[1] O documento descreve como implementar uma malha de controle usando a tecnologia Profibus DP/PA, incluindo cálculos para dimensionamento da rede e seus componentes.
[2] É apresentado o funcionamento do protocolo Profibus PA para campo, com detalhes sobre codificação, taxas de transmissão e componentes como mestres, escravos, couplers e links.
[3] Instruções passo a passo para configuração dos instrumentos na rede Profibus PA são explicadas.
PROJETO DE INSTALAÇÕES ELÉTRICAS – REVIT MEP -.pdf
Profibuspa 140503095338-phpapp01
1. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
COMO IMPLEMENTAR UMA
MALHA DE CONTROLE COM
A TECNOLOGIA PROFIBUS
DP/PA
CONSULTOR TÉCNICO
TEIXEIRA
2. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
CURRÍCULO RESUMIDO
Técnico em Instrumentação formado pela Escola SENAI Santos; Técnico
em Eletrônica formado pela Escola Piratininga na cidade de Santos;
Tecnólogo em Processamento de Dados formado pela UNESP - FATEC /
BS na cidade de Santos. Diversos treinamentos na área de automação.
Trabalhou na Goiasfértil em Catalão - GO; COSIPA em Cubatão - SP;
SENAI Santos no Curso Técnico de Instrumentação; SENAI Curitiba na
Unidade Móvel em parceria SENAI - SMAR. Também é professor nos
cursos de especialização do CEFET – Curitiba, CEFET - Ponta Grossa,
CEFET – Cornélio Procópio e da ISA Distrito 4 Seções: Curitiba, S.Paulo e
Uberaba. Atualmente é Diretor da T4M empresa de Consultoria e
Treinamentos na área de Instrumentação e Controle de Processos, onde
presta serviços para as seguintes empresas: Petrobrás Six e Repar,
Yokogawa, Smar, Alunorte, Fluke, ABB, P+F, SENAI - Santos entre outras.
3. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
1- OBJETIVOS DO TREINAMENTO
Capacitar os participantes do
treinamento a possuir as noções
básicas de parametrização,
operação e manutenção dos
instrumentos com tecnologia
digital utilizando o protocolo
PROFIBUS DP/PA
4. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Melhoria e aumento da funcionalidade segurança do sistema
A redução de hardware diminui as fontes de erros.
Facilita e agiliza a manutenção.
Tempos de paradas mais curtos.
Mecanismo de Fail Safe e tratamento de status entre os
blocos funcionais
Tempos de cíclo muito curtos.
Maior número de fabricantes de equipamentos
Maior número de opções para o cliente.
Maior número de aplicações nas industrias.
Maior concorrência e menor custo dos equipamentos.
Interoperabilidade e intercambiabilidade entre
fabricantes.
Vantagens
PROFIBUS - PA
5. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Arquitetura mais enxuta que os SDCDs
Fonte de Alimentação
Cartão de Controle
Cartões de Entrada
Cartões de Saída
Fusíveis
Painel de Rearranjo
Terminais
SDCD PROFIBUS
PROFIBUS - PA
6. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
CONFIGURAÇÃO DOS INTRUMENTOS
PROFIBUS PA
PROFIBUS PA
7. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
É um protocolo de comunicação dedicado à Automação de Processos e
otimizado para equipamentos de campo.
• Transmissores, Válvulas, Atuadores, Conversores, etc.
• Interligados e alimentados via barramento fieldbus.
• Cada equipamento de campo possui um endereço físico e único no
barramento.
• Possibilidades de uso em áreas classificadas (Intrinsecamente
Seguro).
