O
PROFIBUS é um padrão de rede de campo aberto e independente de fornecedores,
onde a interface entre eles permite uma ampla aplicação em processos,
manufatura e automação predial. Esse padrão é garantido segundo as normas EN
50170 e EN 50254. Desde janeiro de 2000, o PROFIBUS foi firmemente estabelecido
com a IEC 61158, ao lado de mais sete outros fieldbuses. A IEC 61158 está
dividida em sete partes, nomeadas 61158-1 a 61158-6, nas quais estão as
especificações segundo o modelo OSI. Nessa versão houve a expansão que incluiu
o DPV-2. Mundialmente, os usuários podem agora se referenciar a um padrão
internacional de protocolo, cujo desenvolvimento procurou e procura a redução
de custos, flexibilidade, confiança, orientação ao futuro, atendimento as mais
diversas aplicações, interoperabilidade e múltiplos fornecedores.
Hoje,
estima-se em mais de 20 milhões de nós instalados com tecnologia PROFIBUS
e mais de 1000 plantas com tecnologia PROFIBUS PA. São 24 organizações
regionais (RPAs) e 33 Centros de Competência em PROFIBUS (PCCs),
localizados estrategicamente em diversos países, de modo a oferecer suporte aos
seus usuários, inclusive no Brasil, junto a Escola de Engenharia de São
Carlos-USP, existe o único PCC da América Latina.
Em termos de desenvolvimento, vale a pena lembrar
que a tecnologia é estável, porém não é estática. As empresas-membro do
PROFIBUS International estão
sempre reunidas nos chamados Work Groups atentas
às novas demandas de mercado e garantindo novos benefícios com o advento de
novas características.
Veremos a seguir alguns pontos-chave dessa tecnologia. Mais detalhes
estão na Descrição Técnica disponível no site www.profibus.org.br.
Figura 1 – Comunicação Industrial
Profibus.
A tecnologia da informação tornou-se
determinante no desenvolvimento da tecnologia da automação, alterando
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 no conceito de automação de hoje. A comunicação
expande-se rapidamente no sentido horizontal, nos níveis inferiores (field level), assim como no sentido
vertical integrando todos os níveis hierárquicos de um sistema. 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 alimentação 24Vdc
necessária para alimentar estes mesmos sensores e atuadores. Outra
característica importante é a de 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, trabalham em 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 somente quando necessário, de
maneira acíclica.
No
nível de célula, os controladores programáveis, como os CLPs e os PCs,
comunicam-se entre si, requerendo, dessa maneira, que grandes pacotes de dados
sejam transferidas em inúmeras e poderosas funções de comunicação. Além disso,
a integração eficiente aos sistemas de comunicação corporativos existentes,
tais como: Intranet, Internet e Ethernet, são requisito absolutamente
obrigatório. Essa necessidade é suprida pelos protocolos PROFIBUS FMS e
PROFINet.
A
revolução da comunicação industrial na tecnologia da automação revela 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 a seguir
fornecerão uma explicação resumida do PROFIBUS como um elo de ligação central
no fluxo de informações na automação.
O
PROFIBUS, em sua arquitetura, está dividido em três variantes principais:
O
PROFIBUS DP é a solução de alta velocidade (high-speed)
do PROFIBUS. Seu desenvolvimento foi otimizado especialmente para comunicações
entres os sistemas de automações e equipamentos descentralizados. Voltada para
sistemas de controle, onde se destaca o acesso aos dispositivos de I/O distribuídos. É utilizada em
substituição aos sistemas convencionais 4 a 20 mA, HART ou em transmissão com
24 Volts. Utiliza-se do meio físico RS-485 ou fibra ótica. Requer menos de 2 ms
para a transmissão de 1 kbyte de entrada e saída e é amplamente utilizada em
controles com tempo crítico.
Atualmente, 90% das aplicações
envolvendo escravos Profibus utilizam-se do PROFIBUS DP. Essa variante está
disponível em três versões: DP-V0 (1993), DP-V1 (1997) e DP-V2 (2002). A origem
de cada versão aconteceu de acordo com o avanço tecnológico e a demanda das
aplicações exigidas ao longo do tempo.
