Profibus-Automação Avançada

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GAT 108 – Automação Avançada
Introdução às redes industriais: Profibus
Docente: Danilo Alves de Lima
Turma 22A do curso de Engenharia de Controle e Automação
Maio de 2020
Lavras - MG, Brasil
1. Introdução
A indústria atualmente, vive um momento único no qual grandes transformações
vêm ocorrendo, conforme podemos identificar na Figura 1. Esse fenômeno foi titulado como
Indústria 4.0. Nesse modelo de indústria a conectividade e a digitalização são palavras
chaves para entendermos esse evento, que foi motivado a partir dos novos desafios de
mercado, exigindo do setor industrial uma maior velocidade quanto na inovação, produção e
entrega de produtos complexos. Para manter essa velocidade é necessário ter uma
automação flexível, um chão de fábrica adaptável, no qual seja possível controlar toda a
cadeia de produção, tendo uma rastreabilidade eficiente para que o setor possa garantir
qualidade do produto.
Figura 1 - Evolução do setor industrial.
E para garantir essa conectividade e agilidade as indústrias contam com as redes
industriais. Essas que são as responsáveis pelo tráfego de informações, que são as
rodovias do país Indústria. Por isso, temos como objetivo conceituar o Profibus, que é um
tipo de rede muito utilizado no mercado atualmente.
2. História
O Profibus iniciou-se a partir de uma associação apoiada por autoridades públicas
em 1987 na Alemanha. Com a união de 21 companhias e institutos, foi criado um projeto
em fieldbus, que é uma tecnologia que padroniza a comunicação entre os dispositivos,
substituindo o sinal analogico 4-20mA (miliampére) por somente um par trançado de fios (a
fibra ótica também pode ser usada). Existem diversos protocolos que utilizam o padrão
fieldbus, como exemplo temos: CAN, Modbus, Profinet, Industrial Ethernet.
O projeto de criação do Profibus tinha como objetivo a estabilização de um
barramento de campo bit serial, tornando possível uma padronização da interface de
dispositivos de campo. Esse protocolo começou a ser utilizado primeiramente na
manufatura e automação de processos. Para isso foi necessário a especificação do Profibus
FMS ( especificações de mensagens Fieldbus).
Mais tarde, em 1993, se especificou o Profibus -DP , com uma variante mais simples
e com comunicação mais rápida (periferia descentralizada). Em 1995, iniciou-se o avanço
da utilização desse protocolo na automação de processos com a introdução do Profibus-PA.
Atualmente, o Profibus é o barramento de campo líder no mercado mundial e
recentemente completou 20 anos de oficialização. No Brasil, iniciou-se a partir de 1997 com
a criação de uma associação Profibus. A associação Profibus Brasil, também é responsável
por toda a América Latina, e tem-se como principal objetivo disseminar informações sobre o
padrão e integrar a cooperação entre as empresas.
3. Redes Industriais
Redes industriais são sistemas de comunicação responsável por interligar diversos
dispositivos, de forma que estes troquem informações sem perdas de dados.
Quando falamos de redes, em geral, sabemos que estas são compostas por
camadas. Se tratando de redes de computadores, algumas literaturas, como o modelo OSI
(Open System Interconnection) adotam 7 camadas, são elas: aplicação, apresentação,
sessão, transporte, rede, enlace e física. O Profibus utiliza 3 camadas do modelo OSI
sendo: aplicação, enlace e física. Basicamente essa é a grande diferença entre redes
industriais para com redes de computadores.
Como as redes industriais exigem mais velocidade e desempenho, em geral, essas
redes possuem um número de camadas menor do que uma rede de computador padrão, e
por estarem em uma rede local não se faz necessário o uso de todas as camadas.
No mercado atual, existem diversas redes com protocolos diferentes. Temos o
protocolo MQTT, específico para conexão entre o chão de fábrica com a nuvem, TCP/IP,
S7 Connection, SSL, utilizados em diversas redes como Profinet, Modbus, DeviceNet, Hart
etc.
4. Tipos de Profibus
Assim como a maioria das tecnologias, o Profibus também passou por revisões e
atualizações. Algumas dessas revisões resultaram no surgimento de um novo tipo,
enquanto que em outros casos, versões diferentes do mesmo tipo de Profibus nasceram.
Essa variedade permite que, os sistemas necessários às diversas aplicações nas indústrias,
sejam adequados com o auxílio desse tipo de rede. Baseado nisso, existem três tipos de
Profibus: FMS, DP e PA.
