Profibus-DP e Repetidores

Introdução

É notório o crescimento do Profibus em nível mundial e principalmente no Brasil. Decidi escrever  este artigo sobre repetidores,  pois tenho visto na prática muita instalação de forma inadequada, assim como erros básicos e que têm estendido o tempo de comissionamento e startup, e consequentemente gerado uma degradação da qualidade  da performance da rede.

O Profibus permite uma integração uniforme e completa entre todos os níveis da automação e as diversas áreas de uma planta. Isto significa que a integração de todas as áreas da planta pode ser realizada com um protocolo de comunicação que usa diferentes variações.

No nível de campo, a periferia distribuída, tais como: módulos de E/S, transdutores, acionamentos (drives), válvulas e painéis de operação, trabalham em sistemas de automação, através de um eficiente sistema de comunicação em tempo real, o PROFIBUS DP ou PA. A transmissão de dados do processo é efetuada ciclicamente, enquanto alarmes, parâmetros e diagnósticos são transmitidos somente quando necessário, de maneira acíclica.

Sempre que possível, consulte a EN50170 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 tem seus detalhes de segurança. Se informar deles antes de iniciar o trabalho é muito importante.

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 conseqüentemente 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.

 

Repetidores

Para casos com mais de 32 estações ou para redes densas,  devem ser utilizados repetidores. Segundo a EN50170, um máximo de 4 repetidores são permitidos entre duas estações quaisquer. Dependendo do fabricante e das características do repetidor, é permitido instalar até 9 repetidores em cascata. Recomenda-se não utilizar uma quantidade maior que a permitida, devido aos atrasos embutidos na rede e ao comprometimento com o slot time (tempo máximo que o mestre irá esperar por uma resposta doslave). Veja Figuras 1 e 2.

Figura 1 - Segmentação em Instalações Profibus

 

Figura 2 – Regra Geral de Segmentação, Repetidor e bus Terminador

O comprimento máximo do cabeamento depende da velocidade de transmissão, conforme a Tabela 1.

Cabo Tipo A
Baud Rate (Kbit/s)	9,6	19,2	93,75	187,5	500	1500	3000	6000	12000
Comprimento/ Segmento (m)	1200	1200	1200	1000	400	200	100	100	100

Tabela 1 – Comprimento em Função da Velocidade de Transmissão com Cabo Tipo A

O padrão Profibus considera a capacitância máxima  para cada taxa de comunicação. A Tabela 2 apresenta os comprimentos máximos dos troncos principais e dos spurs em função do baud rate. A topologia e a distribuição do cabeamento são fatores que devem ser considerados para a proteção de EMI (Emissão Eletromagnética).

É válido ressaltar que em altas freqüências os cabos se comportam como um sistema de transmissão com linhas cruzadas e confusas, refletindo energia e espalhando-a de um circuito a outro. Deve-se manter em boas condições as conexões, pois conectores inativos podem desenvolver resistência ou se tornar detectores de RF.

Baud Rate(kbit/s)	Máxima Capacitância(nF) do spur máximo (somatória de  todos os spurs)	Tronco Máximo (m)	Spur Máximo (m) (somatória de  todos os spurs)	Máxima Expansão (m)
9.6	15	500	500	10000
19.2	15	500	500	10000
93.75	3.0	900	100	10000
187.5	1.0	967	33	10000
500	0.6	380	20	4000
1500	0.2	193.4	6.7	2000
3000	0	100	0	1000
6000	0	100	0	1000
12000	0	100	0	1000

 

Tabela 2 – Comprimentos Máximos dos Troncos Principais e dos Spurs em função do Baud Rate (para cano tipo A com capacitância 30pF)

A recomendação é acrescentar um repetidor onde há a necessidade em criar braços além do tronco principal. Na prática, pode-se ter uma margem de 5% destes comprimentos máximos, não havendo a necessidade de comprar um repetidor quando se ultrapassa os limites dentro desta proporção. Utiliza-se a seguinte regra para determinar a máxima distância entre duas estações conforme a taxa de comunicação, considerando o número de repetidores:

Onde  é o número máximo de repetidores em série e seg é o comprimento máximo de um segmento de acordo com obaud rate.

Por exemplo, à uma taxa de 1500kbit/s (de acordo com a Tabela 1, é possível obter a distância máxima de 200m), o fabricante de um determinado repetidor recomenda que se utilize no máximo 9 repetidores em série, é possível obter:

Outro detalhe a ser observado na prática, de acordo com a Figura 2, é o uso dos terminadores de barramento, onde preferencialmente 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. Isto significa que o último escravo deve permanecer alimentado o tempo todo e durante sua manutenção ou reposição, pode haver comunicação intermitente com os outros devices.

Devido à arquitetura e/ou topologia, algo como a Figura 3 é obtido, onde o mestre está localizado no meio do barramento. Os terminadores devem estar localizados no primeiro escravo (o mais à esquerda do mestre) e no último (o mais distante), mantendo-os sempre energizados. Durante a manutenção ou reposição, pode haver comunicação intermitente com os outros devices.

 

Figura 3 – Mestre Localizado no Meio do Barramento

 

Curiosidade

A figura 4 mostra o efeito capacitivo em um segmento pelo excesso de cabo e spurs:

Figura 4 - mostra o efeito capacitivo em um segmento pelo excesso de cabo e spurs.

A figura 5 mostra o sinal após a utilização de um repetidor neste segmento da figura 4:

Figura 5 – Sinal corrigido após a instalação do repetidor DP

Conclusão

O uso de repetidores em Profibus é muito comum em casos onde se tem mais de 32 estações ou para redes densas. Veremos a seguir alguns detalhes pertinentes que devem ser levados em conta em fase de projeto e instalação para garantir a correta performance da rede Profibus-DP.

Lembrando que  os repetidores são elementos ativos que servem para interfacear segmentos em uma rede Profibus e que asseguram níveis adequados de sinais, garantindo a integridade do sinal de comunicação. O repetidor possui a capacidade de evitar a deterioração do sinal em longas distâncias. Essencialmente ele trabalha recebendo o sinal de um segmento de rede, "limpando" e amplificando este sinal, e transmitindo-o para outro segmento de rede. Desta forma a mensagem original é mantida por todos os segmentes da rede. O repetidor executa esta função bidirecionalmente. Além disso, serve para isolar galvanicamente os segmentos.

Vimos neste artigo a importância dos repetidores para a expansão da rede Profibus-DP e detalhes em termos de sua correta instalação juntamente com os terminadores de barramento para garantirem o perfeito funcionamento e integridade do sinal de comunicação.

A SMAR possui um ampla equipe especializada em projetos, certificações de redes e instalações em Profibus. Para mais detalhes, acesse o canal direto de comunicação com os engenheiros especialistas em instalações e tecnologia PROFIBUS e AS-i da SMAR:https://www.smar.com.br/pt/assistencia-tecnica

Consulte a solução completa SMAR Profibus: https://www.smar.com.br/pt/artigos-tecnicos-profibus
https://www.smar.com.br/pt/system302

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.

Autor

• César Cassiolato

Referências:

• Manuais SMAR Profibus
• Aterramento, Blindagem, Ruídos e dicas de instalação - César Cassiolato
• EMI – Interferência Eletromagnética - César Cassiolato
• https://www.smar.com.br/pt
• Especificações técnicas e Guias de Instalações Profibus.
• Material de Treinamento e artigos técnicos Profibus - César Cassiolato

Links Relacionados:

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• PROFIBUS: https://www.smar.com.br/pt/artigos-tecnicos-profibus