Figura 2 – Versões do Profibus.
O
PROFIBUS-FMS provê ao usuário uma ampla seleção de funções quando comparado com
as outras variantes. É a solução de padrão de comunicação universal que pode
ser usada para resolver tarefas complexas de comunicação entre CLPs e DCSs. Essa
variante suporta a comunicação entre sistemas de automação, assim como a troca
de dados entre equipamentos inteligentes, e é geralmente utilizada em nível de
controle. Recentemente, pelo fato de ter como função primária a comunicação
mestre-mestre (peer-to-peer),
vem sendo substituída por aplicações em Ethernet.
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:
A
conexão dos transmissores, conversores e posicionadores em uma rede PROFIBUS DP
é feita por um coupler DP/PA.
O par trançado a dois fios é utilizado na alimentação e na comunicação de dados
para cada equipamento, facilitando a instalação e resultando em baixo custo de
hardware, menor tempo para iniciação, manutenção livre de problemas, baixo
custo do software de engenharia e alta confiança na operação.
Posteriormente,
em outras edições, o PROFINET será abordado.
Todas
as variantes do PROFIBUS são baseadas no modelo de comunicação de redes OSI (Open System Interconnection) em
concordância com o padrão internacional ISO 7498. Devido aos requisitos de
campo, somente os níveis 1 e 2, e ainda o nível 7 no FMS, são implementados por
razões de eficiência.
Figura 3 – Arquitetura de comunicação do
Protocolo PROFIBUS.
Nas três variantes os dois níveis inferiores são muito parecidos, sendo que a
grande diferença está na interface com os programas de aplicação. O nível 1
define o meio físico. O nível 2 (nível de transporte de dados) define o
protocolo de acesso ao barramento. O nível 7 (nível de aplicação) define as
funções de aplicação.
Essa
arquitetura assegura transmissão de dados rápida e eficiente. As aplicações
disponíveis ao usuário, assim como o comportamento dos vários tipos de
dispositivos PROFIBUS-DP, estão especificados na interface do usuário.
O
PROFIBUS-FMS tem os níveis 1, 2 e 7 definidos, onde o nível de aplicação é
composto de mensagens FMS (Fieldbus Message
Specification) e da camada inferior (LLI -Lower Layer Interface). O FMS define um amplo número de
serviços poderosos de comunicação entre mestres e entre mestres e escravos. O
LLI define a representação de serviços do FMS no protocolo de transmissão do
nível 2.
O
protocolo de comunicação PROFIBUS PA usa o mesmo protocolo de comunicação
PROFIBUS DP. Isto porque os serviços de comunicação e mensagens são idênticos. De
fato, o PROFIBUS PA = PROFIBUS DP - protocolo de comunicação + Serviços
Acíclico Estendido + IEC61158 que é a Camada Física, também conhecida como H1. Permite
uma integração uniforme e completa entre todos os níveis da automação e as
plantas das áreas de controle de processo. Isto significa que a integração de
todas as áreas da planta pode ser realizada com um protocolo de comunicação que
usa variações diferentes.
A
transmissão RS 485 é a tecnologia de transmissão mais utilizada no PROFIBUS,
embora a fibra ótica possa ser usada em casos de longas distâncias (maior do
que 80Km). Seguem
as principais características:
Normalmente
se aplica em áreas envolvendo alta taxa de transmissão, instalação simples a um
custo baixo. A estrutura do barramento permite a adição e remoção de estações
sem influências em outras estações com expansões posteriores sem nenhum efeito
em estações que já estão em operação.
Quando
o sistema é configurado, apenas uma única taxa de transmissão é selecionada
para todos os dispositivos no barramento.
Há
necessidade da terminação ativa no barramento no começo e fim de cada segmento,
conforme a figura 3, sendo que, para manter a integridade do sinal de
comunicação, ambos terminadores devem ser energizados.
