Redes Industriais - Profibus DP - A prática

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Um pouco de opinião pessoal

Olá pessoal!

Mais uma vez quero agradecer a todos os que tem comentado, divulgado e apoiado este blog. Outro dia encontrei com uma pessoa que está fazendo engenharia de controle e automação que me disse algo que me marcou... ele e os seus colegas acham que eu sou uma pessoa que sobreviveu a um curso de Engenharia e voltou para contar a história...
ri um pouco mas concluí que realmente é isso!
Geralmente os alunos de cursos de engenharia tem contato com professores que, em muitos casos, não possuem vivência de campo, ou a possuem de forma limitada (não é regra, eu mesmo tive dois professores com muita experiência em suas áreas de atuação)...
Eu analiso as coisas da seguinte forma: um indivíduo que quer ser professor em um curso superior tem que se dedicar muito aos estudos... graduação, especialização, mestrado, doutorado, pós doutorado, etc... e isso acaba por minar grande parte do aprendizado de campo. Os que trilham este caminho acabam por vezes ficando em evidência, pois precisam constantemente publicar artigos e livros para manter os títulos.
Por outro lado, o estudante que quer ser um profissional, às vezes enfrenta a pressão do mercado para seguir o mesmo caminho (especialização, mestrado, doutorado...), mas em alguns casos vai por esse caminho "levado pela correnteza", ou seja, faz, porque é obrigado a fazer e não exatamente porque quer fazer. Os que trilham este caminho mais profissional, geralmente caem no esquecimento do mundo acadêmico, embora o conhecimento que muitas vezes ele obtém, faria dele um grande mestre.
Mas como disse Paulo Freire: "Não há saber mais ou saber menos. Há saberes diferentes."
Assim, opiniões pessoais à parte, aqui estou eu, atestando que sobrevivi a esta difícil jornada e que voltei para contar os frutos que colhi plantando as sementes do meu pequeno saber nas férteis terras da Automação Industrial (acho que isso ficou  muito filosófico....)

Sobre este post

Primeiramente, quero agradecer à TecWise Sistemas de Automação, empresa onde trabalho, por ceder os equipamentos para viabilizar a construção deste post. Parabéns a esta empresa, que trabalha com tecnologia de ponta na área de Automação Industrial e apóia muito este tipo de iniciativa. Muito obrigado!
Este é um post que me deu trabalho! Mas, como tudo o que dá trabalho, o resultado é, muitas vezes, surpreendente.
Este post apresenta uma aplicação prática de redes Profibus DP a partir de uma plataforma de testes montada em laboratório para fins de demonstração. Vamos lá...

Objetivo

Este post tem o objetivo de demonstrar uma aplicação de redes Profibus DP, no que diz respeito à implementação, testes e possibilidades.

Equipamentos e softwares utilizados

Para atingir o objetivo proposto, foram utilizados os seguintes equipamentos e softwares:

• 01 (um) Notebook DELL Latitude com S.O. Windows XP Pro e os softwares:
• FST 4.10 - Software de programação dos PLCs Festo IPC e FEC. Uma versão demo está disponível na seção de Downloads do site da Festo.
  
• SYCON - Software para configuração de diversos tipos de rede industrial, incluindo Profibus DP. Este software é desenvolvido pela Hilscher e existe um link para download no site.
• 01 (um) PLC Festo IPC com os seguintes cartões:
• CPU HC20F
• Módulo de comunicação Ethernet TCP/IP
  
• Placa Profibus DP Master - CP61
• 01 (uma) Remota de I/O Murr Elektronik, série MBM (Descontinuada) com um módulo com 4 entradas analógicas. (Atualmente a Murr dispõe de remotas de IO IP 67, veja neste link.)
• 01 (um) Terminal de válvulas pneumáticas FESTO CPV, com interface Profibus DP.
• 01 (uma) Fonte de alimentação Mean-Well (comercializada no Brasil pela Metaltex), tensão de saída 24VCC, 50W.

A Figura 1 mostra a arquitetura da plataforma utilizada nos testes e a Figura 2 mostra uma foto dos equipamentos montados em bancada. Uma informação relevante é que nas Figuras 1 e 2 não está representada a fonte de alimentação utilizada.

Figura 1 - Arquitetura da plataforma de testes

Figura 2 - Visão geral dos equipamentos em bancada.

Procedimentos

Configuração do PLC FESTO

Em primeiro lugar, foi criada uma nova aplicação no PLC Festo e foi realizada a configuração das placas Profibus DP e rede Ethernet TCP/IP. Esta última não é requerida para que a rede Profibus funcione, foi configurada apenas para facilitar a monitoração das entradas e saídas da rede Profibus.

