 1.0 V pico a pico. A fonte de alimentação pode fornecer de 9 a 32 Vdc, porém em aplicações seguras (IS) devem-se atender os requisitos das barreiras de segurança intrínseca.

 

 

Figura 4 – Modo Tensão 31.25 kbit/s.

 

O comprimento total do cabeamento é a somatória do tamanho do trunk (barramento principal) e todos os spurs (derivações maiores que 1m), sendo que com o cabo tipo A é de no máximo 1900 m em áreas não seguras. Em áreas seguras é de no máximo 1000 m com o cabo tipo A e os spurs não devem exceder 30 m.

 

Topologias no PROFIBUS-PA

Nas figuras 5 e 6 temos as topologias principais do PROFIBUS-PA, embora na prática haja um misto das duas topologias, barramento e estrela/árvore.
 

 

 

Figura 5 – Topologia em Árvore ou Estrela.

 

 

Figura 6 – Topologia em barramento.

 

Na figura 7 temos uma solução compacta e de baixo custo da SMAR com um mestre PROFIBUS-DPV1 e 4 canais (DF97) PROFIBUS-PA no mesmo controlador com taxa de até 12 Mbits/s. A SMAR possui o modelo DF95 para 2 canais PROFIBUS-PA.

 

Figura 7- DF97 - Mestre Profibus DPV1 SMAR com 4 canais PROFIBUS-PA e 1 canal PROFIBUS-DP.

 

Basicamente, podemos citar os seguintes elementos de uma rede PROFIBUS:

• Mestres (Masters): são elementos responsáveis pelo controle do barramento. Eles podem ser de duas classes:
• Classe 1: responsável pelas operações cíclicas (leitura/escrita) e controle das malhas abertas e fechadas do sistema de controle/automação (PLC, controladores, CPUs).
•  Classe 2: responsável pelos acessos acíclicos dos parâmetros e funções dos equipamentos PA, estação de engenharia ou estação de operação: ProfibusView, AssetView, Simatic PDM, Pactware, etc.
• Acopladores DP/PA (Couplers):são dispositivos utilizados para traduzir as características físicas entre o PROFIBUS DP (Rs485) e o PROFIBUS PA (H1:31,25kbits/s).E ainda:
•  São transparentes para os mestres (não possuem endereço físico no barramento);
•  Atendem aplicações (Ex) e (Non-Ex) definindo e limitando o número máximo de equipamentos em cada segmento PROFIBUS PA. O número máximo de equipamentos em um segmento depende entre outros fatores, da somatória das correntes quiescentes e de falhas dos equipamentos (FDE) e distâncias envolvidas no cabeamento.
•  Podem ser alimentados até 24 Vdc, dependendo do fabricante e da área de classificação.
•  Podem trabalhar com as seguintes taxas de comunicação, dependendo do fabricante: P+F (93.75 kbits/s e SK3:12Mbits/s) e Siemens (45.45 kbits/s).

 

 

Tabela 2 – Dados dos Couplers DP/PA (para mais detalhes consulte os fabricantes).

 

 

Tabela 3 – Dados dos Couplers DP/PA P+F (para mais detalhes consulte o fabricante).

• Link devices:São dispositivos utilizados como escravos da rede PROFIBUS DP e mestres da rede PROFIBUS PA. São utilizados para se conseguir altas velocidades, de até 12Mbits/s no barramento DP e ainda:
• Possuem endereço físico no barramento;
• Permitem que sejam conectados até 5 Couplers DP/PA, mas limitam o número de equipamentos em 30 em um barramento “Non-Ex” e 10 em barramento “Ex”.Com isto, aumentam a capacidade de endereçamento da rede PROFIBUS DP. Dependendo da quantidade de dados trocados ciclicamente, podem permitir até 64 equipamentos.
• Terminador de barramento na rede PA: consiste de um capacitor de 1µF e um resistor de 100 Ω conectados em série entre si e em paralelo ao barramento. Tem as seguintes funções:
• Shunt do sinal de corrente: o sinal de comunicação é transmitido como corrente mas recebido como tensão. O terminador faz esta conversão.
• Proteção contra reflexão do sinal de comunicação: deve ser colocado nas duas terminações do barramento, um no final e outro geralmente no coupler DP/PA.

 

Alguns detalhes em termos de projeto e quantidade de equipamentos por segmento PROFIBUS-PA

Verifique a quantidade de equipamentos (N) por segmento PROFIBUS-PA, lembrando que a mesma é função do consumo quiescente de cada equipamento PROFIBUS-PA, as distâncias envolvidas (resistência de loop cabo tipo A: 44 Ω/km), do coupler DP/PA e sua corrente drenada, classificação de área (Couplers para área classificada drenam correntes da ordem de 100 mA, tensão de saída 12 V), além da corrente de FDE. A corrente total no segmento deve ser menor do que a drenada pelo coupler.                    