Figura 4 – Cabeamento e terminação para
transmissão RS-485 no PROFIBUS.
Para
casos com mais de 32 estações ou para redes densas, devem ser utilizados
repetidores. O comprimento máximo do cabeamento depende da velocidade de
transmissão, conforme a tabela 1.
Baud rate (kbit/s) |
9.6 |
19.2 |
93.75 |
187.5 |
500 |
1500 |
2000 |
Comprimento /
Segmento (m) |
1200 |
1200 |
1200 |
1000 |
400 |
200 |
100 |
Tabela 1 – Comprimento em função da velocidade de transmissão com cabo
tipo A.
A
tecnologia de transmissão é síncrona com codificação Manchester em 31.25
Kbits/s (modo tensão), está definida segundo o IEC 61158-2 e foi elaborada no
intuito de satisfazer os requisitos das indústrias químicas e petroquímicas:
segurança intrínseca e possibilidade de alimentar os equipamentos de campo pelo
barramento. As opções e os limites de trabalho em áreas potencialmente
explosivas foram definidos segundo o modelo FISCO ( Fieldbus Intrinsically Safe Concept).
A tabela 2 mostra algumas
características do IEC 61158-2:
CARACTERÍSTICAS |
MEIO FÍSICO DE ACORDO COM IEC1158-2, VARIANTE H1 |
Taxa de comunicação |
31.25 kbits/s |
Cabo |
Par trançado com blindagem |
Topologia |
Barramento,
árvore/estrela, ponto a ponto. |
Alimentação |
Via barramento ou externa |
Segurança Intrínseca |
Possível |
Número de equipamentos |
Máximo: 32(non-Ex) |
Cabeamento Máximo |
1900 m, expansível a
10Km com 4 repetidores |
Máximo comprimento de spur |
120m/spur |
Sinal de comunicação |
Codificação
Manchester, com modulação tensão. |
Tabela
2 – Características da Tecnologia de Transmissão IEC 61158-2.
A
solução utilizando-se de fibra ótica vem atender às necessidades de imunidade a
ruídos, diferenças de potenciais, longas distâncias, arquitetura em anel e
redundância física e altas velocidades de transmissão.
TIPO DE FIBRA |
CARACTERÍSTICAS |
Fibra de vidro monomodo |
Distância média de 2 – 3 Km |
Fibra de vidro multimodo |
Distância Longa, > 15 Km |
Fibra Sintética |
Distância Curta, > 80 km |
Fibra PCS/HCS |
Distância Curta, > 500 m |
Tabela
3 – Tipos de fibras e características envolvidas.
A
eficiência da comunicação é determinada pelas funções do nível 2, onde são
especificadas tarefas de controle de acesso ao barramento, as estruturas dosframes de
dados, serviços básicos de comunicação e muitas outras funções.
As
tarefas do nível 2 são executadas pelo FDL (Fieldbus
Data Link) e pelo FMA (Fieldbus
Management), sendo que o primeiro é responsável pelas seguintes
tarefas:
O
FMA provê várias funções de gerenciamento, como por exemplo:
A
arquitetura e a filosofia do protocolo PROFIBUS asseguram a cada estação
envolvida nas trocas de dados cíclico um tempo suficiente para a execução de
sua tarefa de comunicação dentro de um intervalo de tempo definido. Para isso,
utiliza-se do procedimento de passagem de “token”,
usado por estações mestres do barramento ao comunicar-se entre si, e o
procedimento mestre-escravo para a comunicação com as estações escravas. A
mensagem de “token” (um frame especial para a passagem de direito de
acesso de um mestre para outro) deve circular, sendo uma vez para cada mestre
dentro de um tempo máximo de rotação definido (que é configurável). No PROFIBUS
o procedimento de passagem do “token”
é usado somente para comunicações entre os mestres.
Figura 5 – Comunicação Multi-Mestre.
Figura 6 – Comunicação
Mestre- Escravo.
O
procedimento mestre-escravo possibilita ao mestre que esteja ativo (o que
possui o “token”) acessar os
seus escravos (através dos serviços de leitura e escrita).
