Dimensionamento de rede PROFIBUS DP
Uma rede PROFIBUS DP é uma cadeia de segmentos RS-485 separados por elementos ativos — repetidores, hubs e módulos de enlace óptico. Cada segmento tem seu próprio orçamento de comprimento, derivação e estações, fixado pela taxa; a rede como um todo tem um espaço de endereços, um slot time que cresce a cada elemento ativo e a cada quilômetro de fibra, e um ciclo de barramento. Esta página mostra essas verificações e as tabelas por trás delas.
Quando usar
Ao escolher a taxa de uma rede DP, ao decidir onde entra um repetidor ou ProfiHub, quando uma estação precisa sair de uma peça em T em vez do tronco, ao dimensionar um enlace óptico entre prédios e ao ajustar o TTR e o watchdog na configuração do mestre.
O que se dimensiona numa rede DP
Uma rede PROFIBUS DP é descrita pelos seus segmentos. O primeiro sai do mestre e pode terminar num elemento ativo — repetidor, ProfiHub ou módulo de enlace óptico — de onde saem segmentos novos, cada um com seus terminadores. Cada segmento é verificado contra a taxa: comprimento total, capacitância das derivações e número de estações. A rede como um todo é verificada depois quanto a endereços, slot time, enlaces ópticos e ciclo de barramento. Ao contrário do DeviceNet, o par RS-485 não leva alimentação, então não há orçamento de queda de tensão; ao contrário do ControlNet, o comprimento é fixado pela taxa, e não pelo número de taps.
Comprimento e derivação dependem da taxa
Quanto maior a taxa, mais curto o segmento: 1200 m nas taxas baixas, 100 m de 3 Mbit/s para cima. As derivações contam nesse comprimento e têm ainda limite próprio em capacitância, que encolhe com a taxa até zerar acima de 1,5 Mbit/s. A ferramenta também varre as taxas e informa a maior em que o arranjo inteiro passa — só taxas efetivamente verificadas, nunca uma sem tabela.
Elementos ativos, cascata e slot time
Cada elemento ativo divide o barramento e deixa a rede crescer, mas custa tempo: a requisição e a resposta atravessam cada unidade do caminho e cada quilômetro de fibra. A ferramenta soma esses atrasos, compara com o slot time padrão do perfil e com a contagem de cascata publicada pelo fabricante e, nos enlaces ópticos, aplica também a fórmula da Siemens com os pisos dos módulos de 1300 nm. Cada enlace óptico tem o orçamento verificado — potência lançada, sensibilidade, atenuação da fibra, conectores e emendas — junto com o alcance mínimo e máximo da fibra. Hubs, OLMs e os distribuidores ópticos onde os enlaces terminam costumam dividir o mesmo armário; espaço e réguas de tomada são dimensionados no dimensionamento de rack 19”.
Endereços, ciclo e watchdog
Vaga de estação é limite local (32 por segmento); endereço é limite global (0 a 125, com 126 e 127 reservados), e duplicidade reprova a rede. Com os bytes cíclicos de cada escravo — I/O remoto, inversores, os módulos de comunicação das gavetas de CCM — a ferramenta calcula o ciclo de barramento, o TTR mínimo com 20 % de margem e as duas regras de watchdog em uso. Em anel óptico redundante confere também se há endereço livre abaixo do HSA e pelo menos 3 repetições.
O que esta ferramenta não cobre
Ela não configura o mestre: os parâmetros de barramento que calcula são conferências para comparar com o que a ferramenta de engenharia gera. Cabos que não sejam tipo A só entram pela capacitância declarada, e elementos ativos fora do catálogo precisam ter canais e atraso informados pela folha de dados. Os segmentos PA atrás de um acoplador DP/PA são dimensionados no dimensionamento de rede PROFIBUS PA, e as redes de instrumentos que dispensam o acoplador, no dimensionamento de rede Ethernet-APL.
Fórmulas e fundamentos
L_total = L_tronco + Σ L_derivação ≤ L_seg(taxa) O critério normativo; ultrapassá-lo reprova o segmento. O teto de tronco da SMAR (380 m a 500 kbit/s, 193,4 m a 1,5 Mbit/s…) reserva orçamento para as derivações e só gera alerta.
C_deriv = (Σ L_derivação × C'_cabo + n_conectores × C_conector) / 1000 ≤ C_max(taxa) [nF] A capacitância é o eixo primário; o limite em metros sai dela e muda com o cabo declarado (30 pF/m por padrão no tipo A). Derivação só existe onde a estação sai de uma peça em T — estações encadeadas pelo conector D-sub são tronco.
