Fábio Tozeto Ramos, Engenheiro Mecatrônico e Gerente de Produto da Siemens Ltda.

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1 Artigos Técnicos Profibus: para todas as exigências Fábio Tozeto Ramos, Engenheiro Mecatrônico e Gerente de Produto da Siemens Ltda. No novo contexto da automação, os barramentos de campo são normalmente usados para a troca de informações entre sistemas centrais de automação e periferias distribuídas. Seus milhares de aplicações têm apresentado significativas reduções de custo em cabeamento, projeto e manutenção, chegando a 40% em relação à antiga tecnologia. Sendo o líder dos barramentos de campo no mundo, o Profibus tem uma grande aceitação. Sua gama de aplicações vai da indústria de manufatura a de processos, tendo uma variedade de mais de diferentes dispositivos com mais de aplicações de sucesso em todo o mundo. O desenvolvimento da tecnologia Profibus é feito por uma associação que reúne diversos fabricantes, usuários e instituições de pesquisa, com mais de 600 membros em todo mundo. Assim, é considerada a maior associação mundial entre os barramentos de campo. Características básicas A família Profibus consiste basicamente de três versões totalmente compatíveis entre si: Profibus-DP Otimizada para alta velocidade e baixo custo, esta versão é projetada para comunicação entre sistemas de controle automáticos e I/Os distribuídos. Pode ser utilizada para substituir qualquer sinal paralelo com 24Vdc ou 0 a 20 ma. Profibus-PA É projetada especialmente para a indústria de processos. Permite que sensores e atuadores sejam conectados em um único barramento mesmo em áreas intrinsecamente seguras, disponibilizando energia e dados no mesmo cabo. Profibus-FMS É uma solução de comunicação de propósito geral. Seus recursos possibilitam grande flexibilidade sendo utilizada em tarefas extensas e complexas de comunicação. A tecnologia Profibus distingue, entre dois dispositivos padrões, os mestres e os escravos. Os mestres determinam a comunicação dos dados na rede. Uma estação mestre pode enviar mensagens sem ter autorização quando detém o acesso para transmissão (método Token Passing). Mestres são chamados de estações ativas no protocolo Profibus. Os escravos são dispositivos periféricos. Os escravos típicos incluem dispositivos de entradas/saídas, válvulas, drives, câmeras e dispositivos de medição. Eles apenas se comunicam na rede, enviando e recebendo mensagens, quando autorizados pelo mestre. Os escravos também são chamados de dispositivos passivos. Como tais dispositivos

2 requerem uma pequena partição do protocolo, sua implementação é bastante econômica. As três versões do Profibus utilizam o mesmo protocolo de acesso. Nesse protocolo os dispositivos se comunicam através de um método denominado Token Passing (passagem de autorização) o qual assegura que apenas uma estação possa transmitir dados por vez. O protocolo Profibus foi estabelecido de forma a atender dois requisitos básicos: Durante a comunicação dos sistemas complexos (mestres), deve ser assegurado que cada uma dessas estações tenha tempo suficiente para realizar sua comunicação dentro de um intervalo de tempo preciso, previamente definido. Cíclico: a transmissão em tempo-real deve ser implementada o mais rápido e simples quanto possível para a comunicação entre os sistemas complexos (mestres) e seus dispositivos de I/O (escravos). Figura 1 Configuração com três estações mestres e sete escravos. Assim, o método Token Passing (passagem de autorização) garante que cada dispositivo mestre tenha acesso ao barramento durante um tempo suficiente para realizar toda sua comunicação com os escravos (figura 1). Quando a comunicação termina, uma mensagem especial é enviada ao próximo mestre que assume o comando da rede. Todo o processo se passa dentro de um tempo máximo previamente especificado. Por exemplo: com 1 ms a 12 Mbit/s, o Profibus consegue transmitir 512 bits de entrada e 512 bits de saída para cada uma de suas 32 estações. A figura 2 mostra o tempo de ciclo em função do número de escravos e da velocidade de transmissão. Figura 2 Tempo de ciclo para uma configuração Profibus-DP com um mestre.

