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PROFIBUS – Descrição Técnica

Associação PROFIBUS Brasil 1 Out 2000

1. Comunicação Industrial2
2. Tecnologia PROFIBUS3
2.1. Perfil de Comunicação (Communication Profile)4
2.2. Perfil físico (Physical Profile)4
2.3. Perfil de Aplicação (Aplication Profile)5
3. Características Básicas6
3.1. Arquitetura do protocolo6
3.2. Meio de transmissão RS -4857
3.3. Meio de transmissão IEC -61158-28
3.4. Meio de transmissão com fibra ótica1
3.5. Protocolo de Acesso ao Meio PROFIBUS12
4. Perfil de Comunicação DP14
4.1. Funções básicas14
4.2. Funções estendidas do PROFIBUS DP19
5. Perfil de Comunicação FMS2
5.1. FMS Ser vices23
5.2. Gerenciamento de rede25
6. Perfil de Aplicação (Application Profile)26
6.1. Automação de processo (PA)26
6.2. Aplicações “Failsafe”29
6.3. Automação Predial30
6.4. Perfis de Aplicação para tipos de dispositivos especiais30
7. Desenvolvimento de Dispositivos32
7.1. Arquivos “GSD”32
7.2. Ident Number3
7.3. Descrição eletrônica do dispositivo (EDD)3
7.4. Conceito FDT (Fieldbus Device Tool)3
8. Opções de Implementação34
8.1. Implementação de dispositivos simples34
8.2. Implementação de dispositivos inteligentes34
8.3. Implementação de mestre s complexos34
8.4. Implementação de interfaces IEC 61158 -234
9. Certificação de Dispositivos36
10. Novos Desenvolvimentos Técnicos37
1. Perspectivas39

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1. Comunicação Industrial

Cell - level

Field - level

PROFIBUS on Ethernet/TCP-IP PLCPLC

Sensor - / Actuator

-level

IEC 1158-2RS-485/FO ManufacturingManufacturing ProcessProcess

InternetInternet OS

AS-Interface

Complexity

Costs

Explosion protectionPROFIBUS Fig. 1: Comunicação Industrial

A tecnologia da informação tem sido determinante no desenvolvimento da tecnologia da automação, alterou hierarquias e estruturas no ambiente dos escritórios e chega agora ao ambiente industrial nos seus mais diversos setores, desde as indústrias de processo e manufatura até prédios e sistemas logísticos. A capacidade de comunicação entre dispositivos e o uso de mecanismos padronizados, abertos e transparentes são componentes indispensáveis do conceito de automação de hoje. A comunicação vem se expandindo rapidamente no sentido horizontal nos níveis inferiores (field level), assim como no sentido vertical integrando todos os níveis hierárquicos. De acordo com as características da aplicação e do custo máximo a ser atingido, uma combinação gradual de diferentes sistemas de comunicação, tais como Ethernet, PROFIBUS e AS-Interface, oferece as condições ideais de redes abertas em processos industriais.

No nível de atuadores/sensores o AS-Interface é o sistema de comunicação de dados ideal, pois os sinais binários de dados são transmitidos via um barramento extremamente simples e de baixo custo, juntamente com a energia (24Vdc) necessária para alimentar estes mesmos sensores e atuadores. Outra característica importante é que os dados são transmitidos ciclicamente, de uma maneira extremamente eficiente e rápida.

No nível de campo, a periferia distribuída, tais como módulos de E/S, transdutores, acionamentos (drives), válvulas e painéis de operação, comunicam-se com sistemas de automação via 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 aciclicamente, somente quando necessário.

No nível de célula, os controladores programáveis, tais como CLP’s e PC’s comunicam-se uns com os outros, o que requer grandes pacotes de dados e um grande número de funções poderosas de comunicação. Além disto, uma integração eficiente aos sistemas de comunicação corporativos existentes, tais como: Intranet, Internet e Ethernet é um requisito absolutamente mandatório, o que o PROFIBUS FMS e o PROFINet podem suprir.