O
PROFIBUS utiliza subconjuntos diferentes dos serviços do nível 2 em cada um de
seus perfis (DP, FMS, PA). Veja a tabela 4.
SERVIÇO |
FUNÇÃO |
DP |
FMS |
PA |
SDA |
Send Data with Acknowledge (Envia dados com confirmação) |
não |
sim |
não |
SRD |
Send and Request Data with reply (Envia e recebe dados com resposta) |
sim |
sim |
sim |
SDN |
Send Data with No
acknowledge (Envia dados sem
confirmação) |
sim |
sim |
sim |
CSRD |
Cyclic Send and Request Data with reply |
não |
sim |
não |
Tabela 4 – Serviços do PROFIBUS (nível 2).
Serviços
de endereçamento utilizando 7 bits são usados para identificar os participantes
na rede, sendo que da faixa de 0 a 127, os seguintes endereços são reservados:
O perfil PROFIBUS-DP foi desenvolvido para
atender comunicação cíclica de forma rápida entre os dispositivos distribuídos.
Além disso, o PROFIBUS DP oferece funções para serviços de acesso acíclico,
como configuração, monitoração, diagnósticos e gerenciamento de alarmes de
equipamentos de campo.
Em 12Mbit/s, O PROFIBUS-DP requer somente 1 ms
para transmitir 512 bits de entrada e 512 bits de saída, distribuídos entre 32
estações. Esse perfil é ideal para controles discretos, exigindo alta
velocidade de processamento. A Figura 7 mostra o tempo típico de transmissão do
PROFIBUS-DP, em função do número de estações e velocidade de transmissão, onde
cada escravo possui 2 bytes de entrada e 2 bytes de saída e o “ Minimal
Slave Interval Time ”
é 200µs.
Figura
7 – Tempo de ciclo de barramento de um sistema de monomestre do DP.
O FDL é que define os telegramas, sendo que se
pode ter:
A integridade e a segurança das informações
são mantidas em todas as transações, pois se incluem a paridade e a checagem do frame,
alcançando-se dessa forma “Hamming Distance”
de HD=4.
A figura 8 ilustra o princípio de
transferência dos dados de usuários. Somente lembrando que, no lado DP, os
dados são transmitidos de modo assíncrono sob a 485 e, no lado PA, de forma
bit-síncrona, no H1.
Figura 8 – Princípio de transferência dos
dados de usuários utilizado pelo FDL.
Para trocar dados com um escravo é
absolutamente essencial que o mestre observe a seguinte seqüência durante o startup:
Figura
9 – Serviços Mandatários e Opcionais entre um escravo e mestre classe 1 e 2.
A figura 9 mostra serviços mandatários e
opcionais entre um escravo DP e mestres classe 1 e 2 que mestres e escravos
devem possuir.
Cada sistema DP pode conter três tipos
diferentes de dispositivos:
A quantidade de informação de entrada e saída
depende do tipo de dispositivo, sendo que se permite até 244 bytes de entrada e
244 bytes de saída.
A transmissão de dados entre o DPM1 e os
escravos é executada automaticamente pelo DPM1 e é dividida em três fases:
parametrização, configuração e transferência de dados.
Segurança e confiabilidade são indispensáveis
para que se possa adicionar ao PROFIBUS-DP as funções de proteção contra erros
de parametrização ou falha do equipamento de transmissão. Para isso, o
mecanismo de monitoração é implementado tanto no mestre DP, quanto nos
escravos, em forma de monitoração de tempo especificada durante a configuração.
O Mestre DPM1 monitora a transmissão de dados dos escravos com o Data_Control_Timer.
Um contador de tempo é utilizado para cada dispositivo. O timer expira quando
uma transmissão de dados correta não ocorre dentro do intervalo de monitoração
e o usuário é informado quando isso acontece. Se a reação automática a erro (Auto_Clear = true) estiver habilitada, o mestre DPM1
termina o estado de OPERAÇÃO, protegendo as saídas de todos os seus escravos e
passando seu estado para “CLEAR”.
