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ELETRÔNICA INDUSTRIAL AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL JANEIRO DE 2004

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Page 1: apostila automação

ELETRÔNICA INDUSTRIAL

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

JANEIRO DE 2004

Page 2: apostila automação

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

CEDUP Hermann Hering – Blumenau Engº Deonisio L. Lobo 1

ELETRÔNICA INDUSTRIAL

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

Engº Deonisio Lourenço Lobo

JANEIRO DE 2004

CENTRO DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL HERMANN HERING

CURSO TÉCNICO INDUSTRIAL ESPECIALIZAÇÃO EM ELETRÔNICA

Page 3: apostila automação

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Introdução

CEDUP Hermann Hering – Blumenau Engº Deonisio L. Lobo 2

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO..................................................................................... 13

2. AUTOMAÇÃO ..................................................................................... 16

2.1 INSTRUMENTAÇÃO ...................................................................................................... 16

2.2 AUTOMAÇÃO DE PROCESSO INDUSTRIAL E NÃO INDUSTRIAL (CONTROLE DE

PROCESSO) .............................................................................................................. 16

2.3 AUTOMAÇÃO DA MANUFATURA .................................................................................. 17

2.4 AUTOMAÇÃO .............................................................................................................. 17

2.5 APLICAÇÕES ............................................................................................................... 17

3. INSTRUMENTAÇÃO .......................................................................... 19

3.1 TELEMETRIA .......................................................................................................... 19

3.1.1 Sinais Padrões. .......................................................................................................... 19

3.1.1.1 Fieldbus ................................................................................................................ 19

3.2 GRANDEZAS VARIÁVEIS DE UM PROCESSO INDUSTRIAL ............................. 20

3.2.1 Pressão ...................................................................................................................... 20

3.2.1.1 Unidades ............................................................................................................... 20

3.2.1.2 Pressão Atmosférica .............................................................................................. 21

3.2.1.3 Pressão Relativa e Pressão Absoluta ...................................................................... 21

3.2.1.4 Dispositivos para medição de pressão .................................................................... 22

3.2.1.5 Cuidados Importantes nas Instalações .................................................................... 27

3.2.2 Nível ......................................................................................................................... 28

3.2.2.1 Unidades ............................................................................................................... 28

3.2.2.2 Dispositivos Para Medição de Nível ...................................................................... 28

3.2.3 Vazão ........................................................................................................................ 33

3.2.3.1 Unidades de Vazão ................................................................................................ 34

3.2.3.2 Dispositivos para Medição de Vazão ..................................................................... 34

3.2.4 Temperatura .............................................................................................................. 42

3.2.4.1 Unidades de Medida de Temperatura ..................................................................... 42

3.2.4.2 Dispositivos para medição de temperatura ............................................................. 43

3.3 SENSORES ............................................................................................................... 44

3.3.1 Características Importantes ....................................................................................... 44

3.3.1.1 Linearidade ........................................................................................................... 44

Page 4: apostila automação

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Introdução

CEDUP Hermann Hering – Blumenau Engº Deonisio L. Lobo 3

3.3.1.2 Faixa de atuação .................................................................................................... 44

3.3.2 Aplicação dos Sensores ............................................................................................. 44

3.3.2.1 Sensores de temperatura ........................................................................................ 44

3.3.2.2 Tipos de sensores de temperatura .......................................................................... 44

3.3.2.3 Sensores de luz ...................................................................................................... 72

3.3.2.4 Sensores de velocidade .......................................................................................... 73

3.3.2.5 Sensores de vazão ................................................................................................. 77

3.3.2.6 Sensores de Posição .............................................................................................. 79

3.3.2.7 Sensores fotoelétricos (ópticos) ............................................................................. 80

3.3.2.8 Sensores de posição específica .............................................................................. 88

3.3.2.9 Sensores Capacitivos ............................................................................................. 89

3.3.2.10 Sensores indutivos ................................................................................................. 90

3.3.2.11 Configurações elétricas em corrente continua ........................................................ 93

3.3.2.12 Fonte de alimentação ............................................................................................. 98

3.3.2.13 Sensores de corrente alternada ............................................................................. 101

3.3.2.14 Cuidados na instalação ........................................................................................ 103

3.3.2.15 Sensores de nível ................................................................................................. 108

3.3.2.16 Encoders ............................................................................................................. 111

3.3.2.17 Transmissores via rádio ....................................................................................... 112

3.3.2.18 Indicadores e controladores ................................................................................. 112

3.4 ELEMENTOS FINAIS DE CONTROLE ............................................................................ 113

3.4.1 Válvulas de Controle ............................................................................................... 113

3.4.1.1 Classificação das Válvulas de Controle ............................................................... 113

3.4.1.2 Componentes de Válvula de Controle .................................................................. 114

3.4.1.3 Tipos de Válvulas de Controle ............................................................................. 114

3.4.1.4 Acessórios de uma Válvula de Controle .............................................................. 115

3.4.2 Ações de Controle ................................................................................................... 119

3.4.2.1 Controle liga-desliga ........................................................................................... 119

3.4.2.2 Controle Proporcional ......................................................................................... 119

3.4.2.3 Controle Integral ................................................................................................. 119

3.4.2.4 Controle Proporcional e Integral: ......................................................................... 120

3.4.2.5 Controle Proporcional e Derivativo: .................................................................... 120

3.4.2.6 Controle Proporcional, Integral e Derivativo: ...................................................... 120

3.4.3 Válvulas Solenóides ................................................................................................ 121

3.4.3.1 Funcionamento .................................................................................................... 121

3.4.3.2 Tipos de Válvulas Solenóides .............................................................................. 121

Page 5: apostila automação

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Introdução

CEDUP Hermann Hering – Blumenau Engº Deonisio L. Lobo 4

3.4.4 Servomecanismo ..................................................................................................... 122

3.4.4.1 Servomotor ......................................................................................................... 122

3.4.4.2 Posicionador Linear............................................................................................. 123

4 CLP – CONTROLADOR DE LÓGICA PROGRAMÁVEL ........... 124

4.3 INFORMAÇÕES GERAIS ...................................................................................... 124

4.3.1 Descrição ................................................................................................................ 124

4.3.2 Definição Segundo a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas)............... 124

4.3.3 Definição Segundo a Nema (National Electrical Manufacturers Association) .......... 124

4.3.4 Características ......................................................................................................... 124

4.3.5 Histórico ................................................................................................................. 125

4.3.6 Evolução ................................................................................................................. 125

4.3.7 Aplicações .............................................................................................................. 126