Tslot = maxTSDR + 2 × (Σ atraso_unidade + Σ L_fibra[km] × atraso_fibra) Cada elemento ativo no caminho e cada quilômetro de fibra atrasam a resposta (fibra: 5 ns/m). Com módulos OLM aplica-se também a verificação da Siemens Tslot = a + b·L_FO + c·N_OLM, e vale o maior. Passar do slot time padrão do perfil é alerta — a ferramenta de engenharia costuma elevá-lo; só reprova quando um Tslot configurado é declarado e não cobre o atraso.
Margem = (P_tx − sensibilidade) − (α × L + n_con × a_con + n_emenda × a_emenda) Abaixo de 3 dB o enlace gera alerta (reserva de envelhecimento); abaixo de 0 dB reprova. Enlace mais curto que o mínimo da fibra sobreexcita o receptor.
T_msg = 300 + 11 × bytes ; T_ciclo = T_token + T_GAP + Σ T_msg [tBit] Cada byte viaja como 11 bits; bytes são entrada mais saída do escravo. T_token = 216 tBit e T_GAP = 99 tBit + TSL. A estimativa (380 + n × 300 + bytes × 11) × tBit + 75 µs sai ao lado como conferência.
TTR_min = 1,20 × [n_mestres × (T_token + T_msg,maior) + Σ T_msg] ; WD = 6 × T_ciclo ou 10 × TTR × tBit Margem de 20 % para repetições. As duas regras de watchdog que circulam aparecem lado a lado; nenhuma é normativa.
Normas e métodos
- IEC 61158-2 / EN 50170 — comprimento de segmento RS-485 por taxa
- IEC 61158-2 Tabela 105 — capacitância de derivação
- SMAR, "Profibus-DP e Repetidores" — Tabelas 1 e 2 (segmento, tronco, derivação)
- Manual PROCENTEC ProfiHub B2FO2+R — atraso por unidade, maxTSDR, cascata
- Siemens SIMATIC NET OLM Operating Instructions 06/2022 — Tslot com fibra, alcance e potência
- M. Felser, PROFIBUS Manual — parâmetros de barramento, tempo de ciclo, TTR
Valores típicos de referência
| Grandeza | Faixa típica | Observação |
|---|---|---|
| Comprimento do segmento (cabo tipo A) | 1200 m ≤ 93,75 kbit/s · 1000 m a 187,5 · 400 m a 500 · 200 m a 1500 · 100 m de 3 a 12 Mbit/s | — |
| Capacitância total de derivação | 15 nF (9,6–19,2) · 3 nF (93,75) · 1 nF (187,5) · 0,6 nF (500) · 0,2 nF (1500) · 0 acima | com 30 pF/m → 500 / 100 / 33,3 / 20 / 6,7 m de derivação |
| Tronco recomendado (SMAR Tab. 2) | 500 m (9,6–19,2) · 900 m (93,75) · 967 m (187,5) · 380 m (500) · 193,4 m (1500) · 100 m acima | — |
| Estações por segmento | 32 | elemento ativo ocupa vaga dos dois lados |
| Endereços | 0–125 utilizáveis · 126 de fábrica · 127 broadcast | — |
| Slot time padrão (DP) | 100 tBit ≤ 187,5 · 200 a 500 · 300 a 1500 · 400 a 3 M · 600 a 6 M · 1000 a 12 Mbit/s | — |
| maxTSDR | 60 tBit ≤ 187,5 · 100 a 500 · 150 a 1500 · 250 a 3 M · 450 a 6 M · 800 a 12 Mbit/s | — |
| Dados cíclicos por escravo | 244 bytes de entrada e 244 de saída | — |
| Margem óptica | ≥ 3 dB | — |
Exemplo resolvido
Backbone com um ProfiHub e dois canais a 1,5 Mbit/s
Entradas
- Taxa / perfil
- 1500 / DP kbit/s
- Cabo
- tipo A, 30 pF/m
- Backbone — tronco
- 150 m
- Backbone — estações
- PLC-01 (classe 1, end. 2), HMI-01 (classe 2, end. 1), RIO-01/02 (32 entrada / 16 saída), FT-01 (10 entrada) —
- Derivação do FT-01 por peça em T
- 3 m
- Elemento ativo no fim do backbone
- ProfiHub B4+ (HUB-01) —
- Canal 1 — VFD-01…04 (4 entrada / 4 saída)
- 120 m
- Canal 2 — MCC-01…03 (8 entrada / 4 saída)
- 80 m
Resultados
- Comprimento do backbone (150 + 3)
- 153 m de 200
- Tronco do backbone
- 150 m de 193,4 recomendados
- Capacitância de derivação
- 0,09 nF de 0,2 (≈ 6,7 m)
- Estações backbone / canal 1 / canal 2
- 6 / 5 / 4 de 32
- Slot time exigido (150 + 2 × 4)
- 158 tBit (padrão 300)
- Ciclo de barramento (10 escravos, 174 bytes)
- 3,69 ms (estimativa 3,60)
- TTR mínimo com 20 % de margem
- 8402 tBit (5,60 ms)
- Watchdog sugerido
- 22,1 a 56,0 ms
- Maior taxa viável
- 1500 kbit/s
A rede passa a 1,5 Mbit/s com todos os segmentos dentro do orçamento: o backbone usa 153 de 200 m, a derivação de 3 m consome 0,09 dos 0,2 nF admitidos e um hub soma só 8 tBit a um slot time que tem 300. A ferramenta também mostra que 1,5 Mbit/s é o teto deste arranjo: a 12 Mbit/s o backbone reprova (153 m contra 100 m) e a derivação do FT-01 passa a ser proibida. Descer para 500 kbit/s também passaria, mas o ciclo e o watchdog praticamente triplicam (65 a 168 ms).