A Figura 3 mostra a tela do software FST onde foi configurada a placa de rede Profibus DP. Na verdade, nesta tela apenas informamos ao PLC que existe uma placa Profibus DP e informamos que as entradas e saídas da placa vão usar um conjunto de Entradas e Saídas (no caso do PLC Festo, IWs ou Input Words, OWs ou Output Words, palavras de 16 bits de entrada e saída). Isto significa dizer que uma entrada discreta (digital) de algum módulo da rede Profibus corresponderá a um bit de entrada (por exemplo, I 0.4, significando Input Word 0, bit 4) e que uma saída discreta (digital) também de algum outro módulo da rede corresponderá a um bit de saída (por exemplo, O 0.9, significando Output Word 0, bit 9). No caso de entradas e saídas analógicas, são alocados 16 bits para as mesmas, ou seja, uma entrada analógica poderia ser, por exemplo, a IW 1 (Input Word 1) e uma saída analógica poderia ser a OW 1 (Output Word 1).

Figura 3 - Configuração da placa Profibus DP no PLC Festo.

Vale a pena ressaltar que os operandos para se referenciar entradas e saídas digitais e analógicas aqui mencionados são exclusivamente do PLC Festo, embora a Siemens adote nomenclatura semelhante, modificando apenas no caso de saídas que seria Q e não O (se o software for em Inglês, porque se for em Alemão, entradas seriam representadas por E (do alemão Eingang) e as saídas por A (de Ausgang)).

A Figura 4 mostra a tela de configuração da placa Ethernet TCP/IP. Neste caso a configuração é similar a uma placa de rede de um computador, sendo necessário configurar no mínimo, o endereço IP (IP Address) e máscara de subrede (Subnet Mask). 

Figura 4 - Configuração da placa Ethernet TCP/IP do PLC Festo

Configuração da rede Profibus DP

Para efetuar a configuração da rede Profibus DP foi utilizado o software Sycon System Configurator. Este software não é exclusivo da Festo e pode ser utilizado para configurar alguma outra placa Profibus Master de outro fabricante. Na verdade, praticamente todos os softwares de configuração Profibus do mercado são genéricos, podendo inclusive estarem integrados dentro de uma outra aplicação de programação do PLC, dando a idéia de que a ferramenta para configuração do PLC é única (e na verdade é, porém com módulos ja prontos compilados junto com o programa principal).

A primeira ação foi criar uma nova rede Profibus (o Sycon pode ser utilizado para configurar outros tipos de rede) e importar todos os GSDs (Generic Station Description) de todos os dispositivos que participariam da rede. É importante frisar que em qualquer ferramenta utilizada esta ação é realizada uma única vez, a partir da qual o arquivo fará parte do banco de dados local do software e só será apagado se o arquivo for removido ou o computador formatado.

No Sycon, para importar um GSD, basta acessar o menu File>Copy GSD e indicar a localização do arquivo.

Em seguida, foi inserido o mestre e os escravos na rede. A Figura 5 mostra a tela exibida após selecionar a função de inserir um mestre. A única configuração necessária a princípio é o endereço do mestre e uma descrição que será usada no software para identificar o dispositivo. Esta tela é similar para os escravos, que é mostrada na Figura 6. O que diferencia é que ela é preparada para filtrar todos os escravos por Fabricante, por exemplo, uma vez que espera-se que a base de dados de escravos seja muito maior do que a dos mestres. 

Figura 5 - Inserção de um Mestre Profibus DP.

Figura 6 - Inserção de um Slave Profibus DP.

O endereço do Mestre é definido via Software enquanto que o endereço dos escravos geralmente é definido no próprio escravo fisicamente. As Figuras 7 e 8 mostram a definição física do endereçamento do módulo Murr e do Terminal CPV.

Figura 7 - Vista das chaves de configuração do endereçamento do módulo Murr

(Círculos ao lado do conector da rede)

Figura 8 - Configurações de endereçamento do terminal CPV 

(conjunto de Dipswithces removível).

Após a inserção dos escravos, o próximo passo é a configuração dos mesmos. No nosso exemplo, o módulo Murr possui uma "cabeça" de comunicação e a ela podem ser interligados módulos de entrada ou saída de acordo com a necessidade. Quando inserimos este módulo na configuração da rede, estamos, na verdade, inserindo apenas a "cabeça" de comunicação e será necessário especificar em seguinda, quais são os módulos interligados ao módulo principal. Assim, todos os dispositivos precisam ser configurados para indicar que tipo de dados ou tipos de entradas/saídas serão utilizadas. A Figura 9 mostra o exemplo de configuração do módulo Murr utilizado. A Tabela realçada em vermelho mostra os módulos disponíveis e a realçada em verde mostra os módulos inseridos, sendo que estes últimos deverão estar conforme (inclusive na ordem de instalação) os módulos instalados fisicamente.

Figura 9 - Configuração de um escravo Profibus (Módulo Murr)

Após finalizada a configuração dos dispositivos, pode ser definida a velocidade da rede através do menu Settings>Bus parameter. No caso, a rede foi configurada para operar a 1,5Mbps.