O escravo usa o “watchdog timer”
para detectar falhas no mestre ou na linha de transmissão. Se nenhuma
comunicação de dados com o mestre ocorrer dentro do intervalo de tempo do “watchdog timer”, o escravo
automaticamente levará suas saídas para o estado de segurança (fail safe state).
As funções DP estendidas possibilitam funções
acíclicas de leitura e escrita e reconhecimento de interrupção que podem ser
executadas paralelamente e independentes da transmissão cíclica de dados. Isso
permite que o usuário faça acessos acíclicos dos parâmetros (via mestre classe
2) e que valores de medida de um escravo possam ser acessados por estações de
supervisão e de diagnóstico.
Atualmente essas funções estendidas são
amplamente usadas em operação online dos
equipamentos de campo PA pelas estações de engenharia. Essa transmissão tem uma
prioridade mais baixa do que a transferência cíclica de dados (que exige alta
velocidade e alta prioridade para o controle).
O tempo de reposta em um sistema Profibus DP é
essencialmente dependente dos seguintes fatores:
Para efeitos práticos, à 12Mbits/s pode-se
assumir que o tempo de ciclo de mensagem (Tmc), que envolve o promptingtelegram + TSDR + a resposta do escravo, onde N
é o número de entradas e saídas do escravo, é:
Tmc = 27µs + N x 1.5µs
Por exemplo: um mestre com 5 escravos e cada
escravo com 10 bytes de entrada e 20 de saída, à 12Mbits/s teria um Tmc
aproximado de 72µs/slave. O tempo de ciclo de barramento é obtido somando-se
todos os ciclos de mensagem:
Tbc = 5 x 72µs = 360µs
Uma explicação mais detalhada sobre tempos do
sistema pode ser consultada no padrão IEC 61158.
A utilização do PROFIBUS em dispositivos
típicos e aplicações em controle de processos estão definidas segundo o perfil
PROFIBUS-PA, que define os parâmetros dos equipamentos de campo e seu
comportamento típico, independente do fabricante, e se aplica a transmissores
de pressão, temperatura, posicionadores. É baseado no conceito de blocos
funcionais que são padronizados de tal forma a garantir a interoperabilidade
entre os equipamentos de campo.
Os valores e o status da medição, assim como
os valores de setpoint recebido pelos equipamentos de campo
no PROFIBUS-PA, são transmitidos ciclicamente com mais alta prioridade via
mestre classe 1 (DPM1). Já os parâmetros para visualização, operação,
manutenção e diagnose são transmitidos por ferramentas de engenharia (mestre
classe 2, DPM2) com baixa prioridade através dos serviços acíclicos pelo DP via
conexão C2. Ciclicamente também se transmite uma seqüência de bytes de
diagnósticos. A descrição dos bits desses bytes estão no arquivo GSD do
equipamento e dependem do fabricante.
O tempo de ciclo (Tc) aproximado pode ser
calculado como:
Tc ≥ 10ms x número de equipamento + 10ms
(serviços acíclicos mestre classe 2) + 1.3ms (para cada conjunto de 5 bytes de
valores cíclicos).
Imagine a situação onde se tem 5 malhas de controle
com 5 transmissores de pressão e 5 posicionadores de válvula. Teria-se um tempo
de ciclo de aproximadamente 110 ms.
Basicamente, pode-se citar os seguintes
elementos de uma rede PROFIBUS:
Figura
10 – Arquitetura básica com couplers.
Figura
10 – Arquitetura básica com couplers e links (IM157).
Figura 11 – Dados de
cabos do Profibus PA.
Quanto ao endereçamento, pode-se ter duas
arquiteturas a analisar onde fundamentalmente tem-se a transparência dos couplers e a atribuição de endereços aoslinks devices, conforme se pode ver nas
figuras 12 e 13.
|
|
Figura 12 –
Endereçamento com couplers. |
Figura 13 –
Endereçamento com links. |
Note que na figura 13 a capacidade de
endereçamento é significante aumentada com a presença dos links,
uma vez que são escravos para o DP e mestres do PA.
