Dimensionamento de rede PROFIBUS PA
Um segmento PROFIBUS PA é uma fonte só, dividida por todos os instrumentos pendurados nele: a corrente do acoplador, a tensão que sobra no borne mais distante e o comprimento total de cabo saem do mesmo orçamento. Esta página mostra como o segmento é verificado — corrente com folga, queda de tensão trecho a trecho, comprimento por tipo de cabo, limite de spur pelo número de derivações, FISCO em área classificada, bytes cíclicos e tempo de ciclo — com os limites da IEC 61158-2.
Quando usar
Ao distribuir os instrumentos de campo pelas portas do acoplador DP/PA, ao decidir onde ficam as caixas de junção ao longo do tronco, ao conferir se um segmento com posicionadores ainda deixa 9 V no instrumento mais distante e ao checar uma fonte FISCO contra a zona e o grupo de gás da área.
O que se dimensiona num segmento PA
Um segmento PROFIBUS PA começa numa porta do acoplador ou link, segue como tronco pelas caixas de junção e chega a cada instrumento por um spur — os medidores de vazão eletromagnéticos, os transmissores de pressão diferencial, os medidores de nível por radar e os transmissores de temperatura montados em termopoços. O mesmo par leva dados e alimentação, então cada instrumento novo consome corrente, soma queda de tensão e acrescenta cabo ao comprimento total. Dimensionar é conferir que esse orçamento único fecha em todos os eixos ao mesmo tempo: corrente, tensão, comprimento, spurs, atenuação, dados e tempo.
Corrente e tensão: o mesmo orçamento
A corrente do segmento é a soma das correntes quiescentes mais uma folga fixa de 20 mA e a corrente de FDE, e precisa ficar abaixo da saída do acoplador. A tensão é então acompanhada trecho a trecho a partir do acoplador: cada lance de tronco perde I × R × L com a corrente do que está a jusante dele, e cada spur perde a corrente do próprio instrumento. O instrumento mais distante precisa manter pelo menos 9,0 V — ou o mínimo que a folha de dados pede, normalmente maior em posicionadores e analisadores. Acima do teto MBP de 32 V o segmento sai como não avaliado, e não como aprovado.
Comprimento, spurs e topologia
Tronco e spurs contam contra a extensão máxima do tipo de cabo; com cabos mistos, somam-se as frações. Use os comprimentos reais do encaminhamento nos leitos de cabos, e não a distância em linha reta. O limite de spur cai conforme cresce o número de derivações, e com segurança intrínseca a coluna é mais restritiva. O barramento tem duas pontas: o terminador integrado ao acoplador e o da caixa de junção que fecha o tronco. Um tronco que se ramifica tem mais pontas que terminadores, e a ferramenta acusa isso.
Área classificada e FISCO
O nível de proteção segue a zona: zona 0 pede ia, zona 1 pede ib e zona 2 admite ic. Com isso e o grupo de gás, a ferramenta lê o teto de Io nas tabelas FISCO e confere Uo, Po e o limite de 1000 m. Um segmento declarado em zona classificada sem segurança intrínseca reprova, qualquer que seja a fonte.
O que esta ferramenta não cobre
Ela verifica a fonte FISCO, não os instrumentos: Ii, Pi, Ci e Li de cada equipamento e os valores do terminador ainda precisam ser confirmados contra os certificados. Cálculo pelo conceito de entidade, FNICO e troncos de alta potência com barreiras ficam fora do modelo. O lado DP do acoplador — espaço de endereços do mestre, parâmetros de barramento e ciclo DP — é verificado no dimensionamento de rede PROFIBUS DP, e o espaço para acopladores, fontes e switches na sala de controle, no dimensionamento de rack 19”. Para redes novas de instrumentos que levam Ethernet até o dispositivo, o sucessor a um par do segmento PA é verificado no dimensionamento de rede Ethernet-APL.
Fórmulas e fundamentos
I_seg = Σ I_b + I_folga + I_FDE ≤ I_acoplador Σ I_b é a corrente quiescente dos instrumentos — 15 mA para 2 fios alimentado pelo barramento e 10 mA com alimentação externa, quando o valor da folha de dados não é informado. A folga é absoluta, 20 mA (expansão ou troca de fabricante), e a corrente de falha (FDE) é 0 mA salvo indicação do fabricante. Margem abaixo de 10 % da corrente do acoplador gera alerta.
ΔV = I_jusante × R_laço × L ; V_nó = V_pai − ΔV Aplicada do acoplador para fora ao longo da árvore (tronco → caixa de junção → spur). Cada instrumento tem sua tensão mínima de borne, 9,0 V por padrão; 10,5 V é a folga recomendada.
