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CEFET-RN / Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial / Redes Industriais – Aula 07

Família de Protocolos Profibus

1. O Profibus nasceu de uma associação, em 1987, de 21 companhias,
na Alemanha, para o desenvolvimento de um barramento de campo
digital.
2. Desde 1989, uma fundação denominada PNO, promove a disseminação
e controle deste protocolo aberto. Em 1995 foi fundada a Profibus
International englobando 22 entidades espalhadas pelo mundo.
3. O Profibus é apresentado como uma solução completa (comunicação
e gerenciamento) para interligar os dispositivos existentes nos níveis
intermediários e superior em um sistema de automação.
4. Estes níveis são representados na figura como Field Level e Cell
Level.
5. A figura também efetua uma divisão por tipo no nível de barramento de
campo: Manufacturing e Process. A divisão é justificada pela
diferença de dados a serem informados pelos dispositivos.
4. Na figura o símbolo “Ex” representa que o Profibus é adequado para
uso em Áreas classificadas, também chamada de áreas com
atmosferas explosivas. Estas são ambientes onde há possibilidade de
explosões devido a possibilidade de presença de gases inflamáveis e
fontes de ignição.
5. O Profibus DP apresenta dispositivos gateways para redes dos níveis
inferiores, como o AS-I.
6. Tendo a Siemens, um dos maiores fornecedores de equipamento de
automação do mundo, como um dos principais usuários e
patrocinadores, o Profibus tem cerca de 20% do mercado da Europa

1


Família de Protocolos Profibus
ProfiNet (Profibus for Ethernet)
Comunicação entre CLPs e PCs usando Ethernet/TCP-IP
Profibus FMS (Fieldbus Message Specification)
Comunicação entre CLPs e PCs.
Profibus DP (Decentralized Peripherals)
Comunicação com drives, dispositivos E/S,
transdutores, analisadores e etc.
Profibus PA (Process Automation)
Comunicação com transmissores de pressão, nível,
vazão e temperatura e válvulas de controle.
AS-I (Actuator Sensor Interface)
Sensores e Atuadores ON-OFF

1. Para a interligação entre CLPs e PCs é apresentado o protocolo
Profinet, utilizando Ethernet como meio físico e os protocolos TCP/IP
para transporte.
2. Para a interligação de CLPs e PCs é apresentado o protocolo Profibus
FMS.
3. Para interligação de CLPs e dispositivos de entrada e saída em geral é
apresentado o Profibus DP, utilizando como meio físico cabo par
trançado com RS-485 ou fibra ótica.
4. Para a interligação de instrumentos de processo foi apresentado uma
variação do Profibus DP, o Profibus PA, usando o padrão MBP ou IEC-
1158-2 como meio físico, adequando o nível de potência dos sinais
elétricos para permitir a sua instalação em áreas classificadas.
5. Para sensores e atuadores ON-OFF são disponibilizados “gateways”
entre o Profibus-DP e o protocolo AS-I.

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Camada Física no Profibus
Padrão RS-485 Padrão MBP
Cabo par trançado com malha. (M): Manchester Coding, (BP):
Bus Powering
Taxas de 9600bps a 12Mbps.
Cabo par trançado com malha.
Topologia física em barra com
terminadores. Transmissão síncrona com taxa
de 31,25 kbps.
Segmentos com até 32
dispositivos. Topologia física em barra e/ou
árvore.
Com 4 repetidores até 126
dispositivos. Segmentos com até 32
dispositivos.
Com 4 repetidores até 126
dispositivos.
Intrinsecamente seguro.

1. O meio físico mais comum no Profibus é o baseado no padrão RS-485
usando um simples cabo par trançado com uma malha de blindagem.
2. A taxa de transmissão é tão maior quanto for menor o comprimento
da rede. Para 1200 metros é possível alcançar 9,6 kbps. Com redes de
100 metros é possível chegar aos 12 Mbps.
3. Conectores DB9 podem ser usados para níveis de proteção IP20. Para
IP65 ou IP66 são necessários conectores circulares.
4. As redes Profibus PA usam o padrão MBP, pois devem manipular
sinais com nível de potência limitado devido ao seu uso em áreas
classificadas.
5. O padrão MBP é uma das tecnologias apresentadas na norma IEC
61158-2 para meios de transmissão intrinsecamente seguros. A
modulação binária é efetuada em termos de variações de corrente
sobre um valor base.
6. O número de elementos de uma rede no padrão MBP depende da
distância entre os dispositivos, pois para manter os níveis de energia
em valores seguros são levados em consideração a corrente gerada
pelos dispositivos e a impedância dos cabos de comunicação.