Em termos de topologia, pode-se ter as
seguintes distribuições: estrela (figura 14), barramento (figura 15) e
ponto-a-ponto (figura 16):
Figura 14 – Topologia Estrela.
Figura 15 – Topologia
Barramento.
Figura 16 – Topologia
Ponto-a-Ponto.
Para se integrar um equipamento num sistema
PROFIBUS basta o uso do arquivo GSD do equipamento. Cada tipo de equipamento
possui o seu arquivo GSD (datasheet eletrônico), que é um arquivo texto
com detalhes de revisão de hardware e software, bus
timing do equipamento
e informações sobre a troca de dados cíclicos. Veja o exemplo na figura 17.
Figura
17 – Arquivo GSD para o LD303 – Transmissor de Pressão.
Além do arquivo GSD, é comum se fornecer os
arquivos de Descrição dos Dispositivos (DDs), onde se tem detalhado os
parâmetros, menus e métodos que permitirão a configuração cíclica do
equipamento de campo. Esses arquivos seguem o padrão EDDL definido pelo
PROFIBUS Internacional. Existe ainda o padrão FDT e DTM para configuração,
monitoração e calibração.
Um sistema PROFIBUS pode ser operado e
monitorado independentemente de equipamentos e fabricantes. Essa afirmação será
verdadeira se todas as funcionalidades e parametrizações, bem como as maneiras
de acessos a essas informações, forem padrões. Esses padrões são determinados
pelos profiles(perfis) do PROFIBUS-PA.
Esses profiles especificam como os fabricantes devem
implementar os objetos de comunicação, variáveis e parâmetros, segundo a classe
de funcionamentos dos equipamentos. E ainda existe a classificação dos próprios
parâmetros:
Mestre Classe 1 : Classe 1 - responsável pelas operações cíclicas
(leituras/escritas) e controle das malhas abertas e fechadas do sistema.
Mestre Classe 2 : Classe 2 - responsável pelos acessos acíclicos dos
parâmetros e funções dos equipamentos PA (estação de engenharia como, por
exemplo, PDM, ComuWinII, Pactware, etc.).
Atualmente, o PROFIBUS-PA está definido
segundo o PROFILE 3.0 (desde 1999), onde se têm informações para vários tipos
de equipamentos, como transmissores de pressão, de temperatura, posicionadores
de válvula, etc.
Esses equipamentos são implementados segundo o
modelo de blocos funcionais (Function
Blocks), onde há o agrupamento de parâmetros, o que garante um
acesso uniforme e sistemático das informações.
Vários blocos e funções são necessários,
dependendo do modo e fase de operação. Basicamente, pode-se citar os seguintes
blocos:
Existem alguns equipamentos que possuem vários
blocos AIs e AOs e são chamados de equipamentos multicanais, onde se deve ter
vários blocos TRDs associados ao hardware.
O PROFIBUS-PA ainda diferencia os profiles em classes:
Uma característica poderosa suportada pelo PROFILE
3.0 é a definição de
cada equipamento segundo os arquivos GSD. Esses arquivos garantem que qualquer
sistema PROFIBUS possa integrar o equipamento, independente de suas
características. Com isso, cada fabricante pode desenvolver suas
particularidades em forma de blocos funcionais, indo além do que está definido
no profile. Isto agrega valor aos equipamentos e torna possível
a competição no desenvolvimento e oferta de características adicionais nos
equipamentos pelos fabricantes. Sendo que as particularidades específicas de
cada equipamento podem ser acessadas via conceitos padrões de interfaces,
baseado em EDDL (Linguagem Eletrônica Descritiva de Equipamentos) ou FDT
(Ferramenta de Equipamento de Campo). Através dessas interfaces, o usuário
ganha versatilidade e flexibilidade de configuração, parametrização, calibração
e principalmente mecanismos de download e uploaddurante a fase de planejamento e
comissionamento dos projetos.
