Redes Industriais – Profibus DP

Neste post continuaremos o assunto de redes industriais falando sobre o protocolo Profibus – DP.

Introdução
O protocolo Profibus (este nome vem da sigla Process Field Bus, ou Barramento de campo de processos) é uma tecnologia que
surgiu da crescente necessidade de aquisição cada vez maior de informações de processo, cujas pesquisas iniciais datam do ano de 1987 na Alemanha, reunindo cerca de 21 instituições (empresas, universidades, etc.). Nesta época foram desenhados dois protocolos vinculados à especificação Profibus, que são:

  • Profibus FMS (Field Message Specification, ou Especificações de mensagens de campo), que é um protocolo utilizado para a troca de informações entre controladores. Nesta arquitetura não há dispositivos Mestres ou Escravos. Com o advento da tecnologia ProfiNET, este protocolo está caminhando gradualmente para o desuso.
  • Profibus DP (Decentrallised Periphery, ou Periferia Descentralizada) que é o protocolo utilizada para comunicação entre um controlador (Mestre) e módulos de I/O e dispositivo de campo (Escravos). Existem três versões funcionais deste protocolo, que são o DP-V0, DP-V1 e DP-V2.

Em linhas gerais, o Profibus é um padrão de barramento de campo aberto e independente de fornecedores, e, como todo padrão, existem normas internacionais que estabelecem estes padrões e que são utilizadas para a certificação dos dispositivos. No caso do Profibus, as normas são a EN 50170, EN 50254 e IEC 61158. Basicamente, todos os dispositivos Profibus existentes no mercado devem ser homologados para que se garanta a compatibilidade deste com os demais que comporão uma rede ou mesmo que a rede possa operar sem problemas. Particularmente, enfrentei um problema prático ao configurar uma rede Profibus DP, onde o mestre Profibus não era homologado e, quando fui construir a configuração da rede o software não reconhecia o arquivo de configuração do dispositivo que precisava inserir. Resultado: o cliente ficou sem a solução desejada e tivemos que pensar em uma nova solução para o problema dele.

Meio físico


Existem basicamente três tipos de meio físico de comunicação que podem ser utilizados no pelo Protocolo Profibus, a saber:

  • RS-485: É o meio mais utilizado universalmente. Consiste basicamente de um cabo blindado e dois fios, geralmente nas cores verde e vermelha. Nas extremidades da rede é necessário realizar a correta terminação, que consiste num arranjo de resistores interligados aos terminais da rede e os terminas VP e GND, conforme mostrado na Figura 1.
  • IEC 61158-2: Define regras e tipos para automação de processos (Profibus PA), sobretudo para aplicações em áreas classificadas.
  • Fibra óptica: Para locais onde há grande possibilidade de interferências eletromagnéticas. As Figuras 2 e 3 mostram exemplos de conversores de RS-485 para fibra óptica, específicos para rede Profibus DP.
Figura 1 – Terminação em uma rede Profius em RS-485

Figura 2 – Conversor para rede Profibus RS-485/Fibra Óptica (Disponível em: automation.siemens.com)

Figura 3 – Conversor para rede Profibus RS-485/Fibra Óptica (Disponível em: www.phoenixcon.com)


Topologia

Uma rede Profibus-DP é composta por dispositivos mestres e escravos:

  • Mestres classe 1 (DPM-1): São estações ativas, ou seja, enviam solicitações para leitura e escrita de dados para os nós configurados, tais como PLCs ou até mesmos PCs. Uma rede Profibus precisa ter pelo menos um mestre (DPM-1). Podem ser configurados mais de um mestre DPM-1 em uma rede.
  • Mestres classe 2 (DPM-2): São estações ativas destinadas à programação, configuração da rede e diagnósticos dos dispositivos do sistema.
  • Um dispositivo escravo é uma estação remota que pode ser um módulo de I/O, um instumento de campo (transmissor de temperatura, pressão, etc.), válvulas, etc. São estações passivas, ou seja, somente respondem às solicitações do mestre.
Uma rede precisa ter no mínimo dois dispostivos e, pelo menos um deles deverá ser ativo classe 1, ou seja, pelo menos um mestre e um escravo.