3


Camada Física no Profibus
Fibra Ótica
Usado em ambientes com alta
interferência ou necessidades de vencer
grandes distâncias ou ainda para
redundância.
Topologia física em barra, anel ou árvore.
Tipos de Fibra:
Monomodo: >15 km
Multimodo: 2 a 3 km
Plástico: < 80m
HCS: 500m
Usada com acopladores óticos (OLM) para
a conversão para o padrão RS-485.

1. O uso do padrão RS-485 e fibra ótica em um mesmo segmento de rede
é possível com o uso de Optical Link Modules (OLM).
2. O uso de fibra ótica é recomendado em diversas situações:
• Para interligar áreas distantes entre si, sem reduzir o baudrate
como aconteceria com o RS-485.
• Para interligar áreas onde não seja possível garantir a
equipotencialidade dos aterramentos.
• Para conseguir isolação e imunidade ao ruído eletromagnético.
• Para conseguir proteção contra tranbsientes e descargas
atmosféricas, principalmente em redes que passam por áreas
abertas.
3. Com meio físico ótico é possível o uso de repetidores óticos ligados em
forma de anel, provendo uma tolerância a falha adicional.
4. Neste caso são usados dois canais óticos e um dos repetidores deve ser
configurado como gerenciador do anel, abrindo e fechando o anel a
partir de testes cíclicos de integridade das fibras.

4


Redundância com Profibus DP

Falta
Nó 1 Nó 2 Repetidor Ótico Nó 5 Nó 6

RS-485 RS-485

Nó 3 Nó 4 Nó 7 Nó 8

RS-485 RS-485
Fibra Ótica

1. A figura mostra 4 segmentos de rede Profibus DP usando meio físico
RS-485 interligada por um anel ótico.
2. São usados repetidores duplos, isto é, com uma porta RS-485 e duas
portas óticas. Cada porta com duas fibras (TX e RX).
3. Um dos repetidores deve ser configurado como gerenciador. No caso
de uma falta de integridade em um das fibras o fluxo de dados deve ser
redirecionado no trecho atingido.

5


Controle de Acesso ao Meio no Profibus

Topologia lógica TOKEN RING entre os dispositivos mestres

Dispositivos mestres classe 1 e 2

PC
PLC

PROFIBUS

Topologia mestre -escravo
entre os mestres e os escravos Dispositivos Escravos

1. A eficiência do Profibus é garantida pelos serviços existentes na
camada de enlace do protocolo. Estes serviços são implementados
pelo “Fieldbus Data Link (FDL)” tendo como objetivos:
• Controlar o acesso ao meio;
• Estruturar as mensagens (telegramas);
• Verificar a integridade dos dados;
• Disponibilizar os serviços de comunicação SDA (enviar dados
com reconhecimento), SDN (enviar dados sem reconhecimento),
SRD (enviar e solicitar dados com resposta) e CSRD (enviar e
solicitar dados ciclicamente com resposta);
• Ajuste de parâmetros operacionais;
• Informe de eventos.
2. O controle de acesso ao meio é efetuado com uma mistura de
Token Ring entre os mestres e Mestre-escravo (poll) entre os mestres e
os escravos.
3. É possivel a presença de mais de um mestre na rede. Eles tem o direito
a se comunicar com os escravos quando estiverem com a posse da
permissão (Token).
4. Os mestres são configurados em classes. O mestre classe 1 tem
permissão para ler e escrever dados nos dispositivos de campo, sendo
geralmente um CLP. Sua presença é obrigatória e o seu ciclo de
varredura é a base do sistema de automação.
5. Os mestres classe 2 são dispositivos de configuração. Eles são
implementados durante o comissionamento da planta ou ainda para
uma manutenção ou diagnóstico da rede, sendo usado para
configuração dos dispositivos escravos. Eles podem ler os estados dos
dispositivos escravos, mas não podem determinar as suas saídas. Não é
necessária a sua conexão permanente na rede.
6. Os escravos são dispositivos periféricos que lêem informações do
processo ou usam informação de saída para intervirem no processo.
São dispositivos passivos , somente respondem as consultas
efetuadas pelos mestres.
6


Versões do Profibus DP
Profibus DP-V0
Controle de acesso ao meio
TOKEN RING entre os mestres (classes 1 e 2 ).
MESTRE-ESCRAVO entre os mestres e os escravos.
Mestre único ou multi-mestre (Não escreve).
Até 126 estações em um barramento.
Comunicação ponto a ponto ou multicast.
Estados de operação
Operate (Ler entradas e Escrever saídas)
Clear (Ler entradas, saídas em condição segura)
Stop (Diagnósticos e ajuste de parâmetros)