A revolução da comunicação industrial na tecnologia da automação está revelando um enorme potencial na otimização de sistemas de processo e tem feito uma importante contribuição na direção da melhoria no uso de recursos. As informações à seguir fornecerão uma explicação detalhada do PROFIBUS como um elo de ligação central no fluxo de informações na automação. A integração da tecnologia PROFIBUS com base em TCP/IP é explanada em detalhes no capítulo: Desenvolvimentos Técnicos Futuros.

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2. Tecnologia PROFIBUS

O PROFIBUS é um padrão aberto de rede de comunicação industrial, utilizado em um amplo espectro de aplicações em automação da manufatura, de processos e predial. Sua total independência de fabricantes e sua padronização são garantidas pelas normas EN50170 e EN50254. Com o PROFIBUS, dispositivos de diferentes fabricantes podem comunicar-se sem a necessidade de qualquer adaptação na interface.

RS-485 IEC 1158-2

Ethernet

Fiber Optics

PA (Process Automation)

Encoder

PROFISafe (Fail Safe)

PhysicalPhysical ProfilesProfiles

CommunicationCommunication

ProfilesProfiles

ApplicationApplication ProfilesProfiles

PROFIBUS EN 50170 PROFIBUS EN 50170

ExtensionsExtensions TCP/IP Future

Developments

PROFIDrive (Motion Control)

Figura 2: PROFIBUS e Ethernet

O PROFIBUS pode ser usado tanto em aplicações com transmissão de dados em alta velocidade como em tarefas complexas e extensas de comunicação.

Através de seu contínuo esforço de desenvolvimento tecnológico, o PROFIBUS é o sistema de comunicação industrial mais bem preparado para o futuro. A Organização de Usuários PROFIBUS está atualmente trabalhando na implementação de conceitos universais para integração vertical baseada em TCP/IP.

PROFIBUS oferece diferente protocolos de comunicação (Communication Profile): DP e FMS.

De acordo com a aplicação, pode-se utilizar como meio de transmissão (Physical Profile) qualquer um dos seguintes padrões: RS-485, IEC 61158-2 ou Fibra Ótica.

O Perfil da Aplicação (Aplication Profile) define as opções do protocolo e da tecnologia de transmissão requerida nas respectivas áreas de aplicação e para os vários tipos de dispositivos. Estes perfis também definem o comportamento do dispositivo.

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2.1. Perfil de Comunicação (Communication Profile)

O perfil de comunicação PROFIBUS define como os dados serão transmitidos serialmente através do meio de comunicação.

DP Communication FMS

RS-485 Fiber Optic

RS-485

Fiber Optic IEC 1158-2

PROFIBUS Data Link Layer

Application

Manufacturing

HMI,

Drives, Encoders,

Process

Positioners, I/O,

Measuring Transducers,

Physical

Fig. 3: Estrutura da Tecnologia PROFIBUS

PROFIBUS-DP - Periferia Descentralizada (Decentralized Periphery)

O DP é o perfil mais freqüentemente utilizado. Otimizado para alta velocidade e conexão de baixo custo, foi projetado especialmente para a comunicação entre sistemas de controle de automação e seus respectivos I/O’s distribuídos a nível de dispositivo. O PROFIBUS-DP pode ser usado para substituir a transmissão de sinal em 24 V em sistemas de automação de manufatura assim como para a transmissão de sinais de 4 a

20 mA ou HART em sistemas de automação de processo.

PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification)

O PROFIBUS-FMS é o perfil de comunicação universal para tarefas de comunicação complexas. FMS oferece muitas funções sofisticadas de comunicação entre dispositivos inteligentes. No futuro, com o uso do TCP/IP no nível de célula, o FMS terá um papel menos significativo.

2.2. Perfil físico (Physical Profile)

A aplicação de um sistema de comunicação industrial é amplamente influenciada pela escolha do meio de transmissão disponível. Assim sendo, aos requisitos de uso genérico, tais como alta confiabilidade de transmissão, grandes distâncias a serem cobertas e alta velocidade de transmissão, soma-se as exigências específicas da área automação de processos tais como operação em área classificada, transmissão de dados e alimentação no mesmo meio físico, etc. Partindo-se do princípio de que não é possível atender a todos estes requisitos com um único meio de transmissão, existem atualmente três tipos físicos de

- Fibra Ótica para aplicações em sistemas que demandam grande imunidade à interferências e grandes distâncias.