4.4 ESTRUTURA BÁSICA.................................................................................................. 126

4.4.1 Unidade Central de Processamento (UCP)............................................................... 127

4.4.1.1 Processamento Cíclico ........................................................................................ 128

4.4.1.2 Processamento por Interrupção ............................................................................ 128

4.4.1.3 Processamento Comandado por Tempo ............................................................... 128

4.4.1.4 Processamento por Evento ................................................................................... 129

4.4.2 Memória ................................................................................................................. 129

4.4.2.1 Mapa de Memória ............................................................................................... 129

4.4.2.2 Arquitetura de memória de um CP....................................................................... 130

4.4.2.3 Estrutura.............................................................................................................. 131

4.5 DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA .............................................................. 133

4.5.1 Características das Entradas e Saídas - E/S ............................................................ 134

4.5.1.1 Módulos de Entrada ............................................................................................ 134

4.5.1.2 Tratamento de Sinal de Entrada ........................................................................... 137

4.5.1.3 Módulos de Saída ................................................................................................ 138

4.5.1.4 Tratamento de Sinal de Saída .............................................................................. 140

4.5.2 Terminal de Programação........................................................................................ 141

4.5.2.1 Terminal Portátil Dedicado.................................................................................. 141

4.5.2.2 Terminal Dedicado TRC ..................................................................................... 141

4.5.2.3 Terminal Não Dedicado - PC............................................................................... 142

4.6 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE UM CLP .............................................................. 142

4.6.1 Estados de Operação ............................................................................................... 142

4.6.1.1 Programação ....................................................................................................... 142

Page 6: apostila automação

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Introdução

CEDUP Hermann Hering – Blumenau Engº Deonisio L. Lobo 5

4.6.1.2 Execução ............................................................................................................. 142

4.6.2 Funcionamento........................................................................................................ 142

4.7 LINGUAGEM DE PROGRAMAÇÃO ................................................................................ 146

4.7.1 Classificação ........................................................................................................... 146

4.7.1.1 Linguagem de Baixo Nível .................................................................................. 146

4.7.1.2 Linguagem de Alto Nível .................................................................................... 148

4.8 PROGRAMAÇÃO DE CONTROLADORES PROGRAMÁVEIS .............................................. 148

4.8.1 Diagrama de Contatos (Ladder) ............................................................................... 149

4.8.2 Diagrama de Blocos Lógicos ................................................................................... 149

4.8.3 Lista de Instrução .................................................................................................... 150

4.8.4 Texto Estruturado – ST ........................................................................................... 150

4.8.5 Linguagem Seqüencial – SFC ................................................................................. 151

4.8.6 Linguagem Corrente................................................................................................ 151

4.8.7 Análise das Linguagens de Programação ................................................................. 151

4.8.7.1 Quanto a Forma de Programação ......................................................................... 151

4.8.7.2 Quanto a Forma de Representação ....................................................................... 151

4.8.7.3 Documentação..................................................................................................... 152

4.8.7.4 Conjunto de Instruções ........................................................................................ 152

4.9 NORMALIZAÇÃO ................................................................................................. 152

4.10 PROGRAMAÇÃO EM LADDER ..................................................................................... 153

4.10.1 Desenvolvimento do Programa Ladder .................................................................... 156

4.10.1.1 Associação de Contatos no Ladder ...................................................................... 158

4.10.1.2 Instruções ............................................................................................................ 159

4.10.1.3 Instruções Básicas ............................................................................................... 160

4.10.1.4 Instruções Matemáticas ....................................................................................... 165

4.10.1.5 Instruções Lógicas ............................................................................................... 170

4.11 NOÇÕES DE BLOCOS I/O REMOTOS ............................................................................ 174

4.12 EQUACIONAMENTO DE SISTEMAS ................................................................... 175

4.12.1 Apresentação e Análise do Problema ....................................................................... 176

4.12.1.1 Apresentação ....................................................................................................... 176

4.12.1.2 Análise ................................................................................................................ 176

4.12.2 Descrição das Tarefas e Representação Gráfica ....................................................... 177

4.12.2.1 Algoritmo ............................................................................................................ 177

4.12.2.2 Fluxograma Analítico .......................................................................................... 177

4.12.3 Esquema Funcional ................................................................................................. 179

4.12.3.1 Fluxograma do Processo ...................................................................................... 179

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AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Introdução

CEDUP Hermann Hering – Blumenau Engº Deonisio L. Lobo 6

5 REDES NA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL (FIELDBUS) .............. 180

5.3 REDES DE COMUNICAÇÃO INDUSTRIAL ......................................................... 180

5.1.1 Automação Centralizada ......................................................................................... 181

5.1.2 Automação Descentralizada .................................................................................... 181

5.1.3 Em Busca de Uma Padronização ............................................................................. 182

5.1.4 Níveis de Automação .............................................................................................. 183

5.1.5 Tipos de Fieldbus .................................................................................................... 185

5.1.5.1 Sistemas Fechados .............................................................................................. 186

5.1.5.2 Sistemas Abertos ................................................................................................. 186

5.1.6 Comunicação Serial ................................................................................................ 186

5.1.7 Topologias das Redes .............................................................................................. 186

5.1.7.1 Topologia em Estrela........................................................................................... 186

5.1.7.2 Topologia em Linha ............................................................................................ 187

5.1.7.3 Topologia em Linha com Derivações .................................................................. 187

5.1.7.4 Topologia em Linha em Anel .............................................................................. 187

5.1.7.5 Topologia em Anel .............................................................................................. 188

5.1.7.6 Topologia em Árvore .......................................................................................... 188

5.1.8 Nós e I/O................................................................................................................. 188

5.1.9 Comunicação .......................................................................................................... 189

5.1.10 Modelo de Referência - ISO/OSI ............................................................................. 189

5.1.11 O Caminho dos Dados Entre Dois Equipamentos .................................................... 190

5.1.12 Camadas no Modelo OSI ........................................................................................ 191

5.1.12.1 Física .................................................................................................................. 191

5.1.12.2 Enlace ................................................................................................................. 192

5.1.12.3 Rede .................................................................................................................... 192

5.1.12.4 Transporte ........................................................................................................... 193

5.1.12.5 Seção .................................................................................................................. 194

5.1.12.6 Apresentação ....................................................................................................... 194

5.1.12.7 Aplicação ............................................................................................................ 194

5.1.13 Meios de Transmissão ............................................................................................. 195