Onde :

= corrente no segmento PROFIBUS-PA
= somatória das correntes quiescentes de todos os equipamentos no segmento PROFIBUS-PA
= corrente adicional em caso de falha, normalmente     desprezível
= corrente de folga, útil em caso de expansão ou troca de fabricante                   
=  corrente drenada pelo coupler DP/PA

Além disso, deve-se ter pelo menos 9.0 V na borneira do equipamento PROFIBUS-PA mais distante do coupler DP/PA:

> 9.0 V : com isto garante-se a energização do último equipamento PROFIBUS-PA (na prática costuma-se adotar >= 10.5V garantindo uma folga). Vale ainda lembrar que o sinal de comunicação deve ter excursão de 750 a 1000 mV.

Onde:

        =   Tensão de saída do coupler DP/PA
R      =    Resistência de Loop (Cabo tipo A R = 44 Ω/km)
L       =   Comprimento total do barramento PROFIBUS-PA 
   =   Tensão na borneira do equipamento PROFIBUS-PA mais distante do coupler DP/PA

Algumas caixas de junções ou protetores de curto para segmento, chamados spur guards podem ser alimentados via barramento PA (H1), sendo assim, deverá entrar no cálculo da somatória da corrente. Além disso, cada saída destes spur guards possui um limite permitido de corrente que deve ser respeitado.

 

Cálculo do número de equipamentos em um segmento PROFIBUS-PA non-Ex

Iremos mostrar o cálculo em um comprimento máximo de 1900m (para cabo tipo A), considerando os seguintes dados:

• Tensão mínima para um equipamento PROFIBUS-PA operar: 9 Vdc
• Tensão típica fornecida por um coupler DP/PA Non-Ex: 19 Vdc
•  Corrente típica fornecida por um coupler Non-Ex: 400 mA
• Resistência de loop do cabo Tipo A (AWG 18) : 44 Ohms/Km (duas vias)
• Desprezaremos as correntes de FDEEquipamentos PROFIBUS-PA SMAR consomem 12 mA

Tomando como base a lei de Ohm:

V = RxIx(N)
N = V/(IxR), onde:
V  = queda máxima de tensão no cabo garantindo a tensão mínima de      alimentação no equipamento mais distante do coupler DP/PA.
I = corrente de cada equipamento PROFIBUS-PA
R = resistência total
N = número de equipamentos

Substituindo os valores:

N = (19-9)/(12x10^-3 x 1.9x 44) = 10 equipamentos
Verificando a corrente total com a máxima corrente fornecida pelo coupler DP/PA, tem-se:

I = 10 x 12mA = 120mA < 400mA OK

Vamos admitir agora, cabo tipo A e um comprimento de 1400 m:

N = (19-9)/( 12x10-3  x 1.4 x 44) = 13 equipamentos

Verificando a corrente total com a máxima corrente fornecida pelo coupler DP/PA, tem-se:

I = 13 x 12mA = 156mA < 400mA OK

 

Cálculo do comprimento do cabo (tipo A) para 20 equipamentos em um segmento PROFIBUS-PA non-Ex

L = (19-9) x 1000/(20 x 12x10-3  x 44) = 947 m

Verificando a corrente total com a máxima corrente fornecida pelo coupler DP/PA, tem-se:
I = 20 x 12mA = 240mA < 400mA OK

 

Cálculo do número de equipamentos em um segmento PROFIBUS-PA Eex ia IIC

Iremos mostrar o cálculo em um comprimento máximo de 1000m (cabo tipo A, área Ex), considerando os seguintes dados:

• Tensão mínima para um equipamento PROFIBUS-PA operar: 9 Vdc
• Tensão típica fornecida por um coupler DP/PA Ex: 12.5 Vdc
•  Corrente típica fornecida por um coupler DP/PA Ex: 100 mA
• Resistência de loop do cabo Tipo A (AWG 18) : 44 Ohms/Km (duas vias)
• Desprezaremos as correntes de FDE
• Equipamentos PROFIBUS-PA SMAR consomem 12 mA

Tomando como base a lei de Ohm:

• N = V/(IxR), onde:
• V  = queda máxima de tensão no cabo garantindo a tensão mínima de alimentação no equipamento mais distante do coupler DP/PA.
• I = corrente total do segmento PA
• R = resistência total
• N = número de equipamentos 

Substituindo os valores:

N = (12.5-9)/( 12x10^-3 x 1.0x 44) = 6 equipamentos
Verificando a corrente total com a máxima corrente fornecida pelo coupler DP/PA, tem-se:

I = 6 x 12mA = 72mA < 100mA OK

 

Cálculo do comprimento do cabo (tipo A) para 8 equipamentos em um segmento PROFIBUS-PA Eex ia IIC

Verificando a corrente total com a máxima corrente fornecida pelo coupler DP/PA, tem-se:
I = 8 x 12mA = 96mA < 100mA OK

Determinando-se o comprimento:

L = (12.5-9) x1000/(8x12x10^-3 x44) = 828.6 m

Note que a quantidade de equipamentos é totalmente dependente da classificação da área, tipo de cabo, corrente e tensão fornecida pelo coupler DP/PA e corrente quiescente total dos equipamentos PA.