PROFIBUS PA
Process Automation
8. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
• A camada física está de acordo com o padrão IEC 61158- 2,
variante H1
Características
• Baude rate: 31.25 kbit/s
PROFIBUS PA
• Sinal de comunicação: codificação Manchester com a modulação de
corrente
9. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Código Manchester
Start Delimiter Serial Data End Delimiter
Bit time
1 1 1 1 1 1 1 1 110 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0N+ N+ N+ N+ N-N-N-N-1
(T=32μs)
Hi
-
T/2
T/2
Lo
t
-T/2 T/2
t
Hi
“1”
“N+”
Hi
-T/2 T/2
Lo
t
-T/2 T/2
t
Lo
“0”
“N-”
Manchester Bi-phase L Encoding V
9 to 32V bias
0.75 to 1.0
V
t
m
A
15 to 20
mA
tReceiving Transmittin
g
Fieldbus Device
(Current)
Preamble
Características
PROFIBUS PA
10. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Forma de Onda Fieldbus
Características
PROFIBUS PA
11. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Sinal Bom
Características
PROFIBUS PA
12. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Ruído Entrando
pelo Shield
Características
PROFIBUS PA
13. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Mestres
Elementos da Rede PROFIBUS PA
• Classe 1: responsável pelas operações cíclicas
(leitura/escrita) e controle das malhas abertas e
fechadas do sistema de controle/automação (PLC).
• Classe 2: responsável pelos acessos acíclicos dos
parâmetros e funções dos equipamentos PA (estação de
engenharia ou estação de operação: PDM).
Obs: - os mestres trabalham com o meio físico RS485
(até 12 Mbits/s quando se tem os link devices
SK2 da P+F.)
- os equipamentos de campo são somente escravos.
Possui dois tipos de mestres:
14. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Couplers
• São dispositivos utilizados para traduzir as características físicas
entre o PROFIBUS DP (RS485) e o PROFIBUS PA (H1:31,25kbits/s)
• São transparentes para os mestres (não possuem endereço)
• Atendem aplicações seguras (Ex) e (Non-Ex), definindo e limitando
o número máximo de equipamentos em cada segmento PA. O número
máximo de instrumentos depende da somatória das correntes dos
instrumentos no segmento e distâncias envolvidas no cabeamento.
• São alimentados com 24 Vdc.
• Couplers P+F (93.75 kbits/s SK2:12Mbits/s) e Siemens(45.45
kbits/s).
Elementos da Rede PROFIBUS PA
15. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Couplers
Elementos da Rede PROFIBUS PA
16. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Couplers:
PLC
PROFIBUS DP
DP/PA
COUPLER
PROFIBUS-PA
31.25 kbit/s
Escravos
24V 24V
PROFIBUS-DP
45.45 kbit/s ou 93.75 kbit/s
SK2 12Mbit/s
Mestre
17. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
PLC
PROFIBUS DP
DP/PA
COUPLE
RPROFIBUS-PA
31.25 kbit/s
Escravos
24V 24V
PROFIBUS-DP
45.45 kbit/s ou 93.75 kbit/s
Mestre
Endereçamento do Sistema PROFIBUS com Coupler
4
32
1
PROFIBUS - PA
18. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Links
• São dispositivos utilizados como escravos da rede PROFIBUS DP
(RS485) e mestre da rede PROFIBUS PA (H1:31,25kbits/s).
• Permitem taxas de até 12Mbits/s no barramento DP.
• Permitem que sejam aclopados até 5 link couplers, mas limitam
o número de equipamentos em 30 em um barramento “Non-Ex” e
10 em barramento “Ex”.
Elementos da Rede PROFIBUS PA
• Possuem endereço físico no barramento.
• IM157 - Siemens
19. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Link Device: IM157
20. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Link
PLC
PROFIBUS DP
COUPLERPROFIBUS-PA
31.25 kbit/s
Escravos
24V 24V
PROFIBUS-DP
até 12 Mbit/s
DP/PA LINK
Mestres
Max. 5 DP/PA Couplers
por link IM157
Max. 10
equipamentos
por link IM157 - Ex
Max. 30 equipamentos
por link IM157 - Non-Ex
21. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Endereçamento do Sistema PROFIBUS com Link
PLC
PROFIBUS DP
COUPLE
R
PROFIBUS-PA
31.25 kbit/s
Escravos
24V 24V
PROFIBUS-DP
até 12 Mbit/s
DP/PA LINK
Max. 30 equipamentos
por link IM157 - Non-Ex
Max. 10 equipamentos
por link IM157 - Ex
Mestres
Max. 5 DP/PA Couplers
por link IM157
2
32
1
2 3
11
PROFIBUS - PA
22. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Terminadores
• Shunt do sinal de corrente: o sinal de comunicação é transmitido
como corrente mas recebido como tensão. O terminador faz esta
conversão.Um sinal de 750 a 1200 mV estará presente na rede de
comunicação.
