O Protocolo PROFIBUS (Parte I)

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].
  • 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:

O Protocolo Profibus: Esquema de comunicação Mono-Mestre
Figura 1 – Esquema de comunicação Mono-Mestre
O Protocolo Profibus: Esquema de comunicação Multi-Mestre
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.
  • 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:

Protocolo Profibus: Modelo de Referência ISO/OSI aplicado à Rede Profibus
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!

 

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.