3 Aplicações Dentre as várias utilizações do Profibus, são citados dois exemplos da indústria de processos que obtiveram grandes melhorias em sua produção. O primeiro refere-se à fábrica de engarrafamento da Johnny Walker, líder mundial em uísque escocês, localizada no centro de destilarias de Kilmarnock em Ayrshire, Escócia. Com um recente trabalho de modernização, a fábrica usa agora a comunicação em Profibus no controle da planta de filtragem. Nessa planta, o uísque é transportado pela tubulação do centro de mistura até um dos 11 tanques de redução e coloração. Lá é resfriado, filtrado e aquecido sendo então dirigido a outros 11 tanques de maturação. Finalmente é transportado a um dos 40 tanques de engarrafamento localizados a 500 metros de distância. Os I/Os convencionais abrangem 18 sensores de temperatura, 18 válvulas de controle, 6 chaves de pressão, 7 medidores de vazão, 7 válvulas de controle de fluxo e um contador de pulsos. A rede Profibus proposta contempla um total de 62 tanques, incluindo 292 válvulas de controle, 19 medidores de nível, 102 chaves de nível, 4 chaves de pressão, 22 botões e 44 lâmpadas. A área total coberta é de aproximadamente 1 km com os dados sendo transmitidos a 500 kb/s. No total, tem-se 74 nós em cinco segmentos Profibus abrangendo 900 entradas e 500 saídas. As vantagens da utilização do Profibus nessa planta incluem menores custos de produção, grande área de cobertura, possibilidade de ser instalada e configurada antes da antiga planta ser desligada e permitir a interface direta com estações de válvulas. A solução também permitiu uma significativa redução de espaço, possibilitando a utilização da antiga sala de CLPs para a instalação do sistema novo, antes do antigo ser removido. O segundo exemplo contempla a fábrica de engarrafamento da Coca- Cola. Desde 1886 quando o químico John S. Pemberton inventou um novo medicamento chamado Coca-Cola, seu consumo aumentou abruptamente chegando a 450 milhões de refrigerantes diários em mais de 185 países. A fim atender a essa demanda, a HM Interdrink & Co. KG busca sempre a excelência na produção, e instalou uma nova planta em Mannheim em 1993/94. Para essa nova planta, a HM Interdrink necessitava de um novo conceito de custo otimizado, confiabilidade e produtividade. No projeto escolhido, a tecnologia Profibus-DP foi utilizada para um rápido tráfego de dados e Profibus-FMS para comunicação assíncrona com grande volume de dados. Essas diferentes versões foram usadas em vários níveis de controle da linha de produção. No processo de produção, caixas de garrafas vazias usadas são transportadas ao longo de um classificador onde as garrafas são ordenadas em relação à idade e futuro conteúdo. Diversas estações

4 remotas coletam toda a informação necessária e as enviam ao CLP pela rede Profibus-DP. Em seguida são enviadas à má quina de lavagem onde um equipamento analisa os contaminantes dentro dos frascos usando medidores de condutividade controlados por laser, infravermelho e cor. A seqüência de banhos na máquina de lavagem assegura uma perfeita higienização das garrafas. A seção seguinte após a lavagem é controlada por um segundo CLP, que comanda a velocidade das garrafas no transportador a partir de inversores de freqüência diretamente conectados a rede Profibus-DP. Depois de serem limpos, os frascos são analisados por um sofisticado equipamento de visão associado a uma lâmpada estroboscópica que procura por deformações, manchas, trincas e outras imperfeições. As garrafas aprovadas são então encaminhadas ao principal setor da planta e ao determinante da velocidade de produção o setor de engarrafamento, que tem capacidade para engarrafar garrafas por hora. Isso é conseguido a partir de um carrossel com 154 estações de preenchimento, onde as garrafas são inicialmente preenchidas com gás carbônico para minimizar o tempo no processo. A equalização da pressão resultante assegura que o refrigerante seja introduzido na garrafa sem agitações. O controle de nível é realizado eletronicamente a partir da condutividade do produto. Cada garrafa é então rotulada com os dados de produção, colocada em caixas e enviada ao depósito. A alta qualidade da produção é garantida por uma eficiente unidade de aquisição de dados que, utilizando a rede Profibus, disponibiliza todas as informações de produção em um PC ao toque de um botão. Nesses seis anos de operação da planta, o Profibus tem-se mostrado uma excelente opção. A simples configuração, confiabilidade durante a produção, flexibilidade para ampliações e modificações, além das características adicionais de análise de falhas e evidentemente a alta relação custo/benefício, fizeram a HM Interdrink escolher o Profibus para suas novas unidades produtivas. Tendências tecnológicas Em uma época onde requisitos de produtividade e custos de produção mostram-se cada vez mais preocupantes, cresce o interesse por uma característica fundamental da planta industrial: a sua disponibilidade. Definida como razão entre o tempo em que a planta está disponível para produzir e o tempo total considerado na análise, a disponibilidade pode ser melhorada se reduzirmos tempos de ociosidade dispensados com manutenções e diagnósticos. Dotado de uma topologia e protocolo totalmente adaptados às funcionalidades de diagnóstico, o Profibus permite otimizar tempos de diagnóstico sem comprometer sua performance ou dificultar sua instalação. Utilizando mensagens de diagnóstico perfeitamente integradas ao protocolo, os usuários podem fazer um rápido diagnóstico sobre qual estação apresenta problemas de funcionamento. Isso acontece sem que as outras estações sejam afetadas pelo problema,

5 bastando que a estação problemática seja substituída por outra com o mesmo endereço de rede. Outros sistemas de grande interesse, principalmente na indústria de processos, são os que exigem segurança aumentada. A partir da utilização de perfis, que definem funções específicas para cada participante da rede, o Profibus apresenta o ProfiSafe para aplicações nessas áreas seguras. Sistemas que envolvam proteção de pessoal, parada de emergência ou segurança de instalações podem agora se integrar ao resto da planta com o ProfiSafe, desde que atendidos os prérequisitos de comunicação. Dessa forma, o Profibus mostra-se apto a atender qualquer tipo de exigência em aplicações industriais, sejam da indústria de manufatura ou de processos. A total integração dos sistemas de automação é agora uma realidade, trazendo enormes benefícios aos que dela se utilizarem.