V_conservadora = V_acoplador − Σ I_b × R_laço × L_total A fórmula de manual, que atribui a corrente inteira ao comprimento inteiro. Sempre superestima a queda e aparece ao lado como conferência para usar enquanto a topologia ainda não está definida.
Σ (L_x / L_max,x) ≤ 1 Tronco mais todos os spurs, por tipo de cabo. L_max é 1900 m para o tipo A, 1200 m para o B, 400 m para o C e 200 m para o D; segurança intrínseca (FISCO) limita o segmento a 1000 m, e a zona 0 também.
A = (L_spur × 0,15 nF/m + C_d) × 0,035 dB/nF ≤ 14 dB Capacitância do cabo do spur somada à do equipamento, convertida em atenuação. Acima de 12 dB o spur gera alerta; acima de 14 dB reprova.
Tc = 10 ms × N + 10 ms + 1,3 ms × teto(bytes / 5) N instrumentos, 10 ms de serviços acíclicos classe 2 e 1,3 ms por conjunto de 5 bytes cíclicos (entrada mais saída). Cada variável cíclica custa 5 bytes.
Normas e métodos
- IEC 61158-2 — camada física MBP (cabos A a D, Tabela 5 de spurs)
- PROFIBUS Design Guideline, PI Order No. 8.012 v1.27 — comprimento do segmento FISCO
- ABNT NBR IEC 60079-11, Anexo E — limites da fonte FISCO (Tabelas E.1 e E.2)
- IEC 60079-14 — seleção de equipamento por EPL (zona → ia / ib / ic)
- IEC 60079-25 — sistemas intrinsecamente seguros
Valores típicos de referência
| Grandeza | Faixa típica | Observação |
|---|---|---|
| Cabo A / B / C / D — resistência de laço | 44 / 112 / 264 / 40 Ω/km | 0,8 / 0,32 / 0,13 / 1,25 mm² |
| Cabo A / B / C / D — extensão máxima do segmento | 1900 / 1200 / 400 / 200 m | tronco + todos os spurs; 1000 m com FISCO ou em zona 0 |
| Limite de spur, sem SI | 120 m (≤ 12 spurs) · 90 m (13–14) · 60 m (15–18) · 30 m (19–24) | com 25 spurs ou mais o spur praticamente desaparece (1 m) |
| Limite de spur, segurança intrínseca | 60 m (≤ 18 spurs) · 30 m (19–24) | — |
| Corrente quiescente do instrumento (sem dado) | 15 mA pelo barramento · 10 mA com alimentação externa | — |
| Tensão no borne | 9,0 V de piso · 10,5 V recomendado · 32 V de teto MBP | — |
| Fonte FISCO, zonas 0 e 1 (ia/ib) | Uo ≤ 17,5 V · Po ≤ 5,32 W · Io ≤ 75 mA (IIC) / 213 mA (IIB) a 17,5 V | NBR IEC 60079-11 Tab. E.1; 183 / 380 mA a 14 V |
| Fonte FISCO, zona 2 (ic) | Uo ≤ 17,5 V · Io ≤ 112 mA (IIC) / 319 mA (IIB) a 17,5 V | Tab. E.2, potência não restritiva |
| Dados cíclicos | 5 bytes por variável · 244 bytes de entrada e 244 de saída | — |
Exemplo resolvido
Duas caixas de junção, 12 instrumentos, área não classificada
Entradas
- Saída do acoplador
- 19 / 400 V / mA
- Cabo
- tipo A 44 Ω/km
- Tronco CP-01 → JB-01 → JB-02
- 350 + 300 m
- Spurs da JB-01 (FT-01, FT-02, PT-01, PT-02, LT-01, TT-01)
- 25, 25, 15, 15, 30, 20 m
- Spurs da JB-02 (TT-02, PT-03, FV-01, FV-02, LT-02, TT-03)
- 20, 20, 40, 40, 35, 60 m
- Consumo
- 15 (posicionadores FV-01/02: 13) mA
- Variáveis cíclicas
- 1 cada (FT: 2 de entrada; FV: 1 entrada + 1 saída) —
Resultados
- Corrente do segmento (176 + 20 de folga)
- 196 mA de 400
- Tensão na JB-01 / JB-02
- 16,29 / 15,15 V
- Borne mais distante (TT-03)
- 15,11 V (piso 9,0)
- Conferência pela fórmula fechada
- 11,29 V
- Comprimento total (650 de tronco + 345 de spurs)
- 995 m de 1900
- Maior spur
- 60 m de 120 (12 spurs)
- Maior atenuação de spur
- 0,32 dB
- Bytes cíclicos entrada / saída
- 70 / 10 bytes
- Tempo de ciclo
- 150,8 ms
O segmento fecha com folga: 204 mA de margem de corrente, 15,11 V no instrumento mais distante e metade do comprimento permitido para o cabo tipo A. Até a fórmula fechada, conservadora, fica acima de 10,5 V. O que limita este segmento é o tempo, não a energia: 12 instrumentos e 16 conjuntos de bytes dão cerca de 151 ms de ciclo. Se a FV-01 fecha uma malha de vazão que precisa ser mais rápida, é o ciclo que justifica dividir os instrumentos em outra porta do acoplador.
