METODOLOGIA PARA ANLISE E CERTIFICAO DE REDE PROFIBUS DP/PA 1Carlos Eduardo Soares Mangeroti Wesley Augusto Gonalves Eller 2

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.