5.1.14 Sistema Mestre-Simples Multi-Escravo ................................................................... 195

5.1.15 Multi-mestre Multi-escravo ..................................................................................... 196

5.1.16 Gateways (portas) ................................................................................................... 196

5.1.17 Protocolo................................................................................................................. 196

5.1.18 Mensagem ............................................................................................................... 196

Page 8: apostila automação

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Introdução

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5.1.19 Velocidade .............................................................................................................. 197

5.4 REDE AS-I (INTERFACE ATUADOR-SENSOR) - A SOLUÇÃO PARA PEQUENAS

AUTOMAÇÕES ...................................................................................................... 197

5.2.1 Componentes de Uma Rede AS-i ............................................................................ 198

5.2.1.1 Mestre AS-i ......................................................................................................... 198

5.2.1.2 Módulos AS-i ...................................................................................................... 198

5.2.1.3 Cabo AS-i ........................................................................................................... 198

5.2.1.4 Fonte AS-i ........................................................................................................... 199

5.2.1.5 Dispositivo de Programação AS-i ........................................................................ 199

5.2.2 Algumas características importantes do sistema ...................................................... 200

5.2.3 Alguns números ...................................................................................................... 201

5.2.4 Versões da Rede AS-i ............................................................................................. 202

5.5 REDE MODBUS ..................................................................................................... 202

5.3.1 Descrição do Protocolo ........................................................................................... 203

5.3.2 Frame do Protocolo Modbus ................................................................................... 203

5.3.2.1 Código de funções públicas ................................................................................. 204

5.3.2.2 Código de funções definidos pelo usuário ............................................................ 204

5.3.2.3 Códigos de função reservados ............................................................................. 205

5.3.3 O Modbus TCP/IP ................................................................................................... 205

5.3.3.1 Como implementar em um equipamento o protocolo Modbusy TCP/IP? ............. 206

5.3.4 RS-485 – O Meio Físico Mais Comum na Indústria em Modbus ............................. 206

5.6 REDE DEVICENET ................................................................................................ 208

5.4.1 Histórico ................................................................................................................. 209

5.4.2 Especificações da Rede ........................................................................................... 209

5.4.3 Comunicação .......................................................................................................... 210

5.4.3.1 Polling................................................................................................................. 210

5.4.3.2 Strobing .............................................................................................................. 210

5.4.3.3 Cyclic .................................................................................................................. 210

5.4.3.4 Change of State ................................................................................................... 210

5.4.3.5 Explicit Messaging .............................................................................................. 210

5.4.3.6 Fragmented Messaging ........................................................................................ 211

5.4.3.7 Peer-to-peer ou UCMM (Unconnected Message Manager) .................................. 211

5.4.3.8 Multi-Master ....................................................................................................... 211

5.4.3.9 Ponto a Ponto ...................................................................................................... 211

5.4.4 DeviceNet Protocolo Aberto ................................................................................... 211

5.4.5 ODVA .................................................................................................................... 211

Page 9: apostila automação

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Introdução

CEDUP Hermann Hering – Blumenau Engº Deonisio L. Lobo 8

5.7 REDE PROFIBUS ................................................................................................... 212

5.5.1 Tecnologia Profibus ................................................................................................ 213

5.5.2 Meios de Transmissão - Camada 1 do Modelo OSI ................................................. 215

5.5.2.1 Perfil de Comunicação (Communication Profile) ................................................. 215

5.5.2.2 Perfil físico (Physical Profile) .............................................................................. 215

5.5.2.3 Perfil de Aplicação (Aplication Profile) ............................................................... 218

5.5.3 Acesso ao Meio - Camada 2 do Modelo OSI ........................................................... 219

5.5.4 Profibus DP............................................................................................................. 221

5.5.4.1 Funções básicas ................................................................................................... 221

5.5.4.2 Características básicas ......................................................................................... 223

5.5.4.3 Funções estendidas do PROFIBUS DP ................................................................ 227

5.5.5 Perfil de Comunicação FMS.................................................................................... 230

5.5.5.1 FMS Services ...................................................................................................... 232

5.5.5.2 Gerenciamento de rede ........................................................................................ 234

5.5.6 Profibus PA............................................................................................................. 234

5.5.6.1 Aspectos da Comunicação ................................................................................... 235

5.5.6.2 Aspectos da Aplicação ........................................................................................ 236

5.5.7 PROFISAFE ........................................................................................................... 238

5.5.8 PROFIBUS & Ethernet ........................................................................................... 239

5.5.9 Implementação dos Dispositivos ............................................................................. 240

5.8 INTERBUS S ........................................................................................................... 240

5.6.1 O Sistema Interbus .................................................................................................. 241

5.6.2 A Universalidade do Interbus .................................................................................. 244

5.6.3 O Sistema Aberto Interbus ...................................................................................... 244

5.6.4 Especificações Básicas da Rede Interbus ................................................................. 245

5.6.5 Vantagens e Desvantagens da Rede INTERBUS ..................................................... 245

5.6.6 O Interbus Club ....................................................................................................... 246

5.9 INTERBUS LOOP ................................................................................................... 247

5.7.1 Tecnologia Loop: Dados e Alimentação em Um Único Cabo .................................. 247

5.7.2 Integração Com o Sistema Interbus ......................................................................... 248

5.7.3 Especificação da Rede Interbus Loop ...................................................................... 249

5.7.4 Módulos Para a Rede .............................................................................................. 250

5.10 ETHERNET INDUSTRIAL ..................................................................................... 250

5.8.1 Histórico da Ethernet............................................................................................... 251

5.8.2 A Ethernet na Automação Industrial ........................................................................ 251

5.8.3 Vamos a Alguns Conceitos: .................................................................................... 252

Page 10: apostila automação

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Introdução

CEDUP Hermann Hering – Blumenau Engº Deonisio L. Lobo 9

5.8.4 Requisitos para Equipamentos de Automação Industrial .......................................... 252

5.8.5 I/O em Ethernet ....................................................................................................... 254

5.8.6 SWITCH Gerenciável X SWITCH Não Gerenciável ............................................... 255

5.11 CONTROLNET ....................................................................................................... 255

5.11.1 Histórico ................................................................................................................. 255

5.11.2 Funcionamento........................................................................................................ 255

5.11.3 Comunicação Fornecedor / Consumidor .................................................................. 256

5.11.4 Benefícios ............................................................................................................... 256

5.11.5 Vantagens/ Desvantagens ........................................................................................ 256

5.11.6 ControlNet. Org ...................................................................................................... 257

5.12 WORLDFIP ............................................................................................................. 258

