Repetidor PROFIBUS: para que serve e quando utilizar?

Uma rede PROFIBUS DP sobre RS 485 possui limites físicos. Existe um número máximo de interfaces que podem ser conectadas a cada segmento e o comprimento permitido do cabo depende da taxa de transmissão utilizada.

Mas o que fazemos quando a instalação precisa ir além desses limites? Uma das soluções é utilizar um repetidor PROFIBUS. Ele atua na camada física da comunicação e permite conectar dois segmentos eletricamente distintos e isolá-los galvanicamente.

Ele recebe o sinal de um segmento e o retransmite regenerado para o outro.

A partir daí surge um conceito importante: depois do repeater, não temos apenas um cabo mais longo. Temos um novo segmento elétrico PROFIBUS.

O que é um segmento PROFIBUS?

Em PROFIBUS DP sobre RS 485, um segmento é uma parte elétrica do barramento com continuidade e características elétricas comuns. Sem componentes ativos, os dispositivos daquele segmento compartilham o mesmo meio físico.

Quando inserimos um repeater, criamos uma fronteira:

O tráfego PROFIBUS continua passando entre os dispositivos, mas eletricamente os dois lados passam a ser tratados como segmentos distintos. Essa diferença é muito importante durante o projeto. Cada segmento precisa respeitar seus próprios requisitos de:

• quantidade de interfaces;
• comprimento de cabo;
• terminações;
• qualidade da instalação.

Por que utilizar um repeater?

Existem diferentes motivos.

1. Aumentar a distância total da rede

O comprimento máximo permitido em PROFIBUS DP depende diretamente do baud rate.

Por exemplo, com cabo tipo A:

• a 187,5 kbit/s, um segmento pode chegar a 1.000 m;
• a 500 kbit/s, 400 m;
• a 1,5 Mbit/s, 200 m;
• de 3 a 12 Mbit/s, 100 m.

Se a aplicação precisa ultrapassar o comprimento permitido de um segmento, podemos criar outro através de um repeater.

Imagine uma rede a 1,5 Mbit/s:

Isso não significa que agora exista um único segmento de 400 metros. Continuam existindo dois segmentos, e cada um deles precisa respeitar seu limite de 200 metros.

A PI prevê explicitamente o uso de repeaters tanto para ampliar a distância quanto para segmentar redes PROFIBUS DP.

2. Aumentar a quantidade de dispositivos

Um segmento PROFIBUS RS 485 pode possuir até 32 interfaces de barramento.

O próprio repeater participa dessa contagem.

Se precisamos conectar mais dispositivos, criar novos segmentos é uma das formas de ampliar a rede.

Por exemplo:

O limite precisa ser analisado separadamente em cada segmento.

Se houver um repeater em cada extremidade de determinado segmento, por exemplo, os dois repeaters já ocupam duas das 32 interfaces permitidas. A PI usa justamente esse exemplo ao indicar que restariam até 30 outros nós.

3. Separar eletricamente partes da rede

Muitos repeaters oferecem isolamento galvânico entre seus segmentos.

Esse recurso pode ser especialmente útil quando existem diferenças de potencial entre áreas da instalação ou quando queremos limitar a propagação de determinados problemas elétricos.

Mas existe uma nuance importante.

Isolamento galvânico não é sinônimo de imunidade a interferência eletromagnética.

Cabos mal instalados, blindagem inadequada ou interferências induzidas em determinado segmento continuam sendo problemas que precisam ser tratados naquele segmento.

Além disso, o tipo de isolamento e de condicionamento do sinal varia entre equipamentos.

Por isso, as características do fabricante precisam ser verificadas durante o projeto.

O repeater corrige um sinal ruim?

Depende do que entendemos por “corrigir”.

O repeater recebe a comunicação de um segmento e gera um novo sinal no segmento seguinte. Isso é uma regeneração ativa.

Se o sinal recebido ainda estiver dentro de condições que permitam ao equipamento interpretar corretamente os bits, ele pode retransmitir uma forma de onda adequada para o próximo segmento. Mas existe um limite.

Se o sinal no segmento anterior estiver tão degradado que o repeater já não consiga interpretá-lo corretamente, ele não tem como saber qual informação deveria retransmitir.

Por isso:

repeater não é solução definitiva para esconder uma camada física defeituosa. Ele pode ajudar a contornar o problema e dar sobrevida a linha, mas não elimina o problema físico

Ruído, reflexão, terminação incorreta, curto-circuito, cabo inadequado ou conectores defeituosos precisam continuar sendo investigados na origem.

Em especial, repetidores e hubs tem o aterramento comum e, por esta razão, não têm capacidade de isolação de ruído eletromagnético. O intuito aqui é proteger contra efeitos causados nos condutores A e B apenas.

Um repeater pode mudar a maneira como determinado problema se manifesta, mas não elimina automaticamente sua causa.

Cada novo segmento precisa de terminações

Esse é um detalhe crítico.

Quando utilizamos um repeater para criar dois segmentos, cada segmento RS 485 precisa possuir suas próprias terminações adequadamente posicionadas.

De forma conceitual:

A representação exata depende do equipamento, porque muitos repeaters possuem terminações internas que podem ser ativadas.

O importante é não pensar que as terminações originais de um barramento continuam automaticamente corretas depois que a rede foi segmentada.

Cada novo segmento precisa ser analisado individualmente.

O que é um multirepetidor PROFIBUS?

