O Protocolo Profibus - Completo

O PROTOCOLO

PROFIBUS

Autora: Rafaela Castelhano de Souza

2012

Blog Automação Industrial

Rafaela Castelhano de Souza

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09 de agosto de 2012

O Protocolo Profibus (Parte I)

28/06/2012 Redes Industriais

Oi pessoal, a partir de agora vou começar a escrever uma série de posts relacionados aos

protocolos de comunicação utilizados na automação industrial. E para o primeiro artigo desta

série, vamos conhecer melhor sobre o protocolo Profibus, sua história e principais vertentes.

O Profibus é um dos protocolos que fazem parte do grupo dos “fieldbuses” abertos e

independentes de fornecedores (não-proprietários), que permitem, portanto a integração de

equipamentos de diversos fabricantes em uma mesma rede. Estamos falando de

interoperabilidade e intercabiabilidade.

O primeiro quer dizer que, em uma rede fieldbus podem estar interligados equipamentos de

diversos fabricantes. Todos se comunicam perfeitamente bem, graças à padronização do

protocolo. Já o segundo quer dizer que, se eu tirar da minha rede um equipamento de um

fabricante (um transmissor de pressão, por exemplo) e colocar o mesmo equipamento de um

outro fabricante, este segundo equipamento vai ser capaz de realizar as mesmas atividades

que o primeiro.

A história do Profibus começou em 1987, na Alemanha, quando 21 companhias e institutos

uniram forças e criaram um projeto estratégico fieldbus. O objetivo era a realização e

estabilização de um barramento de campo bitserial, sendo o requisito básico, a padronização

da interface de dispositivo de campo [2].

Este protocolo começou seu avanço inicialmente na automação de manufatura e, desde 1995,

na automação de processos (Profibus PA). O padrão Profibus atende às exigências das normas

IEC61158 e EN50170 e, conta com 3 tipos de tecnologias: DP, PA e PROFINET. Segue abaixo

uma descrição resumida de cada um desses três protocolos:

Profibus DP: Foi desenvolvido para operar com uma alta velocidade e conexão de baixo custo,

e é utilizado na comunicação entre sistemas de controle de automação e seus respectivos I/O’s

distribuídos no nível de dispositivo. 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 [2].

Profibus PA: Esta tecnologia define, em adição às definições padrões do Profibus DP, os

parâmetros e blocos de função para dispositivos de automação de processo, tais como

transmissores, válvulas e posicionadores [2]. O Profibus PA possui uma característica adicional

que é a transmissão intrinsecamente segura, o que faz com que ele possa ser usado em áreas

classificadas, ou seja, ambientes onde existe o perigo de explosão. É indicado por controlar

variáveis digitais em linhas de produção seriada ou células integradas de manufatura.

Encontrado predominantemente nas indústrias de transformação [3].



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Profinet: Pode ser utilizado em aplicações em tempo real (rápidas) e em aplicações onde o

tempo não é crítico, por exemplo, na conversão para rede Profibus DP [8].

Características Básicas

O Profibus é um sistema dito multimestre e permite a operação conjunta de equipamentos ou

controladores terminais de engenharia ou visualização, com seus respectivos periféricos. Os

Dispositivos Mestres determinam a comunicação de dados em um barramento. Essa

comunicação é realizada enquanto o dispositivo mestre possui o direito de acesso ao

barramento (token). O token é um mecanismo de arbitragem que deve ser implementado para

evitar possíveis colisões no barramento quando mais de uma estação deseja transmitir uma

mensagem [5].

Os mestres são chamados de estações ativas no barramento. Já os Dispositivos Escravos são

dispositivos de periferia como, válvulas, módulos de I/O, posicionadores, transmissores etc.

Esses periféricos não possuem direito de acesso ao barramento, e somente enviam ou

reconhecem alguma informação do mestre quando for solicitado. Ver Figura 1:

Figura 1 – Esquema de comunicação Mono-Mestre



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Figura 2 – Esquema de comunicação Multi-Mestre

Arquitetura de Redes Profibus

A arquitetura da rede Profibus é baseada em protocolo de rede que segue o modelo ISO/OSI.

No Profibus DP são utilizadas as camadas 1 e 2 e também a Interface do Usuário. Já no

Profibus PA e Profinet, além dessas, a camada 7 também é utilizada. Essa arquitetura

simplificada garante uma transmissão de dados eficiente e rápida. Abaixo, segue uma breve

descrição sobre cada camada:

A camada 1 inclui o meio físico onde a mensagem é transportada, tipicamente um cabo

blindado de par trançado. Ela descreve a tecnologia de transmissão dos dados, a pinagem dos

conectores e os parâmetros técnicos e elétricos que devem ser cumpridos [10]. É nesta

camada que ocorre o transporte dos dados representados por um conjunto serial de bits entre

dois equipamentos terminais [13], via um suporte de transmissão, que pode ser os meios

físicos RS-485 ou fibra ótica. A camada Física não interpreta os dados; ela somente passa os

dados para a Camada de Enlace[9].