5.12.1 Barramento ............................................................................................................. 259

5.12.2 Camada Física ......................................................................................................... 259

5.12.3 Camada de Enlace ................................................................................................... 260

5.12.4 Camada de Aplicação .............................................................................................. 261

5.12.5 Dispositivos ............................................................................................................ 261

5.12.5.1 Interface de comunicação .................................................................................... 261

5.12.6 Guia de Interoperabilidade ...................................................................................... 261

5.13 LON WORKS .......................................................................................................... 262

5.13.1 Áreas de Aplicação ................................................................................................. 263

5.13.2 Vantagens e Desvantagens ...................................................................................... 265

5.13.3 Componentes Disponíveis no Mercado.................................................................... 266

5.14 LIN (REDE DE COMUNICAÇÃO AUTOMOTIVA) .............................................. 266

5.14.1 O Progresso da Eletrônica Automativa .................................................................... 266

5.14.2 A Solução LIN ........................................................................................................ 266

5.14.3 Objetivos da LIN..................................................................................................... 267

5.14.4 Benefícios da LIN ................................................................................................... 267

5.14.5 Aplicações LIN ....................................................................................................... 267

5.14.6 Mecatrônica ............................................................................................................ 268

5.14.7 Conceitos Básicos ................................................................................................... 268

5.14.8 Camada Física ......................................................................................................... 269

5.14.9 Mensagens .............................................................................................................. 269

5.14.10 Tarefas Mestre e Escravos ................................................................................... 269

5.14.11 Previsibilidade..................................................................................................... 270

5.15 CAN BUS (ELETRÔNICA EMBARCADA EM AUTOMÓVEIS)........................... 270

5.15.1 Alternativas Tecnológicas à Arquitetura Elétrica ..................................................... 271

Page 11: apostila automação

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Introdução

CEDUP Hermann Hering – Blumenau Engº Deonisio L. Lobo 10

5.15.1.1 Arquitetura Centralizada ..................................................................................... 271

5.15.1.2 Arquitetura distribuída ........................................................................................ 272

5.15.2 Conceituação Básica ............................................................................................... 273

5.15.3 Formato das mensagens........................................................................................... 275

5.15.4 Padrões existentes ................................................................................................... 275

5.15.5 Detecção de falhas .................................................................................................. 275

5.15.6 Aspectos de Implementação: Dicionário de Dados .................................................. 276

5.15.7 Aspectos de Implementação: Exemplo de Rede ....................................................... 277

5.15.8 Aspectos de Implementação: Montagem da Rede .................................................... 277

5.16 SAFETY BUS P (REDE VOLTADA À SEGURANÇA) .......................................... 278

5.16.1 Características ......................................................................................................... 278

5.16.2 Configuração do Sistema Pilz SafetyBus p .............................................................. 279

5.16.3 Vantagens ............................................................................................................... 279

5.16.4 Segurança ............................................................................................................... 279

5.16.5 Disponibilidade ....................................................................................................... 279

5.16.6 Rentabilidade .......................................................................................................... 280

5.16.7 Compatibilidade ...................................................................................................... 280

5.16.8 O SafetyBus p na prática ......................................................................................... 280

5.16.9 Dados Técnicos ....................................................................................................... 281

5.17 FIELDBUS FOUNDATION .................................................................................... 282

5.17.1 Considerações Iniciais ............................................................................................. 282

5.17.2 Definições ............................................................................................................... 284

5.17.3 Níveis de Protocolo ................................................................................................. 285

5.17.4 Níveis de Software .................................................................................................. 285

5.17.4.1 Nível de Enlace (Data Link Layer) ...................................................................... 286

5.17.4.2 Nível de Aplicação (Application Layer)............................................................... 287

5.17.4.3 Nível do Usuário (User Layer) ............................................................................ 287

5.17.5 Distribuição de Energia ........................................................................................... 289

5.17.5.1 Características dos equipamentos energizados em rede para o modo de tensão de 31,25 kbit/s ........................................................................................................ 290

5.17.5.2 Requisitos para a alimentação de redes para o modo de voltagem de 31,25 kbit/s 290

5.17.5.3 Fonte de Alimentação .......................................................................................... 290

5.17.5.4 Energização Via Condutores de Sinal de Comunicação ....................................... 291

5.17.5.5 Isolação Elétrica .................................................................................................. 291

5.17.5.6 Especificação do Meio Condutor ......................................................................... 292

5.17.6 Benefícios do Fieldbus ............................................................................................ 296

Page 12: apostila automação

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5.17.6.1 Benefícios na obtenção de informação ................................................................. 296

5.17.6.2 Benefícios econômicos ........................................................................................ 296

5.17.7 Comparações com as tecnologias anteriores ............................................................ 297

5.17.7.1 Documentação Básica ......................................................................................... 297

5.17.8 Possibilidades de topologias .................................................................................... 298

5.17.9 Componentes de Um Projeto FIELDBUS e Suas Características ............................. 298

5.17.9.1 Cabos .................................................................................................................. 299

5.17.9.2 Aterramento, “Shield” e Polaridade ..................................................................... 299

5.17.9.3 Comprimento dos Barramentos ........................................................................... 300

5.17.9.4 Conectores .......................................................................................................... 300

5.17.9.5 Blocos de Terminais ............................................................................................ 300

5.17.9.6 “Host Devices” .................................................................................................... 300

5.17.9.7 Repetidores, “Bridges” e “Gateways” .................................................................. 301

5.17.10 Arquitetura de Sistemas ....................................................................................... 302

5.17.10.1 Tempo de ciclo de supervisão de parâmetros na rede FIELDBUS........................ 302

5.17.11 Uso de Barreiras de Proteção ............................................................................... 303

5.17.11.1 Normas de Classificação de Áreas Explosivas ..................................................... 303

5.17.12 Definição de Segurança Intrínseca ....................................................................... 305

5.17.13 A tecnologia Fieldbus Foundation e a Segurança Intrínseca ................................. 305

5.18 CABOS PARA REDES FIELDBUS ........................................................................ 306

5.18.1 Índice de Refração .................................................................................................. 306

5.18.2 Reflexão e Refração ................................................................................................ 307

5.18.3 Raios de Luz ........................................................................................................... 307

5.18.4 Ângulo Crítico e Reflexão Interna Total .................................................................. 308

5.18.5 Fibras Ópticas ......................................................................................................... 308

5.18.5.1 Fibra de Índice Degrau (Step Index) .................................................................... 308

5.18.5.2 Fibra de Índice Gradual (Graded Index) .............................................................. 309

5.18.5.3 Fibra Monomodo ................................................................................................. 310