Figura 18 – Bloco de Entrada Analógica AI.
Figura 19 – Bloco de Totalização TOT.
Figura
20 – Bloco de Saída Analógica AO.
A demanda por mais recursos no setor de
automação e controle de processos, através do advento da tecnologia digital e
com a rápida expansão do Fieldbus, favoreceu o desenvolvimento da
tecnologia dedicada ao diagnóstico e tratamento de falhas seguras.
Principalmente, voltada à proteção de pessoas, de equipamentos/máquinas e do
ambiente, visando sempre o sistema seguro ideal.
Esse sistema seguro requer, em outras
palavras, que os dados e informações possam ser validados em relação aos seus
valores e ao domínio do tempo, o que deve ser aplicável no sistema como um
todo. Isto implica em garantir que o dado recebido foi enviado corretamente e
que quem o enviou também é o transmissor correto. Além disso, que essa seja a
informação esperada, em determinado instante e que a informação que foi
recebida esteja seqüencialmente correta, etc.
Atualmente, o exemplo mais típico de padrão de
segurança internacional e que envolve a maior parte dos desenvolvedores e
implementadores de sistemas com segurança é o chamado IEC 61508. Esse padrão
mostra as atividades envolvidas em todo ciclo de vida de sistemas eletrônicos
programáveis em relação à segurança. Portanto, trata tanto de requisitos de
hardware quanto de software.
O perigo de acidentes em processos industriais
é vasto e a probabilidade de acontecer um acidente é dependente das
probabilidades de falhas do sistema. A implicação de falhas depende do tipo e
requisitos de segurança da aplicação.
O perfil de aplicação PROFIBUS “PROFIsafe” -
Perfil para Tecnologia Segura descreve mecanismos de comunicação segura entre
periféricos sujeitos à falha-segura (Fail-Safe)
e controladores seguros. É baseado nos requisitos dos padrões e diretivas para
aplicações com segurança orientada, como a IEC 61508 e EN954-1, bem como na
experiência dos fabricantes de equipamentos com Fail-Safe e na comunidade de fabricantes de
CLPs.
São apresentados a seguir, de forma resumida,
seus principais conceitos.
Este perfil suporta aplicações seguras em uma
extensa área de aplicações em campo. E, ao invés de utilizar barramentos
especiais para as funções de segurança, permite a implementação da automação
segura através de uma solução aberta e no padrão PROFIBUS, garantindo os custos
efetivos de cabeamento, consistência do sistema em relação à parametrização e
funções remotas de diagnóstico. Garante a segurança em sistemas de controle
descentralizados através da comunicaçãoFail-Safe e dos mecanismos de segurança dos
dispositivos e equipamentos.
Veja a seguir alguns exemplos de áreas de
aplicação deste perfil de segurança:
A tecnologia aberta PROFIBUS atende a uma
série de requisitos, das mais variadas aplicações em termos de segurança de
acordo com o PROFIsafe:
Na prática, aplicações seguras e padrões
compartilharão os sistemas de comunicação PROFIBUS DP simultaneamente. As
funções de transmissões seguras incluem todas as medidas que podem estar
deterministicamente descobertas, em possíveis falhas perigosas. Estas podem ser
adicionadas ao sistema de transmissão padrão, com a intenção de minimizar seus
efeitos. Incluem-se, por exemplo, as funções de mal funcionamento randômico,
efeitos de EMI, falhas sistemáticas de hardware ou software, etc.
Por exemplo, é possível que durante uma
comunicação se perca parte de um frame, ou que parte do mesmo apareça
repetida, ou ainda, que apareça em ordem errada ou mesmo em atraso.
No PROFIsafe toma-se algumas medidas
preventivas, com o intuito de cercar as possíveis causas de falhas e, quando as
mesmas ocorrerem, que aconteçam com segurança:
Estas medidas devem ser analisadas e tomadas
em uma unidade de dado Fail-Safe. Veja a seguir, o modelo de
mensagem F.