Atualmente, estão sendo feitos desenvolvimentos para uso de componentes comerciais de 10 e 100 Mbit/s como camada física para PROFIBUS.

Links e acopladores são disponíveis para acoplamento entre os vários meios de transmissão. Enquanto o termo Acoplador (Couplers) aplica-se à dispositivos que implementam o protocolo somente no que se refere ao meio físico de transmissão, o termo Link se aplica aos dispositivos inteligentes que oferecem maiores opções na operação entre subredes.

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2.3. Perfil de Aplicação (Aplication Profile)

O perfil de Aplicação descreve a interação do protocolo de comunicação com o meio de transmissão que está sendo utilizado, além de definir o comportamento do dispositivo durante a comunicação. O mais importante perfil de aplicação PROFIBUS é, atualmente, o perfil PA, que define os parâmetros e blocos de função para dispositivos de automação de processo, tais como transmissores, válvulas e posicionadores.

Existem ainda alguns outros perfis disponíveis, tais como: Acionamentos (Drives), Interface Homem Máquina e Encoders, etc. os quais definem a comunicação e o comportamento destes equipamentos de uma maneira independente do fabricante.

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3. Características Básicas

O PROFIBUS especifica as características técnica e funcionais de um sistema de comunicação industrial, através do qual dispositivos digitais podem se interconectar, desde do nível de campo até o nível de células. O PROFIBUS é um sistema multi-mestre e permite a operação conjunta de diversos sistemas de automação, engenharia ou visualização, com seus respectivos dispositivos periféricos (por ex. I/O’s). O PROFIBUS diferencia seus dispositivos entre mestres e escravos.

Dispositivos mestres determinam a comunicação de dados no barramento. Um mestre pode enviar mensagens, sem uma requisição externa, sempre que possuir o direito de acesso ao barramento (o token). Os mestres também são chamados de estações ativas no protocolo PROFIBUS.

Os dispositivos escravos são dispositivos remotos (de periferia), tais como módulos de I/O, válvulas, acionamentos de velocidade variável e transdutores. Eles não têm direito de acesso ao barramento e só podem enviar mensagens ao mestre ou reconhecer mensagens recebidas quando solicitados. Os escravos também são chamados estações passivas. Já que para executar estas funções de comunicação somente um pequena parte do protocolo se faz necessária, sua implementação é particularmente econômica.

3.1. Arquitetura do protocolo

O PROFIBUS é baseado em padrões reconhecidos internacionalmente, sendo sua arquitetura de protocolo orientada ao modelo de referência OSI (Open System Interconnection) conforme o padrão internacional ISO 7498. Neste modelo, a camada 1 (nível físico) define as características físicas de transmissão, a camada 2 (data link layer) define o protocolo de acesso ao meio e a camada 7 (application layer) define as funções de aplicação. A arquitetura do protocolo PROFIBUS é mostrado na figura 4.

Application Profiles

IEC Interface IEC 1158-2

User Layer

Application (7)

Data Link (2)

Physical (1)

Not used

EN 50 170 and PROFIBUS Guidelines PROFIBUS Profiles Fieldbus Data Link (FDL)

Fieldbus Message Specification (FMS)

RS-485 /Fiber Optic

DP-Grundfunktionen

Fields of Application (Manufacturing,Process, Building)

DP-Functions

Fig. 4: Arquitetura do protocolo

O PROFIBUS-DP usa somente as camadas 1 e 2, bem como a interface do usuário. As camadas 3 a 7 não são utilizadas. Esta arquitetura simplificada assegura uma transmissão de dados eficiente e rápida. O Direct Data Link Mapper (DDLM) proporciona à interface do usuário acesso fácil à camada 2. As funções de aplicação disponíveis ao usuário, assim como o comportamento dos dispositivos e do sistemas dos vários tipos de dispositivos DP, são especificados na Interface do Usuário.

No PROFIBUS-FMS as camadas 1, 2 e 7 são de especial importância. A camada de aplicação é composta do FMS (Fieldbus Message Specification) e do LLI (Lower Layer Interface). O FMS define uma ampla seleção de serviços de comunicação mestre-mestre ou mestre-escravo. O LLI define a representação destes serviços FMS no protocolo de transmissão de dados.