A camada 2 representa a camada de Enlace. É nessa camada que são formados os telegramas

de mensagem. Aqui é feito o controle de quando e por qual caminho a mensagem irá trafega,

a fim de evitar colisões entre dois ou mais equipamentos que querem transmitir ao mesmo

tempo.



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A camada 7 é quem faz a interface entre a máquina e o usuário. Acima da camada 7 está a

funcionalidade “real” do instrumento tal como medição, atuação, controle ou a interface de

operação de um configurador (BERGE, 2002).

Este modelo pode ser visualizado na Figura 3:

Figura 3 – Modelo de Referência ISO/OSI aplicado à Rede Profibus [9]

Meios Físicos Utilizados

De acordo com [2], os meios físicos utilizados neste protocolo são:

• RS485: para uso universal, em especial em sistemas de automação da manufatura. É

utilizado em DP;

• IEC 61158-2: para aplicações em sistemas de automação em controle de processo. É

utilizado em PA;

• Fibra Ótica: para aplicações em sistemas que demandam grande imunidade à

interferências e grandes distâncias.

Bom, essa foi uma introdução sobre o protocolo Profibus como um todo. Para a próxima parte

vou escrever sobre uma das três vertentes: o Profibus DP.

Até mais!



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Referências bibliográficas:

[1] BA034SEN – Manual Profibus E+H, págs 16 à 18.

[2] CASSIOLATO, C.; TORRES, L. H. B.; CAMARGO, P. R. (2012). Profibus – Descrição Técnica. São

Paulo: Associação Profibus Brasil, 2012.

[3] NETO, C. D. (2008). O Profissional de Automação com Nível Superior. III Fórum

Internacional de Automação do Setor Sucroalcoleiro e Alimentício. 2008.

[4] Normative Parts of Profibus FMS, DP and PA, according to the European Standard EN5170

Volume 2. Edition 1.0 (1998).

[5] STEMMER, M. R. (2001). Sistemas Distribuídos e Redes de Computadores para Controle e

Automação Industrial. 2001. Santa Catarina: Universidade Federal de Santa Catarina.

[6] VENTURINI, V. P. (2007). Desenvolvimento de um Mestre Profibus com a Finalidade de

Análise de Desempenho. 2007. Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica – Escola de

Engenharia de São Carlos, USP, São Carlos.

[7] SOUZA, R. C. (2012). Diagnóstico de Redes Profibus DP baseado em Redes Neurais

Artificiais. 2012. Dissertação de Mestrado em Engenharia Elétrica – Escola de Engenahria de

São Carlos, USP, São Carlos.

[8] LUGLI, A. B.. Uma visão do protocolo industrial Profinet e suas aplicações.

http://www.profibus.org.br/news/marco2009/news.php?dentro=4. Acesso feito em: 14 de

Junho de 2012.

[9] BERGE, J. (2002). Fieldbuses for Process Control: Engeneering, Operation and Maintenance.

ISA – The Instrumentation, Systems and Automation Society, 2002.

[10] Profibus Installation Guideline for Cabling and Assembly. Version 1.0.6. May 2006.

[11] Profibus Installation Guideline for Commissioning. Version 1.0.2. November 2006.

[12] Profibus Interconnection Technology Guideline. Version 1.4. January 2007. Order Nº.

2.142.

[13] TANEMBAUM, A. S., STEEN, M. V. (2002). Distributed Systems – Principles and Paradigms.

Prentice Hall, 2002.

[14] ALBUQUERQUE, P. U. B., ALEXANDRIA, A. R. (2009). Redes Industriais – Aplicações em

Sistemas Digitais de Controle Distribuído. Ensino Profissional Editora.



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O Protocolo Profibus (Parte II)


Olá, como falei no artigo anterior, vou começar a descrever cada uma das três tecnologias

disponíveis para o protocolo Profibus, começando pelo DP (Profibus DP).

Então, vamos lá!

De acordo com [1] a tecnologia DP foi desenvolvida para realizar transmissão de dados em alta

velocidade. Esta vertente do protocolo atua no nível 2 da pirâmide de automação. Neste nível

atuam os PCs e CLPs responsáveis pelo controle dos equipamentos de campo que estão

localizados no nível 1. Cada controlador (mestre) pode controlar até 126 escravos.

É daí que surge a necessidade de se utilizar um protocolo que trabalhe com velocidades altas.

Se fosse o contrário o processo seria muito lento e isto poderia prejudicar o bom andamento

de um controle, onde algumas aplicações exigem um tempo de resposta muitoooo baixo e a

troca de informações precisa ser, praticamente, em tempo real.

As regras desta tecnologia são ditadas pela norma EN50170 [4].