1. O protocolo Profibus DP é encontrado em três versões, V0, V1 e V2.
Cada nova versão adicionou novas opções e funcionalidades ao
protocolo.,
2. A troca de informações é normalmente ponto a ponto, mas é possível
enviar comandos a todos os dispositivos simultaneamente ou a um
grupo de dispositivos (multicast).
3. No Profibus DP-V0 o mestre pode estar em três estados de operação:
Operate, Clear e Stop. O estado pode ser controlado localmente ou pelo
dispositivo de configuração (mestre classe 2).
4. A comunicação entre um mestre e seus escravos tem quatro funções
principais:
• Escrever as saídas dos escravos (Até 244 bytes por escravo).
• Ler as entradas dos escravos (Até 244 bytes por escravo).
• Escrever os parâmetros de configuração nos escravos. Por
exemplo, definir se uma entrada analógica é 4-20mA ou 0-10V.
• Ler os diagnósticos dos escravos, por exemplo falha em uma
entrada analógica por corrente igual a 0mA.
5. O mestre, ciclicamente, manda uma mensagem para cada escravo. Na
mensagem de resposta, o escravo devolve as entradas lidas de seus
módulos de entrada.
6. Os parâmetros são escritos na energização do sistema, ou após uma
falha de comunicação.
7. Os diagnósticos são lidos por exceção, isto é, quando um escravo tem
diagnósticos para informar ao mestre, ele liga um bit na sua resposta
cíclica. Isto faz com que o mestre execute uma leitura de diagnóstico na
próxima oportunidade.
8. Quando um escravo fica sem receber requisições de seu mestre por
um tempo superior ao tempo de “watchdog”, o mesmo vai para o
estado “CLEAR”.
7


Versões do Profibus DP
Profibus DP-V1
Inclui a capacidade de transmissão de dados esporádicas
(acíclicas).
Permite a parametrização e calibração de dispositivos com a rede
em funcionamento.

Profibus DP-V2
Mestre
Permite a comunicação entre Profibus-DP
Profibus-DP
escravos usando mensagens de
“broadcast” sem a participação Dados de entrada via broadcast
do mestre.
Reduz tempo de resposta na
rede em até 90%. Escravo Escravo Escravo
Subscriber
Subscriber Subscriber
Subscriber Publisher
Publisher

1. A versão DP-V1 trouxe a capacidade de troca de dados não cíclicos. Os
mestres aproveitam os intervalos de tempo entre as varreduras para
solicitar dados ou enviar configurações a um determinado escravo.
2. Isto permitiu efetuar mudanças na configuração com o sistema em
operação e não somente após a energização do mesmo.
3. A versão DP-V2 habilitou os escravos a enviarem dados sem a
intervenção do mestre, seguindo a filosofia de troca de dados produtor-
consumidor.

8


Topologia do Profibus PA

Spur

Mestre Estrela
Repet.

Barramento
PROFIBUS DP
T

PA Link Terminador

PA
Acoplador
24 V

1. O Profibus PA é um dos dois principais barramentos de processo
disponíveis no mercado, concorrendo diretamente com o Foundation
Fieldbus.
2. O mestre é o mesmo usado por uma rede Profibus DP conectado
através de dois tipos de interface.
• A interface PA-LINK é um escravo da rede Profibus DP e
mestre da rede Profibus PA, possuindo dois endereços, um em
cada rede. Isto permite o uso completo do endereçamento
possível na rede PA.
• A interface PA-Acoplador é transparente, não possuindo
endereçamento. Neste caso os endereços já usados na rede DP
não podem ser usados na rede PA, reduzindo o número de
endereços disponíveis.
3. As interfaces sempre são responsáveis por adequar os níveis elétricos
dos sinal elétricos e as taxas de velocidade, nem sempre iguais entre as
redes, além de alimentar eletricamente os dispositivos da rede PA.

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Características do Profibus PA
Substitui a comunicação 4-20mA em dispositivos de
automação de processo.
Baseado no protocolo DP-V1 com MBP a 31,25 kbps.
Dados e alimentação no mesmo cabo.
Pode compartilhar o mesmo Mestre classe 1 do Profibus
DP.
Adequado para áreas classificadas.
Topologia em barra ou estrela.
Até 31 dispositivos PA por link.
Máximo de 1900m por segmento.
Interface com Profibus DP por PA-LINK ou PA-
ACOPLADOR

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Configuração de Redes com Profibus PA
Banco de dados de Perfis de dispositivos
dispositivos (GSD) Os parâmetros podem ser
Informa ao mestre que divididos em:
parâmetros e qual o Valores de processo
formato dos dados dos
Sinais descritos no GSD acessados
dispositivos.
pelos mestres.
Fabricante e seu número de
identificação. Parâmetros de operação
Taxa de transmissão e (padrão)
parâmetros de rede. Acessados esporadicamente pelos
Número e formato dos dados a mestres.
serem trocados com o mestre.
O GSD deve ser carregado Parâmetros específicos
no mestre via um Acessados somente por um
mestre classe 2.
software de configuração.