• Proteção contra reflexão do sinal de comunicação: deve ser
colocado nas duas terminações do barramento, um no final e outro
geralmente no coupler.
Elementos da Rede PROFIBUS PA
• Terminador : um resistor de 100 Ohms em série com um
capacitor de 1 uF.
23. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Cálculo do número de
equipamentos em um segmento PA non-Ex
PROFIBUS - PA
• Tensão mínima para um equipamento fieldbus operar: 9Vdc
• Tensão típica fornecida por um coupler Siemens Non-Ex: 19Vdc
• Resistência de loop do cabo (AWG 18) : 44 Ohms por Km
• Tensão típica fornecida por um coupler P+F Non-Ex: 22 Vdc
• Corrente típica fornecida por um coupler P+F Non-Ex: 380mA
• Corrente típica fornecida por um Siemens Non-Ex: 400mA
N = V/(IxR)
I = corrente total do segmento PA
R = resistência total
24. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
PROFIBUS - PA
N = V/(IxR)
I = corrente total do segmento PA
R = resistência total
Cálculo do número de
equipamentos em um segmento PA non-Ex
• Para o cabo tipo A o máximo comprimento é 1900 m
• Equipamentos Smar consomem 12 mA
N = (19-9)/(12x10x1.9x44) = 10 equipamentos
-3
• Para o cabo tipo A e um comprimento de 1400 m:
N = (19-9)/(12x10x1.4x44) = 13 equipamentos
-3
I = 13 x 12mA = 156mA < 400mA
I = 10 x 12mA = 120mA < 400mA
25. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
PROFIBUS - PA
N = V/(IxR)
I = corrente total do segmento PA
R = resistência total
Cálculo do comprimento do cabo(tipo A) para 20
equipamentos em um segmento PA non-Ex
L = (19-9) x1000/(20x12x10x44) = 947
m
-3
I = 20 x 12mA = 240mA < 400mA
26. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Cálculo do número de
equipamentos em um segmento PA Ex ia IIC
PROFIBUS - PA
• Tensão mínima para um equipamento fieldbus operar: 9Vdc
• Tensão típica fornecida por um coupler Siemens Ex: 12.5 Vdc
• Resistência de loop do cabo Tipo A (AWG 18) : 44 Ohms por Km
• Tensão típica fornecida por um coupler P+F Ex: 12.6 Vdc
• Corrente típica fornecida por um coupler P+F Non-Ex: 110mA
• Corrente típica fornecida por um Siemens Non-Ex: 100mA
N = V/(IxR)
I = corrente total do segmento PA
R = resistência total
27. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
PROFIBUS - PA
N = V/(IxR)
I = corrente total do segmento PA
R = resistência total
Cálculo do número de
equipamentos em um segmento PA Ex ia IIC
• Para o cabo tipo A o máximo comprimento é 1000 m
• Equipamentos Smar consomem 12 mA
N = (12.5-9)/(12x10x1.0x44) = 6
equipamentos
-3
I = 6 x 12mA = 72mA < 100mA
28. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
PROFIBUS - PA
N = V/(IxR)
I = corrente total do segmento PA
R = resistência total
Cálculo do comprimento do cabo (tipo A) para 8
equipamentos em um segmento PA Ex ia IIC
L = (12.5-9) x1000/(8x12x10x44) = 828.6 m
-3
I = 8 x 12mA = 96mA < 100mA
29. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
O que devemos ter em uma rede PROFIBUS-PA ?
• Interface para alojamento em microcomputador,PROFIBUS-DP
Mestre Classe 2 (CP5611, CP5511)
PROFIBUS - PA
30. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
O que devemos ter em uma rede PROFIBUS-PA ?
