Planejamento do layout de redes PROFIBUS: segmentos, distâncias e boas práticas

Um bom projeto PROFIBUS começa muito antes de instalar o primeiro conector.

A posição dos dispositivos, o comprimento dos cabos, o baud rate, a quantidade de equipamentos por segmento, as terminações e a necessidade de repeaters precisam ser considerados ainda durante o planejamento.

Quando essas decisões ficam para a montagem, problemas que poderiam ter sido evitados no projeto acabam aparecendo durante o comissionamento ou, pior, depois que a planta já está em operação.

Mas antes de desenhar o layout existe uma distinção importante.

PROFIBUS DP e PROFIBUS PA não seguem as mesmas regras físicas

Quando falamos em PROFIBUS, podemos trabalhar com diferentes tecnologias de transmissão.

No PROFIBUS DP sobre RS 485, a comunicação utiliza normalmente cabo de par trançado e blindado e pode operar entre 9,6 kbit/s e 12 Mbit/s.

No PROFIBUS-MBP, normalmente associado às aplicações PROFIBUS PA, a comunicação opera a 31,25 kbit/s e permite também alimentar instrumentos através do barramento.

Essas diferenças mudam diretamente a forma como a rede é projetada.

Por isso, neste conteúdo vamos concentrar a maior parte da explicação no PROFIBUS DP sobre RS 485 e indicar quando as regras de PA forem diferentes.

Antes da topologia, pense em segmentos

Um dos conceitos mais importantes no planejamento PROFIBUS é o segmento.

Uma rede ou linha PROFIBUS pode ser formada por um ou mais segmentos interligados através de componentes ativos, como repeaters.

Cada segmento possui seus próprios limites físicos.

Isso significa que, antes de perguntar:

“Minha rede tem 500 metros?”

é mais útil perguntar:

“Qual é o comprimento de cada segmento e em qual baud rate ele vai operar?”

A diferença é importante porque um repeater pode dividir uma rede longa em vários segmentos elétricos independentes.

Quantos dispositivos podem existir em um segmento?

Um segmento PROFIBUS DP sobre RS 485 pode possuir até 32 interfaces de rede.

Nesse número precisam ser considerados os diferentes participantes conectados ao segmento, inclusive interfaces de repeaters e outros componentes que atuem como nós naquele barramento.

Por isso, não é uma boa prática projetar automaticamente todos os segmentos no limite.

Além da quantidade atual de dispositivos, vale pensar em:

• futuras expansões;
• equipamentos temporariamente conectados para manutenção;
• repeaters ou couplers necessários;
• mudanças futuras na máquina ou processo.

O projeto deve prever alguma margem quando isso fizer sentido para a instalação.

No PROFIBUS DP, a topologia passiva é em linha

Esse ponto costuma gerar confusão.

Em um segmento PROFIBUS DP sobre RS 485 sem componentes ativos adicionais, os dispositivos devem ser conectados ao longo de uma linha.

De forma simplificada:

Os equipamentos fazem parte do mesmo barramento e existem duas terminações, uma em cada extremidade do segmento.

Uma estrela passiva criada simplesmente dividindo o cabo em diferentes direções não deve ser tratada como uma topologia PROFIBUS DP convencional.

Essas ramificações alteram as características da linha e podem provocar reflexões.

Quando precisamos criar diferentes ramificações de forma adequada, entram componentes ativos, como repeaters ou hubs PROFIBUS.

Onde entram repeaters e hubs?

Repeaters atuam na camada física e permitem criar novos segmentos PROFIBUS.

Eles podem ser utilizados por diferentes motivos:

• ampliar a distância total da rede;
• aumentar a quantidade de dispositivos;
• criar ramificações de forma controlada;
• separar galvanicamente segmentos;
• reduzir o impacto de determinadas falhas;
• facilitar manutenção e diagnóstico.

Imagine:

Cada saída do hub funciona como um novo segmento elétrico.

Isso é muito diferente de criar uma derivação passiva no cabo.

O componente ativo recebe e regenera a comunicação para os diferentes segmentos.

O repeater não elimina os limites do PROFIBUS

Adicionar um repeater permite criar um novo segmento, mas cada segmento continua precisando atender aos requisitos do baud rate utilizado.

Por exemplo, em uma rede a 1,5 Mbit/s, o limite de um segmento utilizando cabo tipo A é de 200 metros.

Podemos utilizar um repeater para criar outro segmento de até 200 metros.

O que não podemos fazer é instalar simplesmente 400 metros de cabo em um único segmento porque existe um repeater em algum outro ponto da rede.

O limite deve ser verificado segmento por segmento.

Também é necessário observar a quantidade de repeaters que pode ser conectada em série e o atraso introduzido por eles, seguindo as especificações dos equipamentos utilizados.

Baud rate e comprimento precisam ser definidos juntos

No PROFIBUS DP, quanto maior a taxa de transmissão, menor é o comprimento máximo permitido para um segmento em cobre.

Considerando cabo PROFIBUS tipo A:

Por isso, um layout que funciona fisicamente a 187,5 kbit/s pode não atender aos requisitos se a mesma rede for configurada posteriormente para 1,5 ou 12 Mbit/s.

O baud rate precisa fazer parte do projeto físico.

E as derivações?

Em PROFIBUS DP sobre RS 485, derivações passivas, também chamadas de stubs, devem ser evitadas.

Isso se torna especialmente importante em baud rates elevados.

Uma derivação altera o caminho de propagação do sinal e pode criar reflexões que deformam a forma de onda recebida pelos dispositivos.

Por isso, quando o layout físico exige uma ramificação significativa, a solução mais robusta normalmente é criar outro segmento utilizando um componente ativo adequado.

No PROFIBUS PA a lógica é diferente.