Um repeater convencional conecta normalmente dois segmentos.

Quando precisamos criar várias ramificações, podemos utilizar um multirepetidor, também chamado de hub PROFIBUS.

A diferença principal é que ele possui múltiplos canais ativos.

Podemos transformar:

em uma arquitetura como: 

Cada saída não é simplesmente uma derivação elétrica passiva.

O equipamento regenera a comunicação para cada segmento.

Isso permite construir estruturas em estrela ou árvore sem criar os stubs passivos que devem ser evitados em PROFIBUS DP sobre RS 485.

Qual é a vantagem da segmentação para manutenção?

Aqui existe um benefício interessante. Imagine uma rede completamente linear com dezenas de dispositivos. Um curto-circuito em um ponto do barramento pode afetar uma parte significativa ou até todo aquele segmento.

Ao dividir a instalação em segmentos através de componentes ativos, podemos reduzir o tamanho do domínio elétrico afetado por determinados problemas. Mas isso depende das características do equipamento.

Alguns multirepeaters conseguem detectar certas falhas de canal e isolar o segmento afetado, permitindo que os demais continuem comunicando. Não devemos assumir que todo repeater faz isso. Precisamos verificar a especificação do modelo utilizado.

Repeater e hub PROFIBUS são a mesma coisa?

Eles pertencem à mesma família de função na camada física, mas normalmente utilizamos os nomes para diferenciar a quantidade de segmentos envolvidos.

Repeater: normalmente interliga dois segmentos.

Multirepeater ou hub PROFIBUS: oferece vários canais e permite criar múltiplos segmentos a partir de um ponto.

O conceito fundamental é o mesmo:

receber a comunicação e regenerá-la para outro segmento elétrico.

E o TS Hub DP?

O TS Hub DP é um multirepetidor desenvolvido para segmentação de redes PROFIBUS DP sobre RS 485.

Ele possui um canal principal, CH0, que deve ser conectado ao segmento do mestre, e cinco canais para novos segmentos.

Cada um desses canais pode receber até 31 slaves, conforme a documentação do equipamento.

Além da regeneração e do isolamento entre os segmentos, o equipamento possui recursos voltados à manutenção.

Quando um analisador é conectado a um dos canais CH1 a CH5, o TS Hub DP filtra as respostas de forma que sejam apresentados os slaves pertencentes àquele canal, enquanto os demais pacotes continuam trafegando normalmente.

Isso ajuda principalmente em redes grandes, porque reduz a área que o profissional precisa considerar durante a investigação.

O TS Hub DP também possui recursos específicos de isolamento de determinados problemas de canal, como curto entre os condutores e condições capacitivas, mantendo os demais canais em operação conforme as condições descritas no manual.

Existe limite para quantidade de repeaters?

Sim, mas não existe um número universal válido para qualquer repeater PROFIBUS.

Cada equipamento introduz determinado atraso e pode utilizar métodos diferentes de condicionamento do sinal.

Por isso, a PI orienta consultar a documentação do fabricante para determinar quantos repeaters podem ser conectados em série.

Também recomenda evitar a mistura de repeaters de fabricantes diferentes na mesma linha PROFIBUS.

Essa é uma diferença importante em relação a simplesmente contar dispositivos.

Não podemos pegar uma regra genérica como “quatro” ou “nove” repeaters e aplicá-la a qualquer arquitetura.

Repeater também introduz atraso

Apesar de atuar apenas na camada física, um repeater não é completamente invisível do ponto de vista temporal.

Receber e regenerar o sinal leva algum tempo.

Quando vários repeaters são utilizados em cascata, esses atrasos se acumulam.

Para a maioria das instalações isso pode não ser o primeiro fator limitante, mas em aplicações com requisitos de tempo rigorosos precisa fazer parte do projeto.

Novamente, o valor depende do equipamento.

Por isso, a documentação do fabricante é parte do dimensionamento.

Quando vale a pena segmentar uma rede?

Algumas situações típicas são:

• distância superior ao limite permitido por segmento;
• quantidade de dispositivos superior à capacidade de um único segmento;
• necessidade de criar ramificações sem utilizar stubs passivos;
• áreas da planta com diferenças de potencial;
• necessidade de reduzir o impacto de determinadas falhas;
• organização da rede por máquinas ou áreas;
• necessidade de facilitar manutenção e diagnóstico;
• planejamento de expansão futura.

Mas segmentar mais não significa automaticamente projetar melhor.

Cada repeater acrescenta componentes, alimentação, conexões e atraso ao sistema.

A segmentação deve resolver uma necessidade concreta da arquitetura.

O que precisa ser verificado no projeto?

Antes de definir quantidade e posição dos repeaters, vale verificar:

• baud rate da rede;
• comprimento de cada segmento;
• quantidade de interfaces em cada segmento;
• quantidade máxima de repeaters em série permitida pelo fabricante;
• atraso introduzido;
• existência de isolamento galvânico;
• funcionamento das terminações;
• alimentação do equipamento;
• estratégia para falha de um segmento;
• pontos de acesso para diagnóstico.

Esses critérios evitam um erro bastante comum:

usar repeater apenas para “reforçar sinal” sem entender qual problema da rede realmente estamos tentando resolver.

No próximo conteúdo vamos aprofundar justamente uma dessas variáveis: o baud rate.

Ele não define apenas a velocidade da comunicação. Também influencia diretamente o comprimento máximo permitido para cada um dos segmentos que acabamos de criar.