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O padrão RS 485 é a tecnologia de transmissão mais freqüentemente encontrada no PROFIBUS. Sua aplicação inclui todas as áreas nas quais uma alta taxa de transmissão aliada à uma instalação simples e barata são necessárias. Um par trançado de cobre blindado (shieldado) com um único par condutor é o suficiente neste caso.

A tecnologia de transmissão RS 485 é muito fácil de manusear. O uso de par trançado não requer nenhum conhecimento ou habilidade especial. A topologia por sua vez permite a adição e remoção de estações, bem como uma colocação em funcionamento do tipo passo-a-passo, sem afetar outras estações.

Expansões futuras, portanto, podem ser implementadas sem afetar as estações já em operação.

Taxas de transmissão entre 9.6 kbit/sec e 12 Mbit/sec podem ser selecionadas, porém uma única taxa de transmissão é selecionada para todos dispositivos no barramento, quando o sistema é inicializado.

Todos os dispositivos são ligados à uma estrutura de tipo barramento linear. Até 32 estações (mestres ou escravos) podem ser conectados à um único segmento. O barramento é terminado por um terminador ativo do barramento no início e fim de cada segmento (Veja Figura 5). Para assegurar uma operação livre de erros, ambas as terminações do barramento devem estar sempre ativas. Normalmente estes terminadores encontram-se nos próprios conectores de barramento ou nos dispositivos de campo, acessíveis através de uma dip-switch. No caso em que mais que 32 estações necessitem ser conectadas ou no caso que a distância total entre as estações ultrapasse um determinado limite, devem ser utilizados repetidores (repeaters) para se interconectar diferentes segmentos do barramento.

O comprimento máximo do cabo depende da velocidade de transmissão (Veja Tabela 2). As especificações de comprimento de cabo na Tabela 2, são baseadas em cabo Tipo-A, com o seguintes parâmetros: - Impedância: 135 a 165 Ohms

- Capacidade: < 30 pf/m - Resistência: 110 Ohms/km

- Medida do cabo: 0.64mm

- Área do condutor: > 0.34mm²

Mídia Cabo par trançado blindado. A blindagem pode ser omitida, dependendo das condições eletromagnéticas do ambiente (EMC).

Número de Estações 32 estações em cada segmento sem repetidores. Com repetidores pode ser estendida até 126 estações.

Conectores Preferencialmente DB-9 para IP20.

Os cabos PROFIBUS são oferecidos por vários fabricantes. Uma característica particular é o sistema de conexão rápida. O uso de cabos do tipo B, ao contrário do que anteriormente divulgado, não é mais recomendado.

Durante a instalação, observe atentamente a polaridade dos sinais de dados (A e B). O uso da blindagem é absolutamente essencial para se obter alta imunidade contra interferências eletromagnéticas. A blindagem por sua vez deve ser conectada ao sistema de aterramento em ambos os lados através de bornes de aterramento adequados. Adicionalmente recomenda-se que os cabos de comunicação sejam mantidos separados dos cabos de alta voltagem. O uso de cabos de derivação deve ser evitados para taxas de transmissão acima de 1,5Mbits/s. Os conectores disponíveis no mercado hoje permitem que o cabo do barramento entre/saia diretamente no conector, permitindo assim que um dispositivo seja conectado/desconectado da rede sem interromper a comunicação.

Nota-se que quando problemas ocorrem em uma rede PROFIBUS, cerca de 90% dos casos são provocados por incorreta ligação e/ou instalação. Estes problemas podem ser facilmente solucionados com o uso de equipamentos de teste, os quais detectam falhas nas conexões.

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Para a conexão em locais com grau de proteção IP20, utiliza-se conectores tipo DB9 (9 pinos). A definição da pinagem e esquema de ligação é mostrada na figura 5.

Estação 1Estação 2

Shielding

Protectiveground Protective ground

RxD/TxD-P (3) DGND (5)

VP (6) RxD/TxD-N (8)

(3) RxD/TxD-P

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