4.1 Profibus DP
O PROFIBUS-DP (Periférico descentralizado) é uma variante do PROFIBUS que se
caracteriza pela redução de custos em plantas automatizadas e pela sua alta velocidade de
comunicação capaz de chegar até 12Mb/s. Das três variantes, o profibus é considerado a
mais universal por conseguir atender as necessidades de diversos projetos de controle de
processos, de formas simples e rápida.
O PROFIBUS periférico descentralizados pode ser dividido em três classes:
A. Mestre DP 01 – Na classe 01, as informações e dados são trocados entre o
controlador central e seus escravos dentro de um ciclo de mensagens em
específico. Comumente, o CLP é o controlador central.
B. Mestre DP 02 – Na classe 02, os mestres não têm mais a funcionalidade de
ser um controlador central, e sim, configurar dispositivos e softwares de supervisão.
Ou seja, classe 02 é destinada para os modos de supervisão e operação do sistema.
C. Escravo DP – São dispositivos periféricos, ou seja, são entradas e saídas
(I/O’s) que tem como objetivo coletar as informações e dados das entradas e
trafegarem para os seus devidos processos.
Além dessas classes, o PROFIBUS-DP pode trabalhar como multimestre também.
Neste caso, vários mestres são interligados ao barramento. Porém, cada mestre é
independente,mas podem se comunicarem entre si. Todos os mestres podem ler qualquer
escravo ligado ao barramento mas somente o mestre pode enviar informações para seu
respectivo escravo.
O suporte de endereçamento deste PROFIBUS é conduzido conforme o tipo de dispositivo.
O limite de dispositivos mestres e/ou escravos é de até 126 dispositivos.
Versões dos protocolos PROFIBUS-DP são divididas em três:
A. DP-V0: Comunicação cíclica entre o mestre e os escravos;
B. DP-V1: Complemento da versão 0. Nesta, surge a comunicação acíclica entre o
mestre e escravo;
C. DP-V2: Configurações avançadas e comunicação isócrona.
O meio físico que este protocolo usa para trafegar dados são a fibra óptica e o padrão
RS-485.
O PROFIBUS-DP pode ser interligados entre alguns equipamentos, são eles: CLP, IHM,
supervisórios, inversores de frequência, soft-starter, sensores, válvulas, atuadores e entre
outros equipamentos.
4.2 Profibus FMS
O Profibus FMS apresenta um padrão de comunicação universal por possuir uma gama
variabilidade de funções em relação a outras variantes. Este padrão de comunicação é
muito utilizado em sistemas mais complexos nas comunicações entre CLPs e DCSs, por
permitir a comunicação de diferentes tipos de equipamentos.
4.3 Profibus PA
O Profibus PA (Process Automation) apresenta bastante similaridades com o
Profibus DP, é amplamente utilizado em automação de processos no qual ele é responsável
por fazer a conexão dos sistemas de automação e controle com os instrumentos utilizados
em campo. Entres esses instrumentos, temos como exemplo, transmissores de
temperatura, transmissores de pressão, conversores, entre outros. Observa-se que o
Profibus PA pode e é bastante utilizado na substituição do padrão 4 a 20mA.
As principais vantagens deste protocolo são:
● Confiabilidade das informações transmitidas.
● Tratamento de status das variáveis.
● Medições com altas resoluções.
● Variabilidade de aplicações.
● Baixo custo, podendo chegar a redução de até 40% se comparado com os
sistemas convencionais.
● Maior segurança e funcionalidade
O Profibus PA é capaz de fazer a medição e o controle por uma linha e dois fios
simples, além de ser bastante utilizado em áreas que apresentam riscos de explosão.
Ambos os Profibus, o DP e o PA, utilizam-se do mesmo protocolo de comunicação, isso se
dá pois os serviços decomunicação e mensagens são iguais. O PROFIBUS PA pode ser
definido da seguinte forma:
A soma do PROFIBUS DP + Serviços acíclicos + H1 subtraindo da soma, o Protocolo
de comunicação. A H1, é a camada física IEC 61158.
O Protocolo PA, por ser um protocolo de comunicação que usa variantes distintas,
permite uma integração estável e completa nos mais diversos projetos das áreas de
processo e controle industrial e em todos níveis da automação.