5.18.6 Guiamento de Luz Em Fibras Ópticas ..................................................................... 310

5.18.6.1 Abertura Numérica .............................................................................................. 310

5.18.6.2 Modos de Propagação ......................................................................................... 310

5.18.7 Propriedades das Fibras Ópticas .............................................................................. 311

5.18.8 APLICAÇÕES DAS FIBRAS ÓPTICAS ................................................................ 312

5.18.9 Características de Transmissão da Fibra Óptica ....................................................... 312

5.18.9.1 Atenuação ........................................................................................................... 312

5.18.9.2 Dispersão ............................................................................................................ 314

Page 13: apostila automação

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Introdução

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5.18.9.3 Dispersão Material .............................................................................................. 315

5.18.9.4 Dispersão de Guia de Onda ................................................................................. 315

5.18.10 Instalação de Cabos ............................................................................................. 316

5.18.11 Confecção de Emendas........................................................................................ 316

5.18.11.1 Emenda por Fusão ............................................................................................... 316

5.18.11.2 Emenda Mecânica ............................................................................................... 317

5.18.12 CONECTORES .................................................................................................. 317

5.18.13 Tipos de Fontes Ópticas ...................................................................................... 320

5.18.13.1 Laser ................................................................................................................... 322

5.19 PAR TRANÇADO ................................................................................................... 325

5.17.1 Tipos de Cabo Par Trançado ................................................................................... 326

5.17.2 O Cabo UTP ........................................................................................................... 326

5.17.3 Cabo UTP Secção ................................................................................................... 326

5.17.4 Conector RJ-45 ....................................................................................................... 327

5.17.4.1 Pinagem .............................................................................................................. 327

5.17.4.2 Conector RJ-45 (Tomada) Pinagem ..................................................................... 327

5.17.4.3 Conector RJ-45 Macho Para Montagem .............................................................. 327

5.17.4.4 Conector RJ-45 Montado..................................................................................... 327

5.17.5 Padrões de Conectorização ...................................................................................... 328

5.17.6 Interligando Dois Computadores ............................................................................. 330

5.17.7 INTERLIGANDO TRÊS OU MAIS COMPUTADORES ....................................... 332

5.17.8 Montagem do Cabo de Rede de Par Trançado ......................................................... 332

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................................... 334

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AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Introdução

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1. INTRODUÇÃO

Automação é um sistema de equipamentos eletrônicos e/ou mecânicos que controlam seu próprio funcionamento, quase sem a intervenção do homem. Automação é diferente de mecanização. A mecanização consiste simplesmente no uso de máquinas para realizar um trabalho, substituindo assim o esforço físico do homem. Já a automação possibilita fazer um trabalho por meio de máquinas controladas automaticamente, capazes de se regularem sozinhas.

As primeiras iniciativas do homem para mecanizar atividades manuais ocorreram na pré-história. Invenções como a roda, o moinho movido por vento ou força animal e as rodas d’água demonstram a criatividade do homem para poupar esforço.

Porém, a automação só ganhou destaque na sociedade quando o sistema de produção agrário e artesanal transformou-se em industrial, a partir da segunda metade do século XVIII, inicialmente na Inglaterra.

Os sistemas inteiramente automáticos surgiram no início do século XX. Entretanto, bem antes disso foram inventados dispositivos simples e semi-automáticos. Devido à necessidade de aumentar a produção e a produtividade, surgiu uma série de inovações tecnológicas: máquinas modernas, capazes de produzir com maior precisão e rapidez em relação ao trabalho feito à mão; utilização de fontes alternativas de energia, como o vapor, inicialmente aplicado a máquinas em substituição às energias hidráulica e muscular.

Por volta de 1788, James Watt desenvolveu um mecanismo de regulagem do fluxo de vapor em máquinas. Isto pode ser considerado um dos primeiros sistemas de controle com realimentação. O regulador consistia num eixo vertical com dois braços próximos ao topo, tendo em cada extremidade uma bola pesada. Com isso, a máquina funcionava de modo a se regular sozinha, automaticamente, por meio de um laço de realimentação.

A partir de 1870, também a energia elétrica passou a ser utilizada e a estimular indústrias como a do aço, a química e a de máquinas-ferramenta. O setor de transportes progrediu bastante graças à expansão das estradas de ferro e à indústria naval.

No século XX, a tecnologia da automação passou a contar com computadores, servomecanismos e controladores programáveis. Os computadores são o alicerce de toda a tecnologia da automação contemporânea. Encontramos exemplos de sua aplicação praticamente em todas as áreas do conhecimento e da atividade humana.

A origem do computador está relacionada à necessidade de automatizar cálculos, evidenciada inicialmente no uso de ábacos pelos babilônios, entre 2000 e 3000 a.C.

O marco seguinte foi a invenção da régua de cálculo e, posteriormente, da máquina aritmética, que efetuava somas e subtrações por transmissões de engrenagens. George Boole desenvolveu a álgebra booleana, que contém os princípios binários, posteriormente aplicados às operações internas de computadores.

Em 1880, Herman Hollerith criou um novo método, baseado na utilização de cartões perfurados, para automatizar algumas tarefas de tabulação do censo norte-americano. Os resultados do censo, que antes demoravam mais de dez anos para serem tabulados, foram obtidos em apenas seis semanas! O Êxito intensificou o uso desta máquina que, por sua vez, norteou a criação da máquina IBM, bastante parecida com o computador.

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Em 1946, foi desenvolvido o primeiro computador de grande porte, completamente eletrônico. O Eniac, como foi chamado, ocupava mais de 180 m² e pesava 30 toneladas. Funcionava com válvulas e relês que consumiam 150.000 watts de potência para realizar cerca de 5.000 cálculos aritméticos por segundo.

Esta invenção caracterizou o que seria a primeira geração de computadores que utilizava tecnologia de válvulas eletrônicas.

A segunda geração de computadores é marcada pelo uso de transistores (1952). Estes componentes não precisam se aquecer para funcionar, consomem menos energia e são mais confiáveis. Seu tamanho era cem vezes menor que o de uma válvula, permitindo que os computadores ocupassem muito menos espaço.

Com o desenvolvimento tecnológico, foi possível colocar milhares de transistores numa pastilha de silício de 1 cm², o que resultou no circuito integrado (CI). Os CIs deram origem à terceira geração de computadores, com redução significativa de tamanho e aumento da capacidade de processamento.