1. Todo Mestre ou Escravo Profibus possui um arquivo texto em um
formato padrão (GSD), definido pela organização Profibus, que contêm
todos os dados do dispositivo como fabricante, versão de hardware,
taxas de transmissão, número e tipo de sinais de entrada e saída,
diagnósticos disponíveis e etc.
2. O passo inicial de configuração de uma rede faz uso destes arquivos
GSD (General Slave Data)
3. O Profibus PA padronizou os perfis de dispositivos onde são
especificados os dados disponíveis para comunicação, qual o tipo de
comunicação a ser usado (cíclico ou acíclico) e quem pode acessa-lo, o
mestre classe 1 ou 2.

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Perfil de um Transmissor de Pressão

Estado do dispositivo Serviço DP
ciclico e
Valor medido aciclico

Faixa de medição

Constante do Filtro

Perfil B
Limites de alarmes
Serviço DP
Resumo dos alarmes aciclico

TAG

Parâmetros específicos Serviço DP
do fabricante aciclico

1. A figura mostra um perfil de um transmissor de pressão.
2. São mostrados os dados que podem ser acessados ciclicamente e
aqueles que somente podem ser acessados aciclamente.

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Dispositivos para Redes Profibus PA
Modelados em Blocos
Bloco Físico (PB)
Fabricante, nome, numero de
série.
Bloco Transdutor (TB)
Processa o sinal não condicionado
do sensor.
Bloco Função (FB)
Bloco entrada analógica (AI).
Bloco saída analógica (AO).
Bloco entrada digital (DI).
Bloco saída digital (DO).

1. Uma rede Profibus PA pode assumir parcialmente as funções de
controle do processo.
2. Cada dispositivo da rede apresenta blocos com objetivos definidos.
Alguns dispositivos como transmissores ou válvulas de controle podem
ter blocos de controle.
3. O projeto da rede consiste em interligar os blocos dos diversos
dispositivos da rede determinando qual o caminho a ser percorrido pela
informação.

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Blocos do Transmissor de Pressão LD 303
Bloco Físico
Contêm os dados relativos a identificação do dispositivo, informação do hardware e
firmware do dispositivo e informações de diagnóstico.
Bloco Transdutor
Mede e calcula a pressão ou vazão em unidades de engenharia, efetua a
calibração e eventuais correções devido a temperatura.
Bloco Display
Controla o que vai ser visualizado no display local do instrumento.
Bloco Entrada Analógica
Escalona a informação do bloco transdutor, efetua linearização, filtragem e um
mecanismo de segurança na falha.
Bloco Totalizador
Integra a variável medida em função do tempo. Por exemplo calcular o volume a
partir de uma vazão.

1. LD 303 é o modelo de transmissor de pressão da SMAR com interface
de comunicação Profibus.

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ProfiNet
Não é Profibus encapsulado em TCP/IP.
Interface abstrata Orientada a Objetos
Comunicação entre objetos da rede
Descrição dos objetos usando XML
Uso de padrões internacionais
Ethernet
TCP/IP
XML
Microsoft COM/DCOM
IEEE 61131-3 FBD
Interface com Profibus via Proxy

1. Diferente do Modbus/TCP e Ethernet/IP o Profinet não é um simples
encapsulamento de um protocolo existente (Modbus e ControlNet)
usando Ethernet/TCP-IP.
2. A idéia básica do ProfiNet é a aplicação do modelo de programação
orientada a objetos já experimentada e testada no mundo do software
na tecnologia de automação.
3. Com este objetivo máquinas, plantas e suas partes são divididas em
módulos tecnológicos encapsulados em componentes ProfiNet com
uma estrutura de dados baseada no XML (eXtensible Markup
Language).
• Pode-se identificar o dispositivo com TAG FT101 como um
objeto da classe Transmissor de Vazão que tem definidos os
atributos PV (variável de processo), HL (limite alto), AStat
(estado de alarme), etc. Para usar o valor da vazão na rede, ele
dever ser identificado com FT101.PV.
4. Para a implementação deste modelo é usado o Microsoft Object
Model (COM) e sua expansão para sistemas distribuídos (DCOM).
• DCOM pode ser classificado como um protocolo de rede de alto
nível sendo usado em aplicações de pequena e grande escala
tornando possível invocar chamadas de métodos em programas
orientados a objeto rodando em dispositivos remotos.
5. O escopo do Profinet é ser usado em todas as operações onde o
Profibus é utilizado hoje, contanto que o ambiente físico seja adequado.
Para estas exceções é previsto um software chamado de proxy para
ser executado nos controladores de outros barramentos com o objetivo
de tornar os dados do sistema de controle transparentemente
disponíveis na Profinet.
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