5. Case
Endereçamento na rede PROFIBUS
Existem dois tipos de arquiteturas de endereçamento na rede PROFIBUS, o
endereçamento com couplers e o endereçamento com links devices. As figuras 2 e 3,
representam respectivamente os seguintes endereçamentos com Couplers e com Links
Devices. Os links são mestres dos PROFIBUS PA e escravos dos PROFIBUS DP.
Figura 2 - Exemplo de endereçamento couplers. Figura 3 - Exemplo de endereçamento Links,
6. Meio de Transmissão
O meio de transmissão é um padrão do meio físico. Cada protocolo possui a sua
preferência por um tipo de conector. Quando se trata do protocolo Profibus, essa
preferência se resume a 3 tipos, são eles:
6.1 RS-485
Primeiramente, é válido ressaltar que o padrão RS-485 não é um protocolo de
comunicação mas sim um padrão que especifica os padrões físicos como tensão de
operação, distância máxima e números de dispositivos. Diversos protocolos utilizam esse
padrão, como por exemplo o PROFIBUS, BACnet e CompoNet. Entre o protocolos
PROFIBUS, este é um dos padrões mais utilizados, devido ao seu fácil manuseio com
apenas um par trançado de cobre blindado.
O Recommendad Standart-485 foi aprovado pela Eletronics Industries Association
(EIA) como um novo meio de transmissão de dados por cabeamento em 1983, tendo uma
ótima aceitação de mercado. Sua aplicação inclui todas as áreas no qual é necessária uma
alta taxa de transmissão de dados junto a uma instalação simples. Sendo de uso universal,
especialmente em sistemas de automação da manufatura.
Figura 4 - Conector PROFIBUS FC RS485 12Mbit/s -Siemens.
De acordo com a Figura 4, é possível perceber como será feita a conexão do
Profibus.
7.2 Fibra Ótica
Muitas vezes a fibra ótica é utilizada em aplicações que exigem conexões de longa
distâncias, para assim evitar que o sinal se perca e/ou haja interferência eletromagnética. A
fibra é um método de transmissão a partir de pulsos de luz.
As topologias de PROFIBUS que utilizam a fibra frequentemente são em estrela ou
em anel. É possível encontrar fibras com links redundantes com meios físicos alternativos,
sendo assim a transferência de dados é automática quando ocorre uma falha com outra
máquina.
No mercado, existem também conectores com conversor integrado (transceivers) de
sinais RS485 para fibra e vice-versa.
7.3 IEC-61158-2
Esse meio de transmissão foi criado para atender aos requisitos das indústrias
petroquímicas e químicas, pois permite que os dispositivos de campos sejam energizados
pelo próprio barramento, sendo assim o PROFIBUS pode estar presente em áreas de risco.
Porém, para o uso nessas áreas segue-se o modelo da FISCO (Fieldbus intrinsically Safe
Concept). Esse modelo foi desenvolvido pelo instituto alemão PTB. Deve-se seguir esses
princípios :
- 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;
- Uma terminação passiva de linha é necessária, em ambos fins da linha principal do
barramento;
- Topologia linear,árvore e estrela são permitidos.
7. Topologia
A rede Profibus possui quatro tipos de topologia: estrela, barramento, ponto-a-ponto
e redundância. As figuras abaixo é uma representação gráfica de cada tipo de topologia.
Estrela conecta um ampla variedade de dispositivos. Barramento simplifica o gerenciamento
de cabos .Redundância ou anel, habilita uma máxima disponibilidade do dispositivo.
Figura 5 - Topologia estrela.
Figura 6 - Topologia barramento.
Figura 7- Topologia Ponto a Ponto.
Figura 8 - Topologia redundância.
8. Conclusão
A gama variabilidade de aplicações e a alta confiabilidade do protocolo PROFIBUS,
faz com que este protocolo seja muito bem visto no mercado industrial, por isto, ele é um
dos protocolos de comunicação industrial mais utilizados no mundo. Além da alta variedade
de aplicações (funcionalidades), uso em áreas que exigem proteção intrínseca e alta
confiabilidade, o PROFIBUS fornece ainda uma fácil e alta qualidade nas instalações e fácil
manejo em futuras manutenções.
Além disso, diversos dispositivos de mercado conseguem atender ao Profibus, com
isso um projeto de engenharia se torna escalável, podendo adicionar novos dispositivos de
rede a qualquer momento.
Foi importante a realização deste trabalho para conceituarmos a rede Profibus e
suas especificidades. Entende-se, o quanto essa rede contribuiu e ainda continua
contribuindo para o desenvolvimento do setor industrial.
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