O PROFIsafe é uma solução em software, com
canal único, que é implementada como uma camada adicional acima do layer 7 nos dispositivos. Um layer seguro define métodos para aumentar a
probabilidade de se detectar erros que possam ocorrer entre dois
equipamentos/dispositivos que se comunicam em um f
ieldbus.
A grande vantagem é que pode ser implementada
sem mudanças, proporcionando proteção aos investimentos dos usuários.
Utiliza-se os mecanismos da comunicação
cíclica nos meio físicos 485 ou H1 (31.25kbits/s). A comunicação acíclica é
utilizada para níveis irrelevantes de segurança de dados. Garante tempos muito
curtos de respostas, ideal em manufaturas e operação intrínseca segura, de
acordo com as exigências da área de controle de processos.
O PROFIsafe utiliza o mecanismo de detecção de
erros para manter os níveis desejáveis de segurança. É responsabilidade desse
perfil detectar erros de comunicação como frames duplicados,
perda de frames, seqüências incorretas de frames, frames corrompidos, atrasos nos frames e endereçamentos errados deframes. O perfil PROFIsafe utiliza a
redundância da informação para validar a comunicação entre dois dispositivos. A
informação de segurança relevante é transmitida em conjunto com os dados de
processos, isto é, esses dados são embutidos no frame básico do PROFIBUS DP. Um frame desse tipo pode tratar no máximo 244
bytes de dados de processo.O PROFIsafe reserva 128 bytes desse total para os
dados de segurança. Além destes, 4 ou 6 bytes são tratados à parte como bytes
de status e controle, dependendo da quantidade de dados seguros transmitidos.
Sempre dois bytes de controles são enviados em cada frame,
um de status e outro com a seqüência dos frames. Os quatro bytes restantes são
reservados para o checksum que é gerado para proteger a
informação de segurança redundante. Uma pequena quantidade de dados de
segurança relevante transmitida implica em um CRC de 16 bits e em 4 bytes de
controle. Para transmissões com mais de 12 bytes de dados seguros (até 122), um
CRC de 32 bits é usado e 6 bytes de controle são necessários.
A figura 21 mostra o modelo de frame DP que contém em sua informação os já
conhecidos bytes desse frame, mais os dados de Fail-safe (no máximo 128 bytes em 244 bytes,
devido à limitação de 64 words na
troca de dados de uma só vez, entre o Host e
o mestre DP), assim como os recursos de segurança de paridade e FCS (Frame Checking Sequence).
Figura 21- Considerações de risco de acordo
com a IEC 61508.
A figura 22 mostra o modelo de mensagem F
(mensagem segura), onde podem ver vistos os bytes de controle de integridade e
minimização de erros descritos anteriormente como medidas preventivas.
Figura 22 – Sistema típico onde se tem a comunicação padrão e
segura compartilhando o mesmo barramento e protocolo
A figura 23 mostra detalhes do tratamento da
falha segura, comunicação, timerouts, CRCs, numeração das mensagens,
etc.
Figura
23 – A arquitetura do PROFIsafe
Através da monitoração e controle de
informações entre mestres e escravos seguros, tais como: sincronização, ciclo
de protocolo F, watchdog timers, ordem das mensagens,
repetições do frame, monitor SIL (contador de mensagens
corrompidas em um período de tempo), pode-se garantir a segurança aos níveis de
integridade:
Figura
24 – SIL monitor.
Equipamentos suportando as características
PROFIsafe têm a inclusão em seu arquivo GSD da seguinte palavra-chave:
F_Device_supp = 1; 1 = F-device
Pode-se ver alguns detalhes sobre o protocolo
PROFIBUS, sua abrangência em recursividade e seus benefícios à automação e
controle de processos contínuos e discretos. Sua potencialidade é marcante em
nível mundial, tanto em aplicações quanto em gerenciamento de divulgação e
suporte com as Associações Regionais e Centro de Competências. Outro detalhe é
a preocupação das empresas em continuar a oferecer produtos de acordo com a
demanda de mercado e garantir investimentos futuros com total
interoperabilidade e intercambiabilidade.