É comum na prática considerarmos uma tensão de pelo menos 10.5V nos cálculos para o equipamento mais distante do coupler DP/PA ( nos exemplos foi considerado 9.0V), garantindo uma integridade dos níveis de sinais. Nos cálculos acima para simplificá-los, não foram incluídas as correntes para uma expansão no segmento ( isto é, acréscimo de mais equipamentos)  ou mesmo no caso de uma troca de equipamentos que consomem mais. Na prática recomendamos sempre estar atento a estes detalhes.

 

Comprimento Total do Cabo PROFIBUS-PA

O comprimento total do cabo PROFIBUS-PA deve ser totalizado desde a saída do ponto de conversão DP/PA até o ponto mais distante do segmento, considerando as derivações. Vale lembrar que braços menores que 1 m não entram neste total. O comprimento total do cabeamento é a somatória do tamanho do trunk (barramento principal) mais todos os spurs (derivações maiores que 1 m), sendo que, com cabo do tipo A, o máximo comprimento em áreas não-classificadas é de 1900 m sem repetidores. Em áreas classificadas é de 1000 m, com spur máximo de 30 m.

É recomendável evitar splice na instalação e distribuição. Os splices são quaisquer partes da rede que tenha uma alteração de impedância, que pode ser causada, por exemplo, por alteração do tipo de cabo, descontinuidade do shield, esmagamento ou dobra muito acentuada no cabo etc. Em redes com comprimento total maior que 400 m, a somatória dos comprimentos de todos os splices não deve ultrapassar 2% do comprimento total e ainda, em comprimentos menores do que 400 m, não devem exceder 8 m.
O comprimento máximo de um segmento PROFIBUS-PA quando se utiliza cabo de tipos diferentes fica limitado de acordo com a seguinte fórmula:

Onde:

• LA: Comprimento do cabo A;
• LB: Comprimento do cabo B;
• LC: Comprimento do cabo C;
• LD: Comprimento do cabo D;
• LA max: Comprimento máximo permitido com o cabo A (1900 m);
• LB max: Comprimento máximo permitido com o cabo B (1200 m);
• LC max: Comprimento máximo permitido com o cabo C (400 m);
• LD max: Comprimento máximo permitido com o cabo D (200 m).

Com relação aos braços (spurs), é necessário estar atento aos comprimentos dos mesmos. A quantidade de equipamentos PA (deve ser considerado os repetidores quando houver) deve estar de acordo com a Tabela 4. Em áreas classificadas o spur máximo é de 30 m.

Observação: O limite de capacitância do cabo deve ser considerado desde que o efeito no sinal de um spur seja menor que 300m e se assemelha a um capacitor. Na ausência de dados do fabricante do cabo, um valor de 0.15 nF/m pode ser usado para cabos PROFIBUS.

Onde:

CT: Capacitância total em nF;
LS: Comprimento do spur em m;
Cs: Capacitância do fio por segmento em nF (padrão: 0.15);
Cd: Capacitância do equipamento PA.

A atenuação associada a esta capacitância é 0.035 dB/nF. Sendo assim, a  atenuação total vale:

Sendo que 14 dB é o que permitirá o mínimo de sinal necessário para haver condições de detectá-lo com integridade.
Veja na figura 9 um exemplo de cálculo do comprimento total de um segmento PROFIBUS-PA.

 

 

Figura 8 – Exemplo de cálculo do comprimento total na rede PROFIBUS-PA.  

Conclusão

Vimos neste artigo vários detalhes da rede PROFIBUS-PA em termos de meio físico, dimensionamento e instalação que contribuem fundamentalmente como um todo para o sucesso de um sistema de controle e automação PROFIBUS.

Este artigo não substitui os padrões IEC 61158 e IEC 61784 e nem os perfis e guias técnicos do PROFIBUS. Em caso de discrepância ou dúvida, os padrões IEC 61158 e IEC 61784, perfis, guias técnicos e manuais de fabricantes prevalecem. Sempre que possível, consulte a EN50170 para as regulamentações físicas, assim como as práticas de segurança de cada área.

Para mais informação sobre a tecnologia PROFIBUS, veja: https://www.smar.com.br/pt/profibus

Para informações sobre certificação de redes Profibus e AS-i, consulte: https://www.smar.com.br/pt/assistencia-tecnica

Para detalhes de um sistema de automação verdadeiramente aberto baseado em redes, consulte: https://www.smar.com.br/pt/system302

Para artigos Profibus consulte: https://www.smar.com.br/pt/artigos-tecnicos-profibus

Autor

• César Cassiolato

Referências

• Manuais SMAR PROFIBUS
• https://www.smar.com.br/pt
• Material de Treinamento e artigos técnicos PROFIBUS - César Cassiolato
• Especificações técnicas e Guias de Instalações PROFIBUS.
• “Dimensionamento da quantidade de equipamentos em uma rede Profibus-PA”, César Cassiolato, Mecatrônica Atual - Edição 48, 2010.