Existem disponíveis no mercado diversos modelos de equipamentos mestres e escravos com a

tecnologia DP. Como visto na Parte I desta série, os equipamentos Mestres atuam sobre os

equipamentos Escravos. Os mestres DP controlam tanto escravos DP quanto PA. Porém, neste

último caso, a comunicação entre uma tecnologia e outra (no caso DP e PA) é realizada através

de um outro equipamento, denominado Coupler. Este equipamento é responsável pela

conversão do sinal DP em sinal PA e, vice-versa. Sem este equipamento não é possível a

comunicação entre estas duas tecnologias.

Os Mestres podem ser definidos de duas maneiras: Classe 1 e Classe 2. Os Mestres classe 1 são

os controladores que ficam responsáveis pelo controle dos escravos continuamente,

executando uma ordem definida de tarefas, que se repetem. Cada rede possui um único

mestre classe 1. Este mestre tem prioridade 1 com relação à “dar ordens” para um escravo.

Já os Mestres classe 2 “entram em contato” com os escravos quando o operador precisa fazer

alguma configuração secundária, algo que seja importante, mas que não interfira na

comunicação entre os escravos e o Mestre classe 1.

A troca de mensagens entre Mestres e Escravos pode ser realizada de duas maneiras: cíclica e

acíclicamente. De acordo com [3] a troca de forma cíclica é dividida em três fases:

parametrização, configuração e transferência de dados. Durante as fases de configuração e

parametrização de um Escravo, sua configuração real é comparada com a configuração

projetada no Mestre classe 1. Somente se corresponderem é que o Escravo passará para a fase

de transmissão de dados. Assim, todos os parâmetros de configuração, tais como tipo de



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dispositivo, formato e comprimento de dados, número de entradas e saídas, etc. devem

corresponder à configuração real. Estes testes proporcionam ao usuário uma proteção

confiável contra erros de parametrização. Além da transmissão de dados, que é executada

automaticamente pelo Mestre classe 1, uma nova parametrização pode ser enviada a um

Escravo sempre que necessário.

Na forma acíclica [3] é possível transmitir comandos de leitura e escrita, bem como alarmes

entre mestre e escravos, independente da comunicação cíclica de dados. Isto permite, por

exemplo, a utilização de um Terminal de Engenharia (Mestre classe 2) para a otimização dos

parâmetros de um dispositivo (escravo) ou para se obter o valor do status de um dispositivo,

sem perturbar a operação do sistema.

A utilização de protocolo de comunicação em uma aplicação depende das necessidades da

aplicação. Essas necessidades devem ser comparadas com as características que o protocolo

oferece. A utilização do protocolo adequado faz com que o projeto seja realizado de forma

mais simples e com economias. Veja abaixo, alguns exemplos de aplicações onde pode ser

utilizado o protocolo Profibus DP:

• Controle de Motores Inteligente (CCM Inteligente): Usado para realizar a comunicação

com uma rede de Inversores e Soft-Starters para acionamento de motores;

• Manter o controle antigo analógico (4-20mA) levado através de estações remotas,

criando uma rede entre estas estações remotas;

• Como DP é uma rede rápida, pode ser aplicado em gateways DP/AS-I e DP/PA

concentrando a informação de instrumentos de redes mais lentas;

• Energia (acionamento em subestações);

• Manufatura (montadoras de autos, fábricas em geral);

• Mineração (CCMs e remotas);

• Controle de processos rápido (por ex. caldeira a gás);

• Entre outras.

Cada aplicação da rede Profibus é influenciada pela escolha do meio físico. Os requisitos

gerais, como alta confiabilidade de transmissão, grandes distâncias a serem cobertas e alta

velocidade de transmissão somam-se às exigências específicas de cada área de automação do

processo, como operação em áreas classificadas, transmissão de dados e alimentação dos

instrumentos diretamente pelo barramento de dados, entre outras [4]. Devido a este fato, não

é possível usar um único meio físico em todo o processo. Sendo assim foram desenvolvidos 3

tipos físicos que atendem às várias particularidades do sistema. São eles: RS-485, IEC61158-2 e

Fibra Ótica. Segue abaixo uma descrição resumida de cada um destes meios de transmissão:



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• RS-485: para uso universal, em especial em sistemas de automação da manufatura;

• IEC61158-2 ou Manchester Bus Powered (MBP): para aplicações em sistemas de

automação em controle e processos. Utilizado somente em rede PA;

• Fibra Ótica: para aplicações em sistemas que demandam grande imunidade à

interferência e grandes distâncias [3].

Vou dividir a explicação detalhada destes meios físicos em duas partes, começando pelo RS-

485. No post da próxima semana vou falar sobre as Fibras Óticas. O meio físico IEC61158-2 é

utilizado em PA, portanto será explicado em breve, no post sobre redes PA.

RS-485

O RS-485 é o meio de transmissão mais utilizado no Profibus DP, pois apresenta como

características principais altas taxas de transmissão e instalação simples e barata. Este meio

físico usa como transporte dos dados um cabo de par trançado e blindado e permite que até

32 estações sejam conectadas ao barramento. Porém, o uso de repetidores é permitido, o que

permite que uma rede se estenda a até 126 estações.