Por fim, a configuração deve ser descarregada no módulo através de uma porta serial, utilizada também para diagnósticos. A Figura 10 mostra o PLC Festo utilizado neste exemplo. O primeiro módulo de baixo para cima é a CPU do PLC, o segundo módulo é o cartão Profibus. Observe a existência do conector "DIAGNOSE" que é por onde se faz o download da configuração, bem como a monitoração do status dos dispositivos da rede. O terceiro módulo de baixo para cima é um cartão de rede Ethernet e o último cartão é um cartão de entradas e saídas digitais, não utilizado neste exemplo.

Figura 10 - Vista do PLC Festo e da placa Profibus DP (com conector).

A Figura 11 mostra como ficou desenhada a rede Profibus DP no software Sycon.

Figura 11 - Desenho da rede Profibus DP - Sycon

Monitoração do Status da rede

Todos os dispositivos Profibus geralmente possuem LEDs que indicam o Status do dispositivo e da própria rede, sendo possível diagnosticar se há algum problema com a configuração da rede ou com o dispositivo em si. Contudo, para facilitar a manutenção, é possível diagnosticar a rede ou dispositivos da rede através do software de configuração. A Figura 12 mostra a monitoração da rede e a verificação de que o escravo 2 (Módulo Murr) está exibindo uma informação de diagnóstico.

Figura 12 - Monitoração da rede e informação de diagnóstico no módulo Murr.

Para verificar mais especificamente o que está ocorrendo, basta dar um duplo clique sobre o escravo e aparecerá a tela mostrada na Figura 13. Esta tela mostra que existem informações de diagnóstico extendido, ou seja, não são diagnósticos específicos da rede Profibus, mas sim, algo relacionado a situações particulares do equipamento em questão.

Figura 13 - Detalhes do diagnóstico do dispositivo escravo (Módulo Murr)

Entretanto, mesmo sendo um diagnóstico específico do equipamento, em seu arquivo GSD existem informações que poderão nos levar ao diagnóstico do problema, pois cada escravo enviará para o mestre da rede um código de diagnóstico e este código está associado a uma mensagem dentro do arquivo GSD e poderá ser interpretado e exibido pelo software. Clicando no botão Ext. Diagnostic, mostrado na tela da Figura 13, será mostrada a tela exibida na Figura 14, que mostra exatamente que o diagnóstico refere-se a uma subtensão ou falta de alguma alimentação, que está gerando uma falha no módulo de entradas analógicas. Neste caso, o cartão de entradas analógicas do módulo Murr precisa de uma alimentação externa e, propositalmente, a mesma não foi ligada para gerar este diagnóstico.

Figura 14 - Diagnóstico estendido do Módulo Murr na rede Profibus DP

Após ligada a alimentação necessária no módulo de entradas analógicas, o status de Diagnóstico desaparece no dispositivo, conforme mostra a Figura 15.

Figura 15 - Diagnóstico OK do Módulo Murr na rede Profibus DP

Acionamento de saídas através do PLC

Conforme mostrado na Figura 3, as entradas a partir da IW0 e as saídas a partir da OW0 são áreas de memória relacionadas com a rede Profibus DP. Como configuramos um Dispositivo com 4 entradas analógicas, as mesmas estarão presentes na IW0 (Entrada analógica 1), IW1 (Entrada analógica 2), IW2 (Entrada analógica 3) e IW3 (Entrada analógica 4). E como foi configurado um dispositivo com 16 saídas digitais (correspondente no caso a 16 válvulas pneumáticas) a OW0 (que corresponde à O 0.0 a O 0.15) será a palavra de saída utilizada pela rede Profibus DP para acionamento das saídas.

Assim, para teste, através do software FST, foram acionadas algumas saídas digitais dentro da palavra OW0, conforme mostrado na Figura 16. Durante este acionamento, foram verificados os acionamentos das válvulas correspondentes, conforme mostrado na Figura 17, confirmando o funcionamento da rede Profibus DP.

Figura 16 - Acionamento de bits da OW0 correspondentes às Válvulas na rede Profibus DP.

Figura 17 - Visualização física do acionamento das válvulas via rede Profibus DP.

Conclusão

Através dos itens expostos neste post foi possível demonstrar que a concepção e implementação de uma rede Profibus DP não é algo tão complexo. Também foi possível visualizar as possibilidades de diagnósticos, que é um ponto muito importante, pois esta facilidade permite maior agilidade para a manutenção o que possibilita maior disponibilidade do sistema/equipamento e, portanto, menores perdas de produção.
Reforço mais uma vez que estou completamente aberto a sugestões, comentários e, principalmente, gostaria de saber se este post foi útil para você.
Mais uma vez, obrigado pela atenção e até a próxima...