Dimensionamento de rede Ethernet-APL
Numa rede Ethernet-APL com field switches alimentados localmente, o que se dimensiona é cada spur — comprimento pela categoria do cabo, compatibilidade entre as classes de potência da porta e do dispositivo e a tensão que chega ao dispositivo com o cabo quente —, as portas e o consumo de cada field switch e a carga cíclica de rede. Esta página mostra as contas e os limites do Ethernet-APL Engineering Guideline.
Quando usar
Ao projetar a rede de instrumentos PROFINET, EtherNet/IP ou HART-IP sobre Ethernet-APL, ao escolher o cabo dos spurs, ao dimensionar a fonte auxiliar dos armários de field switches e ao preparar o documento descritivo 2-WISE de uma instalação em área classificada.
O que se dimensiona numa rede Ethernet-APL
Na estrutura que o mercado vende hoje, a rede de controle chega em Ethernet industrial — cobre ou fibra — até field switches instalados em armário ou caixa de junção, alimentados por uma fonte local. De cada field switch sai um spur APL por dispositivo — medidor de vazão, transmissor de pressão diferencial ou medidor de nível por radar: um único par que leva dados a 10 Mbit/s e energia, a mesma ideia a dois fios de um segmento PROFIBUS PA, mas com Ethernet até o instrumento. O dimensionamento tem três partes: os spurs, os field switches e a carga de rede.
O spur: comprimento, classe e tensão
O comprimento máximo depende da categoria do cabo — até 200 m em cabo novo tipo A. Mas o spur também tem de entregar energia: a porta garante uma tensão mínima com a corrente máxima da classe, o cabo derruba I × R, e no dispositivo tem de sobrar a tensão mínima de operação. Na classe A essa folga é de apenas 0,6 V; com 55,56 mA, cabem cerca de 10,6 Ω de laço. É por isso que, com cabo fino e quente, o limite do spur é a tensão, e não os 200 m.
A classe de potência da porta tem de ser compatível com a do dispositivo: porta C alimenta dispositivos A e C, porta A só alimenta dispositivos A.
O field switch: portas e alimentação
Cada field switch tem um número fixo de portas, e vale deixar reserva. O consumo na fonte auxiliar é uma parcela fixa mais uma parcela por porta usada, maior nas portas classe C. Somar os switches de um armário dá a potência da fonte de 24 V; o alimentador que sai dessa fonte é um problema de dimensionamento de cabos CC por si só, e uma fonte que precisa se manter durante quedas de energia é sustentada por um banco de baterias. Do lado da sala de controle, os switches de Ethernet industrial e os distribuidores ópticos que alimentam os field switches vão para um rack 19”.
Área classificada
Com o 2-WISE, o spur é intrinsecamente seguro sem cálculo de parâmetros de entidade, desde que fonte, carga e auxiliares sejam 2-WISE e o cabo esteja dentro das faixas de resistência, indutância e capacitância. O nível de proteção do segmento é o da porta menos rigorosa, e a documentação exigida é um documento descritivo — o guideline traz um modelo na Tabela 10-1.
O que esta ferramenta não cobre
O trunk APL alimentado, em que o próprio trunk leva energia aos field switches, fica de fora: o Engineering Guideline v1.14 declara que não há esquema de cálculo publicado para ele e remete ao fabricante.
Fórmulas e fundamentos
U = U_PS(mín) − I_classe × R_laço,20 × [1 + α20 (θ − 20)] × L ≥ U_PL(mín) A porta-fonte garante U_PS(mín) com a corrente máxima da classe da carga; o cabo derruba I × R e no dispositivo tem de sobrar U_PL(mín). α20 = 3,93×10⁻³/K, θ é a temperatura máxima do cabo.
L_máx = [U_PS(mín) − U_PL(mín)] / [I_classe × R_laço(θ)] O comprimento em que a folga zera. O spur máximo final é o menor entre este valor e o limite da categoria do cabo (50 a 200 m).
P = P_fixa + P_porta × n_portas usadas Potência na fonte auxiliar. Nas fichas dos rail field switches FieldConnex, a parcela fixa fica perto de 10 W e cada porta classe A usada custa cerca de 1 W.
carga = n × (payload + 42 bytes) × 8 / (ciclo × taxa) Eq. 10-1/10-6 do guideline. Com o payload mínimo de 46 bytes, cada quadro tem 88 bytes. Abaixo de 20 %, nada a fazer; de 20 a 50 %, verificar; acima de 50 %, reduzir.
