METODOLOGIA PARA ANLISE E CERTIFICAO DE REDE PROFIBUS DP/PA
1Carlos Eduardo Soares Mangeroti Wesley Augusto Gonalves Eller
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Resumo Aps a anlise de determinadas redes, pode-se observar um
grande problema com a parte de montagem. Isto ocorre, geralmente,
devido falta de informao da montadora durante o comissionamento.
Conectores normalmente so mal feitos, aterramentos no so
considerados de acordo com a norma Profibus, podendo at queimar
equipamentos, e cabos de fora so colocados prximos aos cabos da
rede. Pode-se observar, tambm, um tempo de scan alto das redes
devido aos equipamentos configurados e no ativos. A priori, ser
feita uma anlise fsica da rede considerando aspectos como distncia,
conexo e aterramento. Numa segunda anlise de protocolo com o
software ProfiTrace, sero observadas as caractersticas do protocolo
como, por exemplo, watchdog, retentativas, ns repetidos,
dispositivos configurados e no ativos. Em uma anlise complementar,
de instrumentao, com a ferramenta Profibus Tester, ser observado o
sinal livre de distrbio, bordas de subida/descida e interferncias
de equipamentos. Palavras-chave: Anlise de Rede Profibus,
automao.
PROFIBUS NETWORK PERFORMANCE IMPROVEMENT BY PHYSICAL, PROTOCOL
AND INSTRUMENTATION ANALYSIS WITH EFFECTIVE TOOLS IN THE
MARKETAbstract After an analysis of determined networks, it can be
noticed problems related to assembly. This occurs, usually, due to
lack of information of the assembly company during the
commissioning. Bad connections are made, Profibus standard is not
considered in the grounding and power cables are placed next to
network cables. Besides, it can be also noticed a high scan time
networks because of configured and non active equipments. At first
moment, will be executed a network physical analysis considering
some aspects as distance, connection and grounding. As a second
protocol analysis with ProfiTrace software, will be observed the
protocol characteristics as, for example, watchdog, retries,
repeated nodes, configured and non active devices. By a
complemental analysis with Profibus Tester tool (instrumentation
analysis), will be observed a disturbance-free voltage range, edges
rise/fall time and equipment interferences. Keywords: Analysis
Profibus network, automation.1
Engenheiro de Controle e Automao, Engenheiro de Automao da
Vision Sistemas, Belo Horizonte/ MG, Brasil 2 Engenheiro
Eletricista, Engenheiro de Automao da Vision Sistemas, Belo
Horizonte/ MG, Brasil
1
Introduo
Profibus hoje um dos padres de rede mais empregados no mundo.
Esta rede foi concebida a partir de 1987 em uma iniciativa conjunta
de fabricantes, usurios e do governo alemo. A rede est padronizada
atravs da norma DIN 19245 incorporada na norma europia Cenelec EN
50170[1]. Esta tecnologia apresenta vantagens potenciais dentre as
quais se destacam [2],[3]: Transmisso de informaes confiveis;
Flexibilidade para se ampliar e interligar diferentes mdulos;
Instalao e operao simples Disponibilidade de ferramentas para a
instalao e diagnstico Possibilidade da interligao entre produtos de
diferentes fabricantes Tratamento de status das variveis; Sistema
de segurana em caso de falha; Equipamentos com capacidades de
autodiagnstico; Monitoramento dos equipamentos, alta resoluo nas
medies; Integrao com controle discreto em alta velocidade; Aplicaes
em qualquer segmento; Economia em at 40% em instalaes em relao aos
sistemas convencionais; Economia em custo de manuteno em at 25% em
relao aos sistemas convencionais; Menor tempo de start-up; Aumento
significativo em funcionalidade e segurana.
A Rede Profibus tambm apresenta algumas desvantagens, que
implicam no comprometimento da qualidade da rede. Dentre elas,
pode-se citar que esta tecnologia raramente abrange todos os
equipamentos e dispositivos de uma instalao industrial, pode no
assegurar o envio de informao com a cadncia necessria, apresenta
possibilidade de corrupo da informao transmitida, diminuio da
confiabilidade[3]. A anlise de rede tem como principal objetivo
ajudar nas instalaes, resolver problemas de comissionamento e
diagntico de equipamentos. Diversas ferramentas de anlise de rede
podem ser utilizadas no desenvolvimento de projetos de automao.