Os cabos usados nas instalações Profibus DP e recomendados pela norma EN 50170 [4],

apresentam as seguintes características:

• Área do Condutor: maior que 0,34 mm²;

• Impedância: 135 a 165 Ohms;

• Capacitância: menor que 30 pF;

• Resistência Específica: 110 Ohms/km;

• Medida do Diâmetro do Cabo: 0,64 mm;

O comprimento máximo de cada lance de cabo na rede varia de acordo com a velocidade de

transmissão especificada para a rede, devendo ser totalizado considerando eventuais

derivações. No caso do Profibus DP, essas derivações devem ser evitadas para baudrate maior

ou igual a 3 Mbps [4]. Segue na Tabela 1 os comprimentos de segmento baseados nas

respectivas velocidades de transmissão e o máximo comprimento das derivações.



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Tabela 1 – Comprimento Máximo de Cabo por Segmento [9]

É importante ressaltar também que os cabos de comunicação da rede devem manter uma

certa distância de fontes que possam causar qualquer tipo de interferência no sinal. Além de

mantê-los separados, é aconselhável utilizar bandejamentos ou calhas metálicas fechadas e

aterradas, observando as distâncias conforme Tabela 2. 2. O ideal é utilizar canaletas de

alumínio, onde se tem a blindagem eletromagnética externa e interna. O cruzamento entre os

cabos deve ser feito em ângulo de 90º [5].

Tabela 2 – Distâncias Mínimas de Separação entre Cabeamentos [5]

De acordo com a [4], se um cabo par trançado blindado é utilizado, a blindagem deverá ser

aterrado em ambas as terminações do cabo via conexões de baixa impedância. Isto é

necessário para se alcançar uma razoável blindagem eletromagnética. É altamente

recomendável que a conexão entre o cabo blindado e o terra seja feito por uma canaleta

metálica e parafusos de fixação metálicos do conector.

O cabo é conectado aos equipamentos através de conectores. Estes conectores são

disponibilizados com algumas variedades de classes de proteção e projetos mecânicos. A

escolha do melhor tipo de conector varia de acordo com a necessidade da instalação, porém o

mais recomendado pela norma é o conector Sub-D com 9 pinos. Os pinos 3, 5, 6 e 8 são

sempre utilizados. Os demais pinos são opcionais. Estes conectores em geral apresentam grau



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de proteção IP20¹ [5]. A Tabela 3 mostra a descrição dos pinos do conector Sub-D com 9 pinos

e na Figura 1 é mostrado um exemplo deste tipo de conector.

Tabela 3 – Pinagem do Conector Sub-D com 9 Pinos [10]

Figura 1 – Pinagem do Conector Sub-D com 9 Pinos

Em áreas onde se exige um grau de proteção maior, são disponíveis os conectores do tipo

M12 com 5 pinos, que oferecem grau de proteção IP65/67² [5]. Veja na Figura 2 a descrição

dos pinos do conector M12.

NOTA

O grau de proteção (IP) é a proteção oferecida por um invólucro, contra a penetração de

objetos sólidos (pó) e/ou penetração de água em partes perigosas do circuito eletrônico

(CEI/IEC 60529, 2001). O primeiro dígito indica a proteção contra sólidos e o segundo a

proteção contra líquidos. Neste caso, o dígito 2 indica que o invólucro do conector oferece

proteção contra sólidos de diâmetro de até 50 mm e maior e o dígito 0 indica que ele não é

protegido contra a entrada de água.

No caso do grau de proteção IP65/67, o dígito 6 indica que o invólucro do conector é

totalmente protegigo contra sólidos. Já os dígitos 5 e 7 representam proteção contra jatos de

água e imersão contínua em água, respectivemente.



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Figura 2 – Conector M12 com 5 Pinos [5]

Os conectores Sub-D com 9 Pinos apresentam em sua estrutura os terminadores de

barramento. Esses terminadores são indispensáveis e é necessário que sejam habilitados dois

terminadores no barramento, um no início e outro no fim de cada segmento. A terminação

ativa na posição incorreta faz com que, tanto o nível quanto a forma de onda sejam

degradados.

A ausência de terminadores nas extremidades do barramento pode causar erro na

transferência de dados, devido à reflexões no sinal que chega ao fim do barramento, fazendo

com que este sinal volte pela linha de dados e se sobreponha ao sinal que está sendo enviado.

Já o excesso de terminadores habilitados pode causar intermitência nos dados transmitidos

fazendo com que ocorram interrupções na comunicação. Na Figura 3 são apresentados os

detalhes de uma conexão entre o cabo Profibus e um terminador e na Figura 4 é mostrado um

exemplo de uma rede Profibus utilizando-se repetidores e terminadores.