Normas e métodos
- Ethernet-APL Engineering Guideline v1.14 (FieldComm Group, ODVA, OPC Foundation, PI)
- Ethernet-APL Port Profile Specification — classes de potência
- IEEE 802.3cg (10BASE-T1L)
- IEC TS 60079-47 — 2-WISE
- IEC 60228 — resistência de condutores
Valores típicos de referência
| Grandeza | Faixa típica | Observação |
|---|---|---|
| Classe A — U_PS(mín) / I / U_PL(mín) | 9,6 V / 55,56 mA / 9,0 V | — |
| Classe C — U_PS(mín) / I / U_PL(mín) | 11,61 V / 95 mA / 10,6 V | — |
| Fonte → carga permitidas | A → A · C → A e C | — |
| Spur máximo por categoria de cabo | I 50 m · II 100 m · III 150 m · IV 200 m | — |
| Auxiliares / inserções no spur | até 2 / até 4 | — |
| Cabo 2-WISE | laço 15–150 Ω/km · 0,4–1 mH/km · 45–200 nF/km | spur de até 200 m, até 2 auxiliares |
| Cabo fieldbus tipo A (0,8 mm²) | laço ≈ 44 Ω/km | datasheet de fabricante |
Exemplo resolvido
Spur longo em cabo fino
Entradas
- Cabo
- 0,75 mm² (IEC 60228)
- Temperatura máxima do cabo
- 55 °C
- Porta e dispositivo
- classe A —
- Spur
- 200 m
Resultados
- Resistência de laço a 55 °C
- 11,15 Ω
- Tensão no dispositivo
- 8,98 V (mínimo 9,0 V)
- Spur máximo com 0,75 mm²
- 194 m
- Seção que atende
- 1 mm²
O spur de 200 m está dentro do limite da categoria IV, mas a tensão não fecha: chegam 8,98 V para um mínimo de 9,0 V. Há três saídas: encurtar para no máximo 193,7 m, subir para 1,0 mm² (os 200 m passam a entregar 9,14 V) ou usar um cabo cuja resistência de laço real, no datasheet, seja menor que o máximo da IEC 60228.
Erros comuns
- Olhar só o comprimento. 200 m é o limite da categoria IV, mas a tensão pode estourar antes: com 0,75 mm² a 55 °C, o spur de classe A para em 193,7 m.
- Calcular com o cabo frio. A resistência cresce cerca de 14 % entre 20 °C e 55 °C; o spur que passa no escritório reprova no pipe rack ao sol.
- Ligar dispositivo classe C em porta classe A. A porta A não garante a tensão nem a corrente de que ele precisa; a combinação é proibida pela Tabela 4-5.
- Dimensionar a fonte do armário pelo consumo nominal do switch vazio. Cada porta usada soma de 1 a 2 W; com 24 portas, a diferença passa de 20 W.
- Em área classificada, esquecer que o nível do segmento é o da porta menos rigorosa. Dispositivo Ex ia em porta Ex ic resulta num segmento Ex ic.
Perguntas frequentes
Qual o comprimento máximo de um spur Ethernet-APL?
Até 200 m em cabo de categoria IV, menos em categorias inferiores (50, 100 e 150 m). Mas o limite pode ser a tensão, e não o comprimento: com cabo fino e quente, o spur para antes dos 200 m.
Qual a diferença entre as classes A e C?
A classe C entrega mais potência ao dispositivo (11,61 V e 95 mA garantidos na porta, contra 9,6 V e 55,56 mA da classe A). Uma porta C alimenta dispositivos A e C; uma porta A só alimenta dispositivos A.
E o trunk APL alimentado?
O Engineering Guideline v1.14 declara que não há esquema de cálculo publicado para o trunk alimentado e remete ao fabricante. Esta ferramenta cobre a estrutura vendida hoje: Ethernet industrial até field switches com alimentação local.
A carga de rede APL costuma ser problema?
Raramente em aplicações de processo. Pelo exemplo do guideline, 50 sensores a 200 ms ocupam 1,76 % de um link de 10 Mbit/s. O que pesa é ciclo muito curto ou payload grande.
O que é o 2-WISE?
O conceito de segurança intrínseca da IEC TS 60079-47 para spurs Ethernet-APL. Com fonte, carga e auxiliares 2-WISE e cabo dentro das faixas de R, L e C, o spur é intrinsecamente seguro sem cálculo de parâmetros de entidade — basta o documento descritivo.
Glossário
- Spur
- Ligação ponto a ponto entre uma porta do field switch e um dispositivo de campo, com até 200 m.
- Field switch
- Switch de campo que converte Ethernet industrial em portas APL e alimenta os dispositivos pelos próprios spurs.
- Classe de potência
- Faixa de tensão e corrente que uma porta APL garante (fonte) ou exige (carga), como A e C.
- 2-WISE
- Conceito de segurança intrínseca da IEC TS 60079-47 para spurs Ethernet-APL.
- 10BASE-T1L
- Camada física IEEE 802.3cg — 10 Mbit/s full duplex num único par, até 1 000 m.