muito importante ter a conscincia que mesmo estes equipamentos
podendo no atuar diretamente em dispositivos, eles podem derrubar
uma rede caso ocorra um curto circuito ou alguma diferena de
potencial considervel. A integridade destas ferramentas deve ser
preocupao de todos os usurios. Este trabalho apresenta a utilizao
de ferramentas de anlise de rede Profibus em projetos de automao
industrial. Casos prticos ilustram os resultados proporcionados
pelo uso destas ferramentas. 2 Tipos de anlise
Para uma avaliao da qualidade de uma rede devem-se realizar trs
anlises importantes:
Anlise Fsica: aterramento, conectores, terminaes, etc; Anlise de
Protocolo: velocidade da rede, troca de mensagens, etc. Anlise de
Sinal: nvel de tenso, atenuaes, nvel de rudo, etc. 2.1 Anlise
Fsica
Uma anlise fsica pode ser definida como uma anlise visual. Esta
anlise visual deve ser feita por um especialista para verificar se:
Cabos e conectores esto de acordo com o padro Profibus e adequados
ao ambiente industrial. O cabeamento tem continuidade do incio ao
fim. O comprimento mximo dos segmentos esto de acordo com o baud
rate, adotando repetidores quando necessrio. Stubs tm tamanho menor
ou igual a 0.3 metros. A rede PA possui um comprimento mximo de
1900m/seguimento sem repetidores. No tem por segmento mais de 32
estaes, adotando repetidores caso este limite seja ultrapassado. A
rede est terminada, respeitando suas regras. Todos os equipamentos
do sistema esto aterrados. A rede est aterrada no incio e no fim de
cada segmento. Isto deve ser feito apenas se for garantido uma
superfcie equipotencial entre estes dois pontos. Cabos da rede
profibus no esto prximos a cabos de equipamentos eltricos pesados.
2.2 Anlise de Protocolo
Uma anlise de protocolo est relacionada troca de dados entre
dispositivos. Esta anlise importante principalmente em
comissionamento j que vrios problemas podem ser resolvidos mais
rapidamente. Nesta anlise pode-se verificar: Perfil de troca de
dados entre dispositivos. Endereo duplicado. WatchDog da rede.
Configurao e parametrizao. Tempo ocioso de escravos configurados e
no ativos. 2.3 Anlise de Sinal
Uma Anlise de Sinal est relacionada a um nvel de qualidade da
rede levando em considerao alguns itens importantes, como por
exemplo: Atenuaes. Nvel de rudo. Nvel de sinal livre de distrbio. O
nvel de sinal livre de distrbio a quantidade de sinal de tenso numa
escala de 0 a 5 Volts que no afetada por qualquer tipo de distrbio.
Esse valor deve ficar acima de 2,5 Volts. Durao das bordas (edges)
de subida e descida. Bordas (edges) de subida e descida uma medida
que representa quanto tempo o sinal est utilizando para mudar de
nvel baixo para alto (subida) e nvel alto para baixo (descida).
Essa
medida pode variar entre 0/16 a 16/16, onde o limiar mximo 6/16
e o ideal 0/16 (praticamente instantneo). 3 Utilizao destas
ferramentas em projetos de automao industrial
Diferentes ferramentas de anlise de rede podem ser utilizadas
para comissionamento, diagnsticos, manuteno e soluo de problemas de
rede. Estas ferramentas podem ser usadas para: Resolver problemas
de interferncia eletromagntica; Encontrar endereos duplicados;
Validar arquivos GSDs; Encontrar erros de configurao; Verificar se
o cabo no est partido; Verificar a ocorrncia de illegal frames;
Outros. 4 Aplicao prtica
A seguir so apresentadas algumas aplicaes prticas das
ferramentas Profitrace e Profibus Tester que so utilizadas para
comissionamento e manuteno de rede profibus. Caso 1: Anlise de
Protocolo da Rede Profibus com a utilizao do software ProfiTrace.
Durante o comissionamento de uma rede industrial em projetos de
automao muito importante no perder tempo por causa de problemas
como configurao, parametrizao, endereo duplicado, telegramas
danificados e outros. O software Profitrace, junto com o hardware
ProfiCore, especializado para resolver estes tipos de problemas e
auxilia na manuteno preditiva e gerenciamento de ativos [4]. Um
problema tpico de rede ocorre quando dois ou mais escravos esto
configurados com o mesmo endereo. A figura 1 ilustra um escravo de
n 13 que no est respondendo corretamente j que est configurado com
o mesmo endereo do escravo 66.
FIGURA 1 Problema com Endereo Duplicado ProfiTrace Fonte: Vision
Sistemas.
Algumas estaes podem estar configuradas na rede, porm, sem
trocar dados. O mestre tenta comunicar com elas, mas no consegue.
Esta comunicao mais demorada do que se os escravos estivessem
trocando dados com o mestre (Data Exchange). A figura 2 mostra o
mestre tentando comunicar com os escravos 80, 81, 82, 85 e 99.
Estes escravos esto configurados no mestre, porm no esto trocando
dados. Neste caso o tempo que o mestre perde tentando comunicar
duas vezes maior do que se estivessem comunicando corretamente.
Isto aumenta o tempo de scan da rede e o desempenho fica
comprometido.