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Figura 3 – Exemplo de Cabo com Terminação [7]

Figura 4 – Exemplo de uma Rede com Terminadores de Barramento e Repetidores [6]

É importante ressaltar que a habilitação dos terminadores varia de acordo com a topologia da

rede. Analisando-se a Figura 4, pode-se concluir que:



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Segmentos 1 e 2: estes segmentos possuem uma topologia do tipo Barramento. Neste caso, é

necessário habilitar um terminador no início (no mestre) e um no final deste barramento

(último escravo do segmento). O último escravo deve permanecer o tempo todo alimentado

com no mínimo 9 V;

Segmento 3: este segmento possui uma topologia do tipo Árvore. Neste caso, os terminadores

devem estar localizados no primeiro escravo (o mais à esquerda do mestre) e no último (o

mais distante).

Codificação dos dados

O RS-485 codifica dados utilizando a técnica Non-return Zero (NRZ). Este tipo de codificação é

a forma mais comum e mais utilizada para se transmitir sinais digitais, já que ela usa dois níveis

de tensão diferentes para os dois dígitos binários, ambos diferentes da tensão nula [8]. De

acordo com a norma EN50170, este método procura assegurar que as transmissões ocorram

somente quando sucessivos bits de dados possuam valores iguais. Um exemplo deste tipo de

codificação pode ser visualizado na Figura 5.

Os dados codificados em NRZ são transmitidos por um cabo de par trançado. O bit “1”

representa uma tensão diferencial positiva constante entre os pinos 3 (RxD/TxD-P) e 8

(RxD/TxD-N) do conector e o bit “0” representa uma tensão diferencial negativa constante. No

RS-485 esses dados são transmitidos por dois condutores, denominados A e B, que transmitem

níveis de tensão iguais, porém com polaridades opostas (VA e VB).

Por esta razão, é importante que a rede seja ligada com a polaridade correta. Embora os sinais

sejam opostos, um não é o retorno do outro, ou seja, não existe um loop de corrente. Cada

sinal tem seu retorno pela terra ou por um terceiro condutor de retorno, entretanto, o sinal

deve ser lido pelo receptor de forma diferencial sem referência a terra ou ao condutor de

retorno.

Figura 5 – Codificação NRZ



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Pode-se notar na Figura 6 que este sinal trafega com fases invertidas nos condutores do cabo

enquanto o ruído trafega com mesma fase. Nos terminais de entrada do amplificador

diferencial, o sinal de comunicação chega em modo diferencial e o ruído em modo comum, dá-

se portanto a rejeição do ruído. Sendo assim, todo ruído que for induzido no cabo, em geral de

origem eletromagnética, será em sua maioria rejeitado.

Linhas de transmissão diferenciais utilizam como informação apenas a diferença de potencial

existente entre os dois condutores do par trançado, independente da diferença de potencial

que eles apresentam em relação ao referencial de tensão (comum ou terra). Isto permite que

múltiplos sistemas se comuniquem mesmo que uma referência de potencial comum entre eles

não seja estabelecida.

No entanto, os circuitos eletrônicos de transmissão e recepção podem ser danificados se o par

trançado apresentar um potencial excessivamente elevado em relação ao referencial (comum

ou terra).

Figura 6 – Exemplo de um Sinal Diferencial com Ruído

Considerando este tipo de sinal, segue um exemplo de um sinal típico na Figura 7. Tal figura

apresenta em sua parte superior a representação teórica da transmissão de um byte Profibus

diferencial enquanto que em sua parte inferior, é apresentado um caractere real obtido a

partir de um osciloscópio medido entre A e B. O byte da representação teórica não

corresponde ao byte da representação real.



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Figura 7 – Caracter Profibus DP

Nota-se através da Figura 7 que um caractere da Camada Física Profibus DP possui 11 bits,

sendo o primeiro denominado como Start bit, os 8 seguintes como bits de dados, o décimo

como bit de paridade (par) e o décimo primeiro e último como Stop bit. Cada sequência de

informação é apresentada nesta forma, e a mensagem como um todo é reconstituída no

destino final.

É isso aí pessoal. Aqui se encerra a explicação sobre o RS-485. Como falei anteriormente, darei

continuação ao tema dos meios físicos no próximo post, que tratará sobre as Fibras Óticas.

Até mais!

Referência Bibliográfica:



[2] BERGE, J. (2002). Fieldbuses for Process Control: Engeneering, Operation and Maintenance.

ISA – The Instrumentation, Systems and Automation Society, 2002.

[3] CASSIOLATO, C., PADOVAN, M. A., TORRES, L. H. B., OLIVEIRA, A. (2012). Descrição Técnica

Profibus. http://www.profibus.org.br



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[4] Normative Parts of Profibus FMS, DP and PA, according to the European Standard EN5170

Volume 2. Edition 1.0 (1998).

[5] Profibus Installation Guideline for Cabling and Assembly. Version 1.0.6. May 2006.

[6] Profibus Installation Guideline for Commissioning. Version 1.0.2. November 2006.