• Módulo configurador PROFIBUS-PA (Simatic PDM) ou Pactware
(FDT/DTM)
• Coupler ou Link + Coupler
• Controlador Lógico Programável Mestre Classe 1
•Terminadores
•Instrumentos PROFIBUS-PA
PROFIBUS - PA
31. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
• GSD (device master data) file: arquivo txt com detalhes de
revisão de hardware e software, bus timing do equipamento PA e
informações sobre troca de dados cíclicos. Deve ser um para
cada tipo equipamento.Serve para trocar dados com o CLP.
Integração em Sistemas PROFIBUSIntegração em Sistemas PROFIBUS
• EDD (Electronic Device Description) para o Simatic PDM :
arquivo ddl com a descrição de todos os parâmetros de todos os
blocos funcionais e métodos (calibração) e menus operacionais.
PROFIBUS - PA
32. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
• DTM (Device Tool Manager ) driver de comunicação com
recursos gráficos diretamente instalados no computador:
Pactware, FieldCare, FieldMate etc
Integração em Sistemas PROFIBUSIntegração em Sistemas PROFIBUS
PROFIBUS - PA
33. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
EDD ou DTM e GSD Files permitem a operação de
dispositivos de diferentes fabricantes usados em um mesmo
sistema.
PLC
PROFIBUS DP
DP/PA LINK
COUPLER
Device Descriptions
e GSD Files
Fabricante T
Fabricante A
Fabricante Z
PROFIBUS - PA
34. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
PROFIBUS PA 31.25 kbit/s
PROFIBUS PA
Field device
MIS / ERP Ethernet
Controller
S7-400
Industrial Ethernet
PROFIBUS DP max 12 Mbit/s
Standard Interfaces
Fast speed Level
Low speed Level
PLC
Remote I/O Drives
DP/PA Link
Automação Abrangente
PROFIBUS - PA
35. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
DP/PA-Link
Distributed
I/O
4-20 mA /
HART
I/O module
4-20 mA /
HART
Field device
MIS / ERP
Controller
S7-400
Industrial Ethernet
Operaterstation SIMATIC PDM :
- Profibus PA
- HART
PROFIBUS PA
PROFIBUS PA
Field device
PROFIBUS DP
PP
CC
SS
77
EE
ngng
inin
eeee
riri
ngng
PD
MStandard Interfaces
Asset Management
PLC
LD301
FI303IF303
4-20 mA
LD301
TT301 FY301
LD303FY303
Automação Abrangente
PROFIBUS - PA
36. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
BLOCOS
FUNCIONAIS
37. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Características Gerais dos Blocos Funcionais
•Target Mode: Este é o modo solicitado pelo operador
•Mode Block: Este parâmetro é calculado pelo algoritmo do bloco
baseado nas entradas e no modo Target.
•Existem três tipos de Mode Block :Actual, Normal e Permitted
•Os modos existentes do Mode Block são: O/S , MAN, AUTO
Mode Block
38. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Alarmes
•O Alarme é sinalizado no status de saída do bloco. (Ex.:”Good
NonCas, Active Block Alarm, High Limited” (por exemplo quando o
HI_LIM foi excedido)
Características Gerais dos Blocos Funcionais
39. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Status
- GOOD : Indica que a variável de processo está boa e é confiável
Características Gerais dos Blocos Funcionais
- UNCERTAIN : Indica que a variável de processo é incerta, por
exemplo, valor está fora da faixa de trabalho do sensor
- BAD : Indica que a variável de processo é ruim, por exemplo,
falha na comunicação
40. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Fail Safe ( Falha Segura )
• Condição de segurança que o bloco entra quando o algorítmo detecta
uma situação de falha. (Após a falha ser normalizada, o bloco volta
para o procedimento normal).
• A situação de falha são detectadas de diferentes formas em blocos
de entradas e blocos de saída.
• Tanto Blocos de entrada como blocos de saída tem tratamento de
“FailSafe”.
Características Gerais dos Blocos Funcionais
41. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Fail Safe
• Blocos de entrada: A situação de falha ocorre quando o transducer
envia um status “Bad”. (Por exemplo, “bad sensor”)
• Blocos de Saída: A situação de falha pode ocorrer devido:
•Perda de comunicação com o SP por um tempo maior que
FSAFE_TIME
• Status “Good (NC) IFS” na entrada SP quando o target mode é
AUTO.