Em 1975, surgiram os circuitos integrados em escala muito grande (VLSI). Os chamados chips constituíram a quarta geração de computadores. Foram então criados os computadores pessoais, de tamanho reduzido e baixo custo de fabricação.

Para se ter idéia do nível de desenvolvimento desses computadores nos últimos quarenta anos, enquanto o Eniac fazia apenas 5 mil cálculos por segundo, um chip atual faz 50 milhões de cálculos no mesmo tempo.

Voltando a 1948, o americano John T. Parsons desenvolveu um método de emprego de cartões perfurados com informações para controlar os movimentos de uma máquina-ferramenta. Demonstrado o invento, a Força Aérea patrocinou uma série de projetos de pesquisa, coordenados pelo laboratório de servomecanismos do Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Poucos anos depois, o MIT desenvolveu um protótipo de uma fresadora com três eixos dotados de servomecanismos de posição.

A partir desta época, fabricantes de máquinas-ferramenta começaram a desenvolver projetos particulares. Essa atividade deu origem ao comando numérico que implementou uma forma programável de automação com processo controlado por números, letras ou símbolos.

Com esse equipamento, o MIT desenvolveu uma linguagem de programação que auxilia a entrada de comandos de trajetórias de ferramentas na máquina. Trata-se da linguagem APT (do inglês, Automatically Programmed Tools, ou “Ferramentas Programadas Automaticamente”).

Os robôs (do tcheco robota, que significa “escravo, trabalho forçado”) substituíram a mão-de-obra no transporte de materiais e em atividades perigosas. O robô programável foi projetado em 1954 pelo americano George Devol, que mais tarde fundou a fábrica de robôs Unimation. Poucos anos depois, a GM instalou robôs em sua linha de produção para soldagem de carrocerias.

Ainda nos anos 50, surge a idéia da computação gráfica interativa: forma de entrada de dados por meio de símbolos gráficos com respostas em tempo real. O MIT produziu figuras simples por meio da interface de tubo de raios catódicos (idêntico ao tubo de imagem de um televisor) com um computador.

Em 1959, a GM começou a explorar a computação gráfica.

A década de 1960 foi o período mais crítico das pesquisas na área de computação gráfica interativa. Na época, o grande passo da pesquisa foi o desenvolvimento do sistema sketchpad, que tornou possível criar desenhos e alterações de objetos de maneira interativa, num tubo de raios catódicos.

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No início dos anos 60, o termo CAD (do inglês Computer Aided Design ou “Projeto Auxiliado por Computador”) começou a ser utilizado para indicar os sistemas gráficos orientados para projetos.

Nos anos 70, as pesquisas desenvolvidas na década anterior começaram a dar frutos. Setores governamentais e industriais passaram a reconhecer a importância da computação gráfica como forma de aumentar a produtividade.

Na década de 1980, as pesquisas visaram à integração e/ou automatização dos diversos elementos de projeto e manufatura com o objetivo de criar a fábrica do futuro. O foco das pesquisas foi expandir os sistemas CAD/CAM (Projeto e Manufatura Auxiliados por Computador). Desenvolveu-se também o modelamento geométrico tridimensional com mais aplicações de engenharia (CAE – Engenharia Auxiliada por Computador). Alguns exemplos dessas aplicações são a análise e simulação de mecanismos, o projeto e análise de injeção de moldes e a aplicação do método dos elementos finitos.

Hoje, os conceitos de integração total do ambiente produtivo com o uso dos sistemas de comunicação de dados e novas técnicas de gerenciamento estão se disseminando rapidamente. O CIM (Manufatura Integrada por Computador) já é uma realidade.

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AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Instrumentação

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2. AUTOMAÇÃO

O segmento denominado “AUTOMAÇÃO E INSTRUMENTAÇÃO” é por demais heterogêneo em termos dos produtos nele englobados e que, muitas vezes se complementam.

Por razões de um melhor entendimento deste segmento, cabe dividi-lo:

- Instrumentação;

- Automação de Processos Industriais e Não Industriais (Controle de Processos);

- Automação da Manufatura.

A seguir, é apresentada uma idéia da abrangência de cada uma destas áreas:

INSTRUMENTAÇÃO

Esta área pode ser dividida em grandes subgrupos;

- Instrumentos de teste e medição - abrangem a geração e a medição de grandezas eletrônicas;

- Instrumentos para controle de processos - abrangem os instrumentos para painel e campo, úteis na medida e no controle de grandezas físicas nos processos da Indústria de transformação;

- Instrumentos para análises físicas, químicas e ensaios mecânicos - (Analítica) abrangem os instrumentos utilizados em laboratórios de pesquisas e controle de qualidade,

- Instrumentos de aplicação odonto-médico-hospitalar.

AUTOMAÇÃO DE PROCESSO INDUSTRIAL E NÃO INDUSTRIAL

(CONTROLE DE PROCESSO)

A Automação de Processos subdivide-se em dois setores:

- Processos Industriais:

Siderúrgica;

Química e petroquímica;

Geração de energia, etc.

- Processos não Industriais:

Sistemas de transporte;

Distribuição de energia;

Sistemas de serviços urbanos, etc.

Page 18: apostila automação

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Instrumentação

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AUTOMAÇÃO DA MANUFATURA

Neste segmento, evidenciam-se as seguintes sub-áreas:

- Comando numérico por computador;

- Projetos assistidos por computador (CAD-CAM);

- Robóptica.

AUTOMAÇÃO

Conceito: É um conjunto de técnicas através das quais se constroem sistemas ativos capazes de atuar com uma eficiência ótima pelo uso de informações recebidas do meio sobre o qual atuam, com base nas informações o sistema calcula a ação corretiva mais apropriada. Um sistema de automação comporta-se exatamente como um operador humano o qual, utilizando as informações sensoriais, pensa e executa a ação mais apropriada.

As grandes funções da automação podem se resumir como se vê na tabela abaixo.

As analogias com as funções de um operador humano podem esquematizar-se assim:

Sistema de Automação Operador Humano

Informação ou comunicação Impressão sensorial

Computação Raciocínio

Controle Ação

É a conjugação destas três funções que confere a um sistema um comportamento global capaz de duplicar a ação humana.

Na automação há auto-adaptação às condições diferentes de modo a que as ações do sistema de maquinismo conduzam a resultados ótimos.

APLICAÇÕES

No quadro seguinte resumem-se algumas utilizações da automação.

Campos de Aplicação Exemplos de Aplicação

Controle

Indústria

Química (refinarias, amoníaco, plásticos, etc).