Em um barramento Profibus são permitidos até 126 dispositivos e cada dispositivo escravo pode trabalhar com até 246 bytes de entrada e saída.

Uma rede Profibus pode operar em velocidades que vão desde 9,6 kbps até 12Mbps. O que determina esta velocidade é, basicamente, o comprimento do cabo utilizado. Durante o processo de configuração da rede, o software configurador já indica o valor aproximado do tempo de varredura da rede, ou seja, o tempo necessário para que o mestre efetue a leitura e escrita de variáveis em todos os nós da rede.

Configuração

O processo de configuração da rede basicamente é um seguinte:

  1. Em um software configurador (Ex: Sycon, da Hilscher), será necessário carregar os arquivo GSD (Generic Station Description – Descrição genérica do dispositivo). Estes arquivos possuem as informações de todas as configurações possíveis de um dispositivo Profibus, seja ele mestre ou escravo. Geralmente, os arquivos GSD são fornecidos pelos fabricantes dos dispositivos Profibus e são acompanhados por alguns ícones no formato .bmp que representam o dispositivo em seu estados de online, offline e falha, para animação do software durante o diagnóstico da rede. Se estes arquivos não estão disponíveis, o software de configuração/diagnóstico utilizará ícones padrão.
  2. Para cada dispositivo deverá ser atribuído o endereço (que deverá ser igual ao configurado fisicamente).
  3. Em cada escravo, deverão ser configurados a quantidade de dados de entrada e saída de acordo com o tipo de escravo e os itens disponibilizados no arquivo GSD de cada dispositivo.
  4. Após encerrada a configuração, a mesma deverá ser descarregada no dispositivo mestre Profibus. Se este processo for uma alteração em uma rede existente, este processo deve ser feito com cuidado, pois a rede ficará indisponível por alguns instantes.

A Figura 3 mostra esquematicamente o processo de configuração de uma rede Profibus DP.

Figura 3 – Esquema de configuração de uma rede Profibus

Finalizaremos este post com uma rápida comparação ente as redes Profibus e Modbus RTU, vista anteriormente:

Atributo Modbus RTU Profibus DP
Meio físico RS-232, RS-485 e Fibra ótica RS-485 e Fibra ótica.
Velocidade da rede 9,6 a 115kbps 9,6kbps a 12Mbps
Número de dispositivos Até 31 Até 126
Topologia de rede Mestre/Escravo (Único mestre) Mestre/Escravo (Único ou múltiplos mestres) e FMS
Comunicação Ponto a ponto (P2P) Cíclico P2P ou Multicast (Comandos de controle) Cíclico. Acíclico entre mestres
Diagnósticos Timeout e códigos de erro por comando do mestre Três níveis de diagnóstico: Dispositivo, módulo e canal
Sincronização de entradas e saídas? Não Sim
Estimativa do tempo de varredura Não disponível Informado pelo software de configuração

Conclusão

Este assunto é muito extenso, pois a rede Profibus é muito estruturada para suportar aplicações em tempo real, requisito necessário em sistemas de automação industrial. Por isso, quero deixar alguns links para materiais de apoio que vão um pouco mais além do exposto aqui:

Associação Profibus: www.profibus.org.br
Especificação técnica Profibus: http://www.profibus.org.br/artigos/PROFIBUS_DESC_TEC_2006.pdf
Seção de downloads da Associação Profibus Internacional, com diversos artigos e informações específicas (em Inglês): http://www.profibus.com/downloads/

Agradeço a atenção de todos os leitores e aguardo comentários, questionamentos e sugestões.

Um grande abraço a todos e desejo um ano de 2010 repleto de realizações e novos sonhos.

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