[7] Profibus Interconnection Technology Guideline. Version 1.4. January 2007. Order Nº. 2.142.

[8] STALLINGS, W. (1997). Data and Computer Communications. Prentice Hall, 1997.

[9] Technical Guideline Installation Guideline for Profibus-DP/FMS Version 1.0 September

1998.

[10] Test Specifications for Profibus DP Slaves Version 2.3 March 2004.

[11] SOUZA, R. C. (2012). Diagnóstico de Redes Profibus DP baseado em Redes Neurais

Artificiais. 2012. Dissertação de Mestrado em Engenharia Elétrica – Escola de Engenahria de

São Carlos, USP, São Carlos.



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O Protocolo Profibus (Parte III)


E ai pessoal,

Como prometido no post passado, hoje vou falar sobre as Fibras Óticas.

As fibras óticas podem ser utilizadas em aplicações onde existe alto índice de interferência

eletromagnética ou com o objetivo de se aumentar o comprimento máximo do barramento,

independente da velocidade de transmissão. É um meio físico comumente utilizado em

aplicações onde se utiliza tanto a tecnologia DP quanto Profinet.

Figura 1 – Fibra Ótica

Um sistema de transmissão com fibra ótica consiste em três elementos: um dispositivo que

gera a luz, um dispositivo que detecta esta luz e um meio de transmissão por onde a luz irá

trafegar. No momento da transmissão dos dados, um pulso de luz indica bit 1 e a ausência de

luz, indica bit 0 (zero).

Este meio de transmissão pode trabalhar com uma velocidade de até 50 Tbps, porém, para uso

em redes industrias, esta velocidade é limitada em 1 Gbps, devido ao fato de não ser possível

converter sinais elétricos e óticos em uma velocidade maior [1].

Existem dois tipos de fibra ótica:

• Multimodo;

• Monomodo.

Veja abaixo a descrição de cada uma delas:



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Multimodo

As fibras multimodo são utilizadas para cobrir distâncias médias, que variam entre 2 e 3 Km. O

fator que limita a distância na utilização dessas fibras é a dispersão modal*. Elas possuem

núcleos maiores, de aproximadamente 62,5 micrômetro de diâmetro e, transmitem luz

infravermelha a partir de diodos emissores de luz (600 a 850 nanômetros). O comprimento de

onda do infravermelho é de 850 a 1300 nanômetros.

De acordo com [4] as fibras multimodo são mais baratas e o núcleo mais espesso demanda

uma precisão menor nas conexões, o que torna a instalação mais simples, mas, em

compensação, a atenuação do sinal luminoso é muito maior. Isso acontece porque o pequeno

diâmetro do núcleo das fibras monomodo faz com que a luz se concentre em um único feixe,

que percorre todo o cabo com um número relativamente pequeno de reflexões. O núcleo mais

espesso das fibras multimodo, por sua vez, favorece a divisão do sinal em vários feixes

separados, que ricocheteiam dentro do cabo em pontos diferentes, aumentando brutalmente

a perda durante a transmissão. Veja Figura 2:

Figura 2 – Exemplo de fibra multimodo

As principais aplicações das fibras multimodo são as redes internas de computadores (LANs) e

demais aplicações de curta distância como as redes corporativas e Data Centers [4].

Essas fibras podem ser divididas em dois modelos: Step Index e Graded Index.

De acordo com [3] as fibras do tipo Step Index possuem o índice de refração do núcleo

constante. A energia de um impulso luminoso vai distribuir-se por todos os modos. Ver Figura

3:

Figura 3 – Modo de refração no Step Index



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Já no Graded Index o índice de refração do núcleo tem uma variação parabólica. Esta

característica tem o efeito de aproximar os tempos de propagação dos vários modos,

reduzindo a dispersão modal. A largura de banda utilizável é superior à da fibra Step Index. Ver

Figura 4:

Figura 4 – Modo de refração no Graded Index

Vantagens de se utilizar fibras multimodo:

• Devido ao tamanho grande do núcleo fica mais fácil o alinhamento, no caso de

emendas, conectores etc;

• Baixo custo.

Desvantagens de se utilizar fibras multimodo:

• Cobre distâncias menores e limitadas;

• Taxas de transmissão mais baixas.

Monomodo

As fibras monomodo são utilizadas para cobrirem distâncias longas, acima de 15 Km. De

acordo com [5], as fibras de modo simples têm núcleos pequenos, de aproximadamente 9

micrómetros de diâmetro e, transmitem luz laser infravermelha (comprimento de onda de

1300 a 1550 nanómetros). Neste tipo de fibras o diâmetro do núcleo é tão pequeno que não

há mais do que um modo de propagação. Logo, não existe dispersão modal. A largura de

banda utilizável é maior do que em qualquer dos tipos de fibra multimodo. Veja Figura 5 e 6,

para exemplos de fibra monomodo e modo de refração da fibra monomodo, respectivemente.