Pasta de papel

Mecânica e manufaturas

Centrais de força

Comando numérico máquina ferramenta

Outros campos Tráfego aéreo e terrestre

Comunicações

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Controle de mísseis e aeronáutica

Navegação

Usos militares

Ciência

Invest. Geral

Previsões meteorológicas

Análise estatísticas

Tabelas de funções matemáticas

Otimização

Viagens espaciais

Projeto de reatores nucleares, resolução matemática.

Simulação

Simuladores de treinamento

Investigação econômica

Dinâmica de veículos

Simulação de redes elétricas

Logística militar

Jogos de empresa

Informática

Numérica

Contabilidade; controle de estoques; controle econômico; análise econômica; análise do mercado; gestão de projetos e de produção; recenseamentos; distribuição e vendas; serviços de escritório geral.

Não numérica

Arquivo e procura de informações (sistema de informação); diagnose médica; arquivos em geral; traduções automáticas; representações visuais; (em tubos de raios catódicos) de gráficos, esquemas: gestão agrícola, etc.

Projeto CAD Desenho com lápis de luz em TCR: Projeto de

circuitos integrados, máquinas de desenhar, projeto de navios e automóveis.

Outros Campos

Reconhecimento de formas

Sistemas adaptativos

Resolução de problemas e jogos

Reconhecimento e reconstituição de sons e palavras.

No campo industrial e, em particular, nas indústrias petroquímicas, o operário, operador de processo, tinha por função, vigiar leituras de um grande número de instrumentos de medida. As pressões, as temperaturas, as vazões, os níveis, as composições químicas, deveriam ser conhecidas a todos os instantes pelo operador, o

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qual deveria detectar, de entre essa grande massa de dados, as variáveis que se desviavam de certos valores prefixados e atuar sobre o complexo fabril de modo a reconduzi-lo a um funcionamento mais estável ou mais econômico.

Porém as limitações intrínsecas do homem oferecem a este processo de integração uma lentidão incompatível com as grandes produções das unidades fabris modernas. A atenção a dois fatores simultâneos é praticamente impossível. Um esforço no sentido de uma maior rapidez acarreta um aumento dos erros e falsas manobras.

Nas últimas décadas, as técnicas do controle automático permitiram liberar os operadores fabris de funções enfadonhas e que exigiam grande esforço nervoso permitindo, simultaneamente, que essas funções fossem cumpridas com maior precisão, rapidez e segurança.

O controle automático é verdadeiramente a primeira fase da automação.

3. INSTRUMENTAÇÃO

TELEMETRIA

Definição: É a técnica de transportar medições obtidas no processo a distância, em função de um instrumento transmissor.

Vantagens: Os instrumentos agrupados podem ser consultados mais facilmente e rapidamente, possibilitando a operação, uma visão global da unidade.

- Ganho na eficiência de trabalho.

- Cresce consideravelmente a utilidade e a eficiência dos instrumentos face as possibilidades de pronta consulta, manutenção e inspeção, em situação mais acessível, mais protegida e mais confiável.

Sinais Padrões.

Sinais de telemetria de transmissores pneumáticos: 3 a 15PSI, 0,2 a 1,0 kgf/cm2, etc.

Sinais de telemetria de transmissores Eletrônicos: 4 a 20mAcc, 1 a 5Vcc, 10 a 50 mA, 0 a 10 Vcc, etc.

Os sinais acima citados são os mais comuns na instrumentação. É bom lembrar que com a evolução da eletrônica os sinais de transmissão estão sendo enviados de forma digital, é o “Fieldbus”.

Fieldbus

Fieldbus é um sistema de comunicação digital bidirecional que interliga equipamentos inteligentes de campo com sistema de controle ou equipamentos localizados na sala de controle.

O “Fieldbus” não é apenas uma substituição do sinal de transmissão analógico de 4 - 20 mA por um digital, interligando os instrumentos de campo a sala de controle. Algumas vantagens desta nova tecnologia são:

- Redução no custo de fiação, instalação, operação e manutenção de plantas industriais;

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- Informação imediata sobre diagnóstico de falhas nos equipamentos de campo. Os problemas podem ser detectados antes deles se tornarem sérios, reduzindo assim o tempo de inatividade da planta;

- Distribuição das funções de controle nos equipamentos de campo - instrumentos de medição e elementos de controle final. Serão dispensados os equipamentos dedicados para tarefas de controle;

- Aumento da robustez do sistema, visto que dados digitais são mais confiáveis que analógicos;

- Melhoria na precisão do sistema de controle, visto que conversões D/A e A/D não são mais necessárias. Conseqüentemente a eficiência da planta será aperfeiçoada.

Transmissor eletrônico de pressão diferencial “FIELDBUS”

GRANDEZAS VARIÁVEIS DE UM PROCESSO INDUSTRIAL

Pressão

É comum ouvir que a rede de distribuição de água está sem pressão, que o pneu do caro está com determinada pressão de ar, etc.

Mas qual o significado físico da palavra pressão.

Pode-se dizer que pressão é a força que atua numa superfície de área igual a 1.

Isto não significa que pressão e força sejam a mesma coisa. Pressão significa força por unidade de área.

ÁREA

FORÇAPRESSÃO

Unidades

As unidades de pressão mais usuais são

SISTEMA MÉTRICO = Kgf/cm2

SISTEMA INGLÊS = PSI ( 1bf/pol2)

1 kg/cm2 = 14,22 PSI

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Pressão Atmosférica

Nós vivemos no fundo de um imenso oceano de ar a que habitualmente chamamos de atmosfera, que não é fácil apreciarmos totalmente sua existência e suas propriedades. Uma das conseqüências de vivermos no fundo desse oceano de ar é que ficamos submetidos a uma pressão que resulta justamente do peso dessa atmosfera. Essa pressão chamada pressão atmosférica, se exerce sobre nós e sobre a superfície de todas as coisas que nos cercam.

Contudo, a perfeita compreensão desse fato e sua interpretação correta não são coisas simples ou comuns, embora muitas pessoas tenham experimentado sensações ligadas ao aumento ou diminuição de pressão atmosférica (em viagens de avião, em elevadores, em mudanças bruscas de altitude). Além disso, mesmo reconhecendo ou admitindo que estamos no fundo de um imenso oceano de ar, não é fácil para a maioria das pessoas admitir que o ar tenha peso: e não é de se estranhar que toda a humanidade constantemente em presença da pressão atmosférica, tenha atravessado milhares de anos sem se aperceber de sua existência.