Erros comuns
- Aplicar a fórmula fechada a um projeto pronto. Cobrar a corrente inteira pelo comprimento inteiro condena segmentos que fecham com folga: no exemplo abaixo ela dá 11,29 V onde o cálculo por trecho dá 15,11 V.
- Ler o limite de spur pelo número de instrumentos. A Tabela 5 da IEC 61158-2 conta derivações: com 13 spurs o limite cai de 120 m para 90 m, e com 25 o spur praticamente desaparece.
- Deixar o acoplador no padrão não-Ex dentro de área classificada. Uma saída de 19 V / 400 mA entrega 7,6 W, acima do teto FISCO de 5,32 W das zonas 0 e 1, e os 400 mA passam da Io admitida em qualquer tensão tabelada.
- Ramificar o tronco. O segmento PA é um barramento com duas pontas e dois terminadores; duas caixas de junção penduradas no mesmo ponto criam uma terceira ponta que nenhum terminador fecha.
- Dimensionar só a energia e esquecer o tempo. Cada instrumento soma cerca de 10 ms ao ciclo; um segmento com 12 equipamentos fica em torno de 150 ms, lento demais para uma malha de vazão rápida.
Perguntas frequentes
Quantos instrumentos cabem num segmento PROFIBUS PA?
Não há número fixo — é um orçamento de corrente e tensão. Com instrumentos de 15 mA, acoplador de 400 mA e 20 mA de folga, a corrente permite até 25; a tensão no borne mais distante, o limite de spur (que cai conforme cresce o número de derivações) e o tempo de ciclo costumam limitar antes. Em área classificada, o teto de corrente FISCO corta o número bem mais.
Por que a tensão por trecho difere da fórmula de manual?
A fórmula fechada multiplica a corrente total do segmento pelo comprimento total do cabo, como se todos os instrumentos estivessem na ponta da linha. Por trecho, cada lance carrega só a corrente do que está a jusante dele. A primeira é uma conferência segura de pré-projeto; a segunda é a tensão real depois que a topologia está desenhada.
Qual o comprimento máximo de spur em PROFIBUS PA?
Depende de quantas derivações o segmento tem (IEC 61158-2, Tabela 5): 120 m até 12 spurs, 90 m com 13–14, 60 m com 15–18 e 30 m com 19–24, fora de segurança intrínseca. Com segurança intrínseca o limite é 60 m até 18 spurs e 30 m até 24.
O que a ferramenta verifica no FISCO?
Em zona classificada sem segurança intrínseca o segmento reprova. Com segurança intrínseca ela confere Uo ≤ 17,5 V e a Io admitida pela Tabela E.1 (zonas 0 e 1, que também limitam Po a 5,32 W) ou E.2 (zona 2) do Anexo E da NBR IEC 60079-11, no grupo de gás declarado, e limita o segmento a 1000 m. Entre tensões tabeladas usa a linha imediatamente superior, que é a leitura conservadora.
O limite de 244 bytes reprova o segmento?
Não — sai como alerta. Os 244 bytes de entrada e 244 de saída são teto do escravo DP que o acoplador ou link representa, e a ferramenta não sabe atrás de qual mestre DP o segmento está. Acima do teto, confira a configuração do link.
Glossário
- MBP
- Manchester Bus Powered — camada física da IEC 61158-2 usada pelo PROFIBUS PA, 31,25 kbit/s com dados e alimentação no mesmo par.
- Segmento
- Tudo o que uma porta do acoplador alimenta — tronco, caixas de junção e spurs — com um terminador em cada ponta.
- Spur (derivação)
- Ramal que sai de uma caixa de junção (ou do acoplador) até um único instrumento; não leva terminador.
- FDE
- Fault Disconnection Electronics — corrente que o equipamento drena em falha antes de se isolar do barramento.
- FISCO
- Fieldbus Intrinsically Safe Concept — segurança intrínseca pelos limites da fonte (Uo, Io, Po) e por equipamentos certificados, sem cálculo de entidade por malha.
- Acoplador DP/PA
- Passarela entre o PROFIBUS DP (RS-485) e o segmento PA, que ele também alimenta.