💻 Aula 04: Barramentos de Campo Baseados em Barramento — Profibus-DP, Profinet e Ethernet Industrial

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📍 Disciplina: 05 Redes Industriais | 🗺️ Área: 06 Computação e Telecomunicações | 🏠 Hub Principal ⬅️ Aula Anterior: Aula 03 - Protocolo Modbus | ➡️ Próxima Aula: Aula 05 - Barramento CAN e IEC 61850

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📌 Sumário da Aula

1. 🔌 1. A Rede AS-Interface (AS-i): Conectividade no Nível de Sensores
2. 🏭 2. O Barramento Profibus: Arquitetura, Profibus-DP e Profibus-PA
3. ⚡ 3. O Padrão Profinet: Classes de Tempo Real (NRT, RT e IRT)
4. ⏱️ 4. Redes Ethernet Industriais e o Padrão TSN (Time-Sensitive Networking)
5. 📊 5. Mapa Visual de Barramentos de Campo e Ethernet Industrial
6. 📝 6. Questões de Fixação e Concursos Comentadas Passo a Passo
7. 📚 7. Referências Bibliográficas e Normas Técnicas

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🔌 1. A Rede AS-Interface (AS-i): Conectividade no Nível de Sensores

No Nível 0 da Pirâmide da Automação, a interligação de dezenas ou centenas de sensores e atuadores discretos (chaves fim de curso, sensores indutivos, válvulas solenoides e botoeiras) por meio de fiação paralela individual ponto a ponto gera painéis elétricos volumosos, custos elevados de cabeamento e dificuldade de manutenção. A rede AS-Interface (Actuator Sensor Interface — normatizada pela IEC 62026-2) foi desenvolvida especificamente para substituir essa fiação massiva por um único barramento bifilar.

1.1 Características Físicas e Conexão por Perfuração (Vampire Tap)

• Cabo Chato Amarelo (Flat Cable): O barramento utiliza um cabo bifilar de borracha ou TPE com perfil geométrico assimétrico polarizado, impedindo conexões com polaridade invertida por erro humano.
• Tecnologia IDC (Insulation Displacement Connector): A conexão dos dispositivos de campo é efetuada por grampos de perfuração isolante (Vampire Taps). Pequenos pinos metálicos perfuram a capa emborrachada e contatam os fios de cobre internos sem necessidade de decapagem ou cortes na linha principal.
• Transmissão Simultânea de Energia e Dados: O mesmo par de condutores alimenta os sensores com tensão contínua nominal de $24\text{ a }30\text{ V DC}$ (com corrente total de até $8\text{ A}$) e transporta os sinais de comunicação digital. O sinal de dados é injetado por modulação por pulso de corrente alternada (APM — Alternating Pulse Modulation).

1.2 Capacidade de Endereçamento e Desempenho Temporal

• Versão Clássica (AS-i Spec 2.0 / 2.1):
  • Suporta até $31$ nós escravos.
  • Cada escravo manipula $4\text{ bits de entrada}$ e $4\text{ bits de saıˊda}$ ($4E/4S$).
  • Tempo de ciclo de varredura (Cycle Time): $\boxed{T_{\text{ciclo}}\le 5\text{ ms}}$
• Versão Estendida (AS-i Spec 3.0):
  • Introduz o particionamento de endereços A/B, dobrando a capacidade para até $62$ escravos.
  • O tempo de ciclo para atualizar todos os 62 escravos é de $T_{\text{ciclo}}\le 10\text{ ms}$ (ou $5\text{ ms}$ para os nós de alta prioridade do grupo A).
• Comprimento de Linha: Até $100\text{ metros}$ sem repetidores; expansível para até $300\text{ metros}$ com o uso de até dois repetidores em cascata.

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🏭 2. O Barramento Profibus: Arquitetura, Profibus-DP e Profibus-PA

O padrão Profibus (Process Field Bus), normatizado internacionalmente pela IEC 61158 e IEC 61784, é uma das tecnologias de barramento de campo mais implementadas na história da automação industrial global.

2.1 Modelo de Comunicação em Camada de Enlace (FDL)

O protocolo opera em uma arquitetura OSI simplificada de 3 camadas (Física, Enlace e Aplicação). A subcamada de enlace FDL (Fieldbus Data Link) emprega um mecanismo híbrido de controle de acesso ao meio:

1. Passagem de Ficha (Token Ring) entre Mestres Ativos:
   • Os mestres ativos (CLPs, IHMs, computadores de engenharia) formam um anel lógico.
   • O mestre que retém a ficha (Token) tem permissão para iniciar comunicações na rede. Ao término do seu tempo reservado (Token Hold Time - $T_{\text{TH}}$), ele passa o token para o próximo mestre na ordem crescente de endereços.
2. Mestre-Escravo Cíclico (Master-Slave):
   • Enquanto um mestre retém o token, ele interroga sequencialmente seus escravos passivos associados (I/Os remotos, inversores, servodrives), transferindo dados de entrada e saída.

2.2 Profibus-DP (Decentralized Periphery)

Projetado para automação de manufatura e acionamento de máquinas em alta velocidade:

• Camada Física: Padrão elétrico RS-485 em par trançado blindado com capa roxa padronizada e impedância característica de $Z_0=150\Omega$.
• Taxas de Transmissão: Configuráveis desde $9,6\text{ kbps}$ até $12\text{ Mbps}$.
• Relação Taxa de Transmissão vs Distância Máxima do Segmento:

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