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Figura 5 – Exemplo de fibra monomodo

Figura 6 – Modo de refração da fibra monomodo

A aplicação das fibras monomodo vão desde sistemas de ultra-longa distância (~1000 km),

como os sistemas submarinos e terrestres, assim como os sistemas de telefonia regionais,

acesso e serviços de TV a cabo (~100 km) [4].

De acordo com [4] as fibras monomodos podem ser divididas em três grupos: fibras

monomodo convencionais ITU-T G.652 (Standard Monomode Fiber – SMF), fibras de dispersão

deslocada ITU-T G.653 (Dispersion Shifted Fiber – DSF) e fibras de dispersão deslocada não-

nula ITU-T G.655 (Non Zero Dispersion Shifted Fiber – NZDF).

Veja abaixo uma breve descrição de cada uma delas [4]:

• As fibras ITU-T G.652 foram as primeiras a serem construídas. Esses tipos de fibras

foram otimizadas para operarem na janela de 1310 nm. Para sinais nesse

comprimento de onda, as fibras convencionais apresentam dispersão nula e baixa

atenuação. Praticamente todos os sistemas de comunicações do início da década de

1980 possuíam fontes que operavam nesse comprimento de onda. Esse tipo de fibra

vem sendo fabricado desde o início dos anos 80 e é o tipo de fibra monomodo mais

instalada no mundo inteiro. Apesar de estar otimizada para operação em 1310 nm,

essa fibra também permite a operação na janela de 1550 nm, quando a dispersão não

é um fator limitante para o sistema.

• No meio da década de 80, surgiram os primeiros amplificadores, a fibra dopada com

érbium (AFDEs). Esses amplificadores são capazes de amplificar sinais em torno de

1550 nm, coincidentemente a mesma região espectral onde as fibras apresentam a

menor atenuação possível. Por essa razão, foi interessante migrar a região de

operação dos sistemas de 1310 nm para a região de 1550 nm, onde os amplificadores



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poderiam ser utilizados e como conseqüência os sistemas poderiam cobrir distâncias

muito maiores. Por esse motivo, foram desenvolvidas as fibras ITU-T G.653. Essas

fibras possuem dispersão nula na região de 1550 nm, i.e., um sinal com comprimento

de onda em 1550 nm propagando nessa fibra não sofrerá os efeitos da dispersão.

Somando o efeito nulo da dispersão, com o mínimo de atenuação e o uso dos AFDEs,

os sistemas baseados em fibras de dispersão deslocada puderam cobrir distâncias

nunca antes imaginadas.

• As fibras NZDs podem ser encontradas comercialmente apresentando tanto dispersão

positiva ou negativa na região de 1550 nm e são uma evolução das fibras DS. Essas

fibras apresentam uma pequena dispersão suficiente para evitar os efeitos não

lineares, mas ainda pequena o suficiente para não causar penalidades no sistema pelo

alargamento dos pulsos.

Vantagens de se utilizar fibras monomodo:

• Distâncias maiores e ilimitadas;

• Taxas de transmissão muito altas.

Desvantagens de se utilizar fibras monomodo:

• Torna difícil o alinhamento devido ao núcleo ser muito pequeno;

• Alto custo.

NOTA

*Dispersão modal: são atrasos do sinal na fibra multimodo causado pelos diferentes modos de propagação que a luz pode ter no núcleo.

E isso aí pessoal. Neste post se encerra a parte onde falei sobre os meios físicos utilizados no

Profibus DP. No próximo post vou falar um pouco mais sobre a Camada de Enlace e os

telegramas de mensagens.

Até mais!



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Referências Bibliográficas:



[2] http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialfoIII/pagina_4.asp

[3] http://www.melhorseguranca.info/2009/02/fibra-optica-multimodo-vs-monomodo.html

[4] http://www.telcon.com.br/Telcon/Web/Perguntas/Default.aspx?idper=S10110509132753

[5] http://www.melhorseguranca.info/2009/02/fibra-optica-multimodo-vs-monomodo.html

[6]

http://www.dsif.fee.unicamp.br%2F~rudge%2Fpdf%2FDispers_Complet_f201r.pdf&ei=P23sT6

_UMJSQ8wTbx



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O Protocolo Profibus (Parte IV)


Oi pessoal, tudo bem?

Continuando nossa série de artigos sobre o Profibus DP, neste post vou falar sobre as camadas

de Enlace e de Usuário deste protocolo. São nessas camadas que são gerados e distribuídos os

telegramas de mensagens. Então, neste post, vocês verão sobre endereçamento das estações,

o significados dos bits dos telegramas e os tipos e formatos dos telegramas. E no próximo post,

será apresentado o procedimento de transmissão dos telegramas.

O texto deste artigo não é de minha autoria. O autor é o professor do IFSP-Sertãozinho,

Eduardo André Mossin, e o texto é parte de sua tese de doutorado.

Então… vamos lá.