FIGURA 2 Tempo Ocioso Fonte: Vision Sistemas.
Um parmetro importante que deve ser analisado durante o
comissionamento de uma rede o watchdog. Este parmetro configurado
no mestre e utilizado para detectar falhas de comunicao. A figura 3
mostra um escravo de endereo 33 que teve seu watchdog configurado
com um valor muito baixo (10ms), assim necessitando de uma
reparametrizao. O parmetro RS (Reject Service) significa que a
mensagem no foi processada pela estao.
FIGURA 3 Problemas com Watch Dog Muito Baixo Fonte: Vision
Sistemas.
Caso 2: Anlise de Sinal da Rede Profibus com a utilizao do
software Profibus Tester 3 (PBT3).
O Profibus Tester 3 (PBT3) um dispositivo que tem uma alta taxa
de transferncia de dados e tem uma elevada tolerncia contra
interferncias da planta. Esta ferramenta nos auxilia nas seguintes
funes: Deteco automatica da taxa de transmisso da rede. Determinao
automatica de todas as estaes conectadas no barramento (live list).
Mostrar o nvel de qualidade de cada estao levando em considerao
itens determinantes para o bom funcionamento da rede. Anlise do
tempo de ciclo do barramento. Anlise do nvel de sinal livre de
distrbio atravs de um osciloscpio implementado em software. Anlise
da durao das bordas (edges) de subida e descida. Verificao da
ocorrncia de illegal frames.
FIGURA 4 Conexes do PROFIBUS Tester 3 [5]
A figura 5 mostra uma anlise de qualidade (nvel de rudo,
atenuaes, borda de subida, borda de descida, bit time) com mximo de
5000 e mdia 2500. Pode-se observar que a estao 3 se encontra com um
nvel de qualidade prximo a 1000 e os escravos a partir do sexto tm
um nvel de qualidade cada vez menor. Esta diminuio, normalmente,
est relacionada com a reflexo na rede. A estao 17, que o primeiro
escravo da PA, tem um nvel de qualidade prximo mdia, porm muito
maior que o nvel de qualidade do escravo 16. Isto se deve ao fato
de o escravo 17 ser a primeira estao depois do Acoplador e do
Link.
FIGURA 5 Nvel de Qualidade Fonte: Vision Sistemas.
A figura 6 mostra um nvel de qualidade bastante satisfatrio.
Neste caso a estaes de endereo 4 at 29 se encontram dentro de uma
sala eltrica. Estas estaes se encontram em um nvel de qualidade
perto de 3500 e as outras estaes perto de 4000. J era esperado um
nvel de qualidade menor no CCM devido grande induo eletromagntica
na rea.
FIGURA 6 Nvel de Qualidade Fonte: Vision Sistemas.
A figura 7 mostra uma medida realizada na primeira estao depois
do repetidor. Esta estao est com um valor mdio de nvel de sinal
livre de distrbio de 4,6V. Tal valor pode ser considerado muito bom
visto que maior que 90% do valor total. Outro ponto importante a
durao das bordas de subida e descida que se encontram em seu valor
ideal 0/16, ou seja, praticamente instantneo.
FIGURA 7 Nvel de Tenso Fonte: Vision Sistemas.
Concluses A Rede Profibus tornou-se um padro mundial e grandes
empresas, como a CVRD, adotam a mesma em grandes reas da indstria.
Com este crescimento de uso da rede profibus, vrios problemas
surgiram, principalmente com a m instalao destas pelas montadoras.
Estas empresas que prestam este tipo de servio deveriam ser mais
cautelosas para garantir um bom funcionamento da rede. Eles se
preocupam apenas se a rede est funcionando ou no, ou seja, redes
on/off. Assim, encontram-se hoje em dia ms instalaes que esto
relacionadas com raio de curvatura, conectores abertos,
aterramentos mal feitos (podendo gerar loop de corrente e queimar
instrumentos), tamanho de segmentos (stubs e spurs). As empresas
devem-se preocupar com um acompanhamento na montagem da rede
por
um especialista. Assim, as equipes de operadores, de manuteno,
de automao e de produo teriam muito menos dor de cabea. Os ganhos
proporcionados pela utilizao de tcnicas de anlise de rede Profibus
em projetos de automao podem ser facilmente comprovados,
principalmente, pela diminuio de tempo de paradas no
programadas.
Referncias Bibliogrficas [1] [2] [3] [4] [5] Redes de Campo em
Automao. Felipe Barata. Monografia. IST MEEC API.
http://www.smar.com/Brasil2/profibus.asp. ltimo acesso em 8 de
julho de 2007. UFMG. Apostila Profibus, Prof. Constantino Seixas
Filho PROFIBUS Center Nederland (2004), PROFICORE Installation
Manual. Softing AG (2005), PROFIBUS-Tester 3 User Manual.