Em redes PROFIBUS-MBP, a arquitetura trunk e spur é prevista pela tecnologia.

Nesse caso, porém, existem limites específicos para o comprimento dos spurs, quantidade de dispositivos, alimentação do segmento e aplicação em áreas classificadas.

Portanto, uma regra válida para o PA não deve ser automaticamente aplicada ao DP.

Onde devem ficar as terminações?

Cada segmento PROFIBUS DP precisa possuir duas terminações:

uma em cada extremidade física do segmento.

E somente nelas.

Uma terminação no meio do segmento ou uma terceira terminação altera as características elétricas da rede.

Existe ainda outro detalhe importante.

As terminações PROFIBUS DP são ativas e precisam estar alimentadas.

Quando a terminação está incorporada ao conector do primeiro ou do último dispositivo, desligar esse equipamento pode retirar também a alimentação da terminação e tornar a comunicação instável.

Se existe a necessidade de substituir ou desligar dispositivos localizados nas extremidades durante a operação, vale considerar o uso de terminadores ativos alimentados independentemente.

Isso facilita bastante a manutenção.

Planeje pensando em manutenção, não apenas na partida

Um layout pode funcionar perfeitamente e ainda ser ruim para manter.

Imagine que a extremidade de um segmento esteja localizada em um inversor que frequentemente precisa ser desligado durante intervenções.

Se a terminação depende daquele equipamento, toda vez que ele for desligado podemos afetar o restante do segmento.

Ou imagine uma rede extensa sem pontos adequados para conectar um analisador.

O diagnóstico se torna mais demorado simplesmente porque ninguém pensou em manutenção durante o projeto.

Por isso, vale definir antecipadamente:

• pontos de acesso para análise;
• posição das terminações;
• localização dos repeaters;
• forma de isolar segmentos;
• identificação dos cabos;
• reserva para futuras expansões;
• acessibilidade dos componentes.

O objetivo não é apenas fazer a rede funcionar.

É permitir que ela seja mantida durante muitos anos.

Onde um TS Hub DP pode ajudar?

Quando existe necessidade de dividir uma rede PROFIBUS DP em diferentes segmentos, um multirepetidor pode ser utilizado para criar uma estrutura mais organizada.

O TS Hub DP, por exemplo, possui um canal conectado ao segmento principal e até cinco canais isolados para novos segmentos.

Cada canal permite separar eletricamente um grupo de dispositivos, o que pode facilitar expansão e também a localização de falhas.

Existe, porém, um requisito importante: a versão atual do TS Hub DP opera entre 9,6 kbit/s e 1,5 Mbit/s.

Portanto, ele não deve ser especificado para uma rede operando a 3, 6 ou 12 Mbit/s.

A escolha de qualquer componente de infraestrutura precisa sempre considerar as características reais da rede.

Planejamento das rotas de cabo

Depois de definir segmentos, dispositivos e componentes ativos, precisamos determinar por onde os cabos irão passar.

Em ambiente industrial existem inversores, motores, contatores, cabos de potência e outros equipamentos capazes de gerar interferência eletromagnética.

Por isso, o roteamento deve considerar separação adequada entre circuitos, cruzamentos, aterramento, blindagem e condições ambientais.

Também devem ser considerados:

• temperatura;
• presença de óleo ou produtos químicos;
• vibração;
• movimento;
• exposição ao tempo;
• raio de curvatura;
• proteção mecânica.

Não basta utilizar um cabo violeta.

O cabo precisa ser adequado ao PROFIBUS e à aplicação em que será instalado.

Documente o layout real

O planejamento não termina quando o desenho é aprovado.

Durante a instalação podem ocorrer alterações.

Um equipamento muda de posição.

Um cabo precisa seguir outra rota.

Um repeater é acrescentado.

Um segmento é ampliado.

Se isso não for registrado, em pouco tempo o desenho deixa de representar a rede real.

A documentação final deveria permitir identificar pelo menos:

• mestre e dispositivos;
• endereço PROFIBUS de cada equipamento;
• divisão dos segmentos;
• baud rate;
• comprimento aproximado dos cabos;
• repeaters e hubs;
• posição das terminações;
• pontos de acesso;
• rota dos cabos;
• eventuais segmentos PROFIBUS PA.

Essa documentação será extremamente útil quando chegar o momento de investigar uma falha.

Antes da partida, valide o que foi instalado

Mesmo um projeto tecnicamente correto pode ser executado de maneira diferente em campo.

Por isso, antes da partida da planta é importante verificar se a instalação real corresponde ao projeto e se os principais requisitos físicos e de comunicação foram atendidos.

Entre as verificações podem estar:

• integridade dos condutores;
• curto-circuitos;
• inversão de A e B;
• continuidade da blindagem;
• posição e alimentação das terminações;
• comprimento dos segmentos;
• quantidade de dispositivos;
• comunicação com os nós;
• qualidade do sinal.

Uma análise ou certificação da rede pode aprofundar essa validação e registrar a condição encontrada antes do início da operação.

Isso cria também uma referência importante para futuras comparações.

Um bom layout reduz problemas antes que eles existam

Planejar uma rede PROFIBUS não é simplesmente decidir por onde o cabo violeta irá passar.

É definir uma estrutura elétrica coerente.

Dispositivos → segmentos → baud rate → distâncias → repeaters → terminações → rotas → documentação → validação.

Quando essas decisões são tomadas ainda no projeto, reduzimos a chance de encontrar depois problemas como segmentos longos demais, derivações inadequadas, terminações incorretas ou uma estrutura difícil de analisar.

Mesmo assim, em algum momento uma rede pode apresentar uma falha.

E quando isso acontece, surge um novo desafio: entre todas as possíveis causas, por onde começar a investigação?

É justamente esse processo de diagnóstico que veremos no próximo conteúdo.