Camadas de Enlace e de Usuário

Neste item são descritos os aspectos da camada de enlace e de usuário. Outros

detalhes sobre este assunto poderão ser encontrados em [1].

A rede Profibus DP é uma rede do tipo multidrop, assíncrona, half duplex e utiliza a

comunicação do tipo passagem de token (Token Passing) e mestre-escravo. O

mecanismo de passagem de token permite a aplicação de múltiplos mestres em

uma mesma rede compartilhando o acesso. Somente o mestre pode iniciar a

comunicação na rede. Os escravos comunicam somente para responder

requisições do mestre. A rede Profibus DP permite a operação permanente com

mais de um mestre, desde que configurados individualmente e de maneira

adequada nas restrições da norma.

O número máximo de estações em uma rede Profibus DP é 126. Assim, a faixa de

endereços disponível para uso vai de 0 a 125. Os endereços 126 e 127 são de uso

especial, sendo o 126 utilizado como valor padrão para estações não endereçadas

entrarem na comunicação e o endereço 127 (0x7F) reservado para comandos de

broadcast.

Para a comunicação entre cada estação, o protocolo define alguns telegramas.

Cada telegrama é formado por um conjunto de caracteres, no qual cada caractere

é formado por 11 bits, sendo apenas 8 deles utilizados como dado. Este é o padrão

UART e os três bits extras são utilizados para fornecer uma sinalização de início e

fim de transmissão de cada caractere (2 bits) e um bit de paridade par utilizado



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para conferição da integridade da comunicação no receptor. A Figura 1 apresenta

um exemplo deste caractere.

Figura 1 – Caractere Profibus DP

Nota-se que antes do bit de início, tem-se o estado de linha desocupada (IDLE) da

comunicação que é representado pelo nível de tensão 1. Antes de terminar a

transmissão do caractere (bit de fim), tem-se o bit de paridade. O receptor avalia a

paridade a cada byte recebido. Caso a paridade avaliada não tenha o mesmo

valor que o bit de paridade, o telegrama inteiro será descartado (não somente o

caractere). Um telegrama é constituído por um ou mais caracteres e não são

permitidos períodos de linha desocupada dentro da transmissão de um telegrama.

Assim, o início de um telegrama com mais de um caractere é exemplificado na

Figura 2:

Figura 2 – Telegrama contendo os bytes 68H e 27H em sequência FONTE: [2]

Tipos e formato dos telegramas

Um telegrama é composto por 1 a 255 caracteres. Existem alguns tipos de

telegramas definidos por [1]. A diferenciação entre os tipos é realizada pelo

cabeçalho do telegrama (primeiro caractere), onde cada um dos tipos possui um

valor diferente.

Os telegramas são especificados de acordo com a natureza do campo de dados:



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• Telegramas de tamanho fixo sem campo de dados;

• Telegrama de resposta curta ou reconhecimento;

• Telegrama com campo de dados de tamanho variável;

• Telegrama de token.

A Tabela 1 apresenta um resumo dos tipos de telegramas e aplicações:

Tabela 1 – Tipos de Telegramas Profibus DP FONTE: [2]

O tamanho máximo de um telegrama são 255 caracteres. O valor do LE (ou LEr)

varia de 0 a 249. O LE compreende a quantidade de bytes do campo DATA_UNIT

além do DA, SA e o FC. Portanto o tamanho máximo do campo DATA_UNIT é de

246 bytes. O DATA_UNIT é a porção do telegrama destinada à carga útil de dados

(payload).



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Embora os campos de endereço suportem valores entre 0 e 255 (1 byte), somente

os 7 bits menos significativos são utilizados efetivamente para o endereçamento

das estações (Figura 3), permitindo o endereçamento de até 127 estações (0 a

126). O endereço 127 conforme explicado anteriormente é reservado ao

broadcast.

Figura 3 – Campos de endereço e uso do bit mais significativo como extensão FONTE: [2]

Bom pessoal,vocês viram neste post alguns detalhes sobre os telegramas de mensagens. No

próximo post, vou falar sobre como é o procedimento de transmissão desses telegramas. Só

para lembrar, tudo isto acontece dentro das camadas de Enlace e Usuário.

Até mais!!!

Referencias Bibliográficas:

[1] NORMATIVE PARTS OF PROFIBUS FMS, DP AND PA. (1998): according to the European

Standard EN50170. v.2. Edition 1.0.

[2] TORRES, R. V. (2011). Simulador de redes Profibus DP dedicado à ferramenta de

diagnostico. Dissertação (Qualificação de Mestrado). Escola de Engenharia de São Carlos, USP.

[3] MOSSIN, E. (2012). Diagnóstico Automático de Redes Profibus. Tese (Doutorado). Escola de

Engenharia de São Carlos, USP.

Informações adicionais sobre Eduardo André Mossin:

- Currículo Lattes:

http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do metodo=apresentar&id=K4774437D5

- Blog:

http://emossin.blogspot.com.br

O Protocolo Profibus - Completo

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