Erros comuns
- Contar só o tronco. O limite do segmento é tronco mais derivações: a 12 Mbit/s, um tronco de 150 m com uma derivação de 3 m reprova duas vezes — 153 m contra 100 m, e derivação onde nenhuma é permitida.
- Pendurar estação em derivação de 3 a 12 Mbit/s. Acima de 1,5 Mbit/s a capacitância de derivação admitida é zero; a estação entra direto no tronco pelo conector, ou num canal de hub, que é segmento e não derivação.
- Ramificar o barramento num ponto passivo. Só elemento ativo pode ter mais de um filho de tronco; ramificação numa peça em T ou numa estação reprova a rede.
- Esquecer que o repetidor conta nos dois segmentos. Ele ocupa vaga de estação na entrada e em cada canal que abre.
- Cascatear hubs sem olhar o tempo. Cada unidade soma atraso nos dois sentidos; passado o slot time padrão o mestre desiste de esperar a resposta, e passada a contagem publicada pelo fabricante a cascata não é garantida.
- Achar que rede sem mestre classe 1 está boa porque a camada física passa. Sem mestre varrendo os escravos não há troca cíclica, e a rede reprova.
Perguntas frequentes
Qual a distância máxima de um cabo PROFIBUS DP?
Em cabo tipo A, 1200 m por segmento até 93,75 kbit/s, 1000 m a 187,5 kbit/s, 400 m a 500 kbit/s, 200 m a 1,5 Mbit/s e 100 m de 3 a 12 Mbit/s — tronco mais derivações. Redes maiores se fazem somando segmentos com repetidores ou hubs, ou vencendo a distância em fibra.
PROFIBUS DP admite derivação?
Até 1,5 Mbit/s, limitada pela capacitância total (0,2 nF a 1,5 Mbit/s, cerca de 6,7 m de cabo tipo A no segmento inteiro). Acima disso é proibida. Canal de hub não é derivação: é um segmento terminado próprio, e é por isso que um projeto a 12 Mbit/s com hub fecha.
Quantos repetidores ou hubs posso cascatear?
O que limita a cascata é tempo. A ferramenta soma o atraso de cada unidade do caminho e da fibra, dobra (pergunta e resposta) e soma o maxTSDR para obter o slot time exigido. Aplica também a contagem publicada pelo fabricante do hub para parâmetros de barramento padrão; furar qualquer um dos dois reprova a rede, salvo quando o projetista elevou o slot time — aí vale a fórmula.
Como a ferramenta calcula o tempo de ciclo DP?
Por escravo, uma pergunta e uma resposta com 300 tBit de estrutura mais 11 bits por byte cíclico; o ciclo soma o token e a manutenção de GAP com o slot time inteiro. A fórmula de estimativa publicada sai ao lado e a divergência entre as duas é informada.
E a 45,45 kbit/s?
Essa taxa não tem tabela publicada de derivação, tronco nem slot time nas fontes adotadas. A derivação é confrontada com a taxa vizinha mais lenta como teto superior; o que não pode ser verificado sai como não avaliado, nunca como aprovado, e a taxa nunca é sugerida como "maior taxa viável".
Glossário
- Segmento
- Trecho de barramento RS-485 entre dois terminadores, com orçamento próprio de comprimento, derivação e estações.
- Elemento ativo
- Repetidor, hub ou módulo de enlace óptico que regenera o sinal e abre segmentos novos; soma atraso ao slot time.
- Derivação (spur)
- Ramal de uma peça em T até uma estação; estações encadeadas pelo conector D-sub são tronco, não derivação.
- Slot time (TSL)
- Tempo que o mestre espera pela resposta de um escravo antes de dá-lo como ausente; precisa cobrir o maxTSDR mais o atraso de ida e volta do caminho.
- TTR
- Target token rotation time — orçamento de tempo para uma volta do token por todos os mestres.
- HSA
- Highest station address — o mestre só procura estações novas até este endereço.