Características Gerais dos Blocos Funcionais
42. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Fail Safe
•Usar um valor de preset (FSAFE_VALUE). Status = “Uncertain
Substitute value”
•Usar o ultimo valor válido (LUV). Status= “ Uncertain LUV”ou
“Uncertain Initial Value”
• Usar o valor ruim(AI), ou usar o valor determinado pelo parâmetro
ACTUATOR_ACTION do Trd (AO).
• As ações a serem tomadas em condição de Fail Safe são
determinadas pelo parâmetro FSAFE_TYPE (no AI e AO), e podem ser:
• No totalizador as ações são determinadas por FAIL_TOT, e podem
ser:
• Hold (parar de totalizar)
• Memory(totalize com o último valor bom)
• Run (totalize com o valor ruim)
Características Gerais dos Blocos Funcionais
43. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
AI
PID
AO
Falha de Sensor
Bad – Falha de Sensor
IFS – Iniciar Falha Segura
Boa Cascata IFS
Iniciar Falha Segura
Boa Cascata FSA
Falha Segura Ativa
Fail Safe Value: 50%
Fail Safe Time: 3 s
Características Gerais dos Blocos Funcionais
48. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Blocos Funcionais do Profibus PA
• Bloco Físico (RES)
• Bloco Transdutor
• Entrada Analógica (AI)
• Totalizador (TOT)
• Saída Analógica (AO)
Características Gerais dos Blocos Funcionais
49. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Bloco Funcionais
50. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Bloco FísicoBloco Físico
• Parâmetros informativos tais como:
Software_Rev
Hardware_Rev
Device_ID
Serial_Num
e outros
• Factory Reset
Factory Init
Power Up
Bus_Address
51. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Bloco FísicoBloco Físico
52. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Bloco Transdutor (Transducer)Bloco Transdutor (Transducer)
• Parâmetros ajustáveis tais como:
Variável a ser medida
Linearização ou não
Valor inferior e superior do range
Unidade de trabalho
Escalonamento
Calibração de 0% e 100%
53. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Bloco TransdutorBloco Transdutor
54. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Bloco de Entrada Analógica
ENABLE
SIMULATE
VALUE AND
STATUS
ON
OFF
From Transducer
VALUE STATUS
Operator
VALUE
FB
ALGORITHM
MODE
AND STATUS
HANDLING
STATUS
OUT
OUT
MAN
AUTO
OOS
FILTER
OUT
VALUE STATUS
VALUE
PV SCALE
OUT SCALEFAIL SAFE
ACTIVE
FSAFE VALUE
FSAFE TYPE
PV FTIME
LIMITATION
ALARMS
55. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Bloco de Entrada AnalógicaBloco de Entrada Analógica
56. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Bloco Totalizador
STATUS AND
VALUE
HANDLING
CHANNEL
MODE_TOT
FAIL_TOT
INTEGRATION
ALGORITHM
SET_TOT
UNIT_TOT
RESET
PRESET
t
LIMITATION
ALARM
OUT
VALUE AND STATUS
Flow
VOLUME
57. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Bloco TotalizadorBloco Totalizador
58. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Bloco de Saída Analógico
SP
Selector
SP
MODE BLOCK
Operator
VALUE FB
ALGORITHM
MODE
AND STATUS
HANDLING
STATUS
OUT
OUT
MAN LO
AUTO RCAS
OOS
OUT
VALUE
STATUS
PV SCALE
OUT SCALE
FAIL SAFE
ACTIVE
FSAFE VALUE
FSAFE TYPE
RCAS_IN
SP
INCREASE
TO CLOSE
RCAS_OUT
DIAGNOSIS
CKECKBACK
SIMULATE
Operator
OUT SCALE
PV SCALE
INCREASE
TO CLOSE
READBACK
CKECK VALVE
POSITION
POS_D
READBACK - TRANSDUCER
59. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Bloco de Saída AnalógicaBloco de Saída Analógica
60. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
Bloco DisplayBloco Display
61. Como Implementar uma Malha de Controle com a Tecnologia Profibus
Teixeira
MONTAGEM FÍSICA