Pressão Relativa e Pressão Absoluta

Vimos o que vem a ser pressão atmosférica, entretanto notamos como se torna difícil perceber a existência dessa pressão pelo fato de se exercer sobre todas as coisas parece não existir.

Vejamos, por outro lado, como qualquer pressão acima de pressão atmosférica se torna facilmente perceptível.

Vamos supor uma bola de borracha, que desejamos encher com ar.

Enquanto não soprarmos para dentro da bola, seu interior permanece "vazio" e "sem pressão".

Na realidade, a bola não está vazia: contém ar e não está sem pressão: está sujeita a pressão atmosférica.

Como, porém, do lado externo também existe a mesma pressão atmosférica, a bola permanece "murcha". Quando sopramos ar, a bola então adquire "pressão". Ora, pelas noções já aprendidas, sabemos que ela adquire maior pressão, uma vez que já estava sujeita a pressão atmosférica.

Agora temos:

- Parte interna da bola: pressão atmosférica + acréscimo de pressão;

- Parte externa da bola: pressão atmosférica.

Vemos que o acréscimo de pressão além da pressão atmosférica é que finalmente estufou a bola.

Esse acréscimo de pressão chamamos PRESSÃO RELATIVA.

Da mesma forma, qualquer outro sistema elástico (pneus, foles, mangueiras, etc ) só responderia à pressão relativa, daí porque é muito mais fácil notarmos a existência medir seu valor.

A pressão total ou PRESSÃO ABSOLUTA de qualquer sistema será obtida sempre que somarmos à pressão relativa o valor da pressão atmosférica.

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AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Instrumentação

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Assim como a introdução forçada de ar em um recinto vai tornando a pressão absoluta maio do que a pressão atmosférica, isto é, vai fazendo surgir uma pressão relativa de valo positiva, assim também a retirada de ar de um recinto vai tornando a pressão absoluta menor que a pressão atmosférica, isto é, vai fazendo surgir uma pressão relativa de valor negativo.

Quando um sistema tem pressão absoluta menor que a pressão atmosférica ou pressão relativa de valor negativo diz-se que há VÁCUO.

Poderíamos dizer que o sistema está mais vazio do que quando havia apenas a pressão atmosférica.

Se conseguirmos retirar de um recipiente todo o ar nele contido, teremos obtido o vácuo total, isto é, o recipiente estará completamente vazio. Sabe-se, por inúmeras razões, que é impossível chegar ao vácuo total ou vácuo absoluto; entretanto, é freqüente nos processos industriais medirmos pressões totais menores que a pressão atmosférica, às quais chamamos vácuo.

Essas pressões relativas negativas ou vácuos são medidas a partir de zero para a pressão atmosférica e crescendo numericamente até atingir o valor máximo no vácuo absoluto.

Dispositivos para medição de pressão

Elementos da coluna líquida.

São medidores de pressão por deslocamento que, por sua grande precisão, servem de padrão para aferição de outros equipamentos.

Uma coluna medidora de pressão é constituída por um tubo de vidro de seção circular e uniforme contendo um líquido de densidade conhecida. A coluna se apresenta sempre associada a uma escala, cuja graduação apareça em milímetros ou em polegadas.

Existem quatro tipos mais comuns de colunas:

Barômetro

Em 1643, uma experiência realizada por TORRICELLI veio demonstrar a existência da pressão atmosférica. Essa experiência permanece até nossos dias como um meio simples e preciso de provar sua existência e medir seu valor.

Um tubo de vidro de 1m de comprimento, fechado em uma das extremidades é cheio com mercúrio e emborcado pela extremidade aberta em recipiente com mercúrio. Segundo essa operação uma coluna de mercúrio é mantida no tubo, numa altura “h” medida da superfície do Hg no recipiente ao topo da coluna.

Obs: 1atm = 760mmHg = 1,033 kg / cm2 = 1Bar = 14,7psi...

760mm

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Assim, atualmente temos:

1 ATM = 760 mm Hg = 10,33 m H2O = 1,033 kg/cm2 = 14,7 PSI

Coluna em "U "

Pode ser utilizada como manômetro, vacuômetro ou como medidor de pressão diferencial. É a mais utilizada como instrumento padrão para baixas pressões. Como podemos ver na figura seguinte, o mesmo é constituído por um tubo de material transparente, recurvado em forma de "U "e fixado sobre uma escala graduada.

O tubo é cheio, até seu ponto médio de um líquido com densidade relativa conhecida (água, álcool, Hg, etc.).

As leituras são feitas medindo a diferença de nível do líquido nos dois braços, medição está que pode ser feita em cm de coluna d'água, mm de coluna d'água, mm de Hg etc.

A diferença de nível estabelecida ente os braços, será tanto maior quanto menor for a massa específica do líquido utilizado.

P = . h Onde h é a diferença de nível em milímetros, entre os dois braços do tubo em "U", é a

massa específica do líquido utilizado e P é a pressão medida.

Exemplo: Ao aplicarmos uma pressão de 1800 mm H2O em tubo em "U" teremos:

Se o líquido contido for água com = 1,0 g/cm3 teremos h = 1800 mm

Se o líquido contido for álcool com = 0,8 g/cm3 teremos h = 2250 mm.

Se o líquido for mercúrio com = 13,6 g/cm3 teremos h= 132,5 mm

Para leitura direta, multiplica-se o valor do trecho por 2, constrói-se uma escala definitiva.

As leituras são feitas medindo a diferença do nível do líquido nos dois braços, medição que pode ser em mm ou polegada.

Pressão

2

1

0 h

1

2

Coluna Reta Vertical

Pode medir vácuo ou pressão dependendo da tomada utilizada. Nestes manômetros, um dos ramos do tubo em "U" é substituído por um reservatório de grande diâmetro ou seção transversal de maneira que o desnível de coluna (quando diferentes pressões são aplicadas aos ramos) seja indicada somente no ramo de pequena seção.

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AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Instrumentação

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Pressão

h

Coluna Reta Inclinada

Neste tipo de coluna apresenta uma escala ampliada, proporcionando a precisão ainda maior. A escala "expandida" é resultado de m deslocamento maior do líquido para uma mesma pressão, devido à inclinação do tubo.

Elementos Elásticos

O funcionamento desses elementos na medição de pressão é justificado basicamente no fato de ser a deformação em um material, proporcional ao esforço a ele aplicado, isso dentro de um limite definido de elasticidade (Lei de Hooke).

Existem 3 tipos principais de elementos elásticos:

Diafragma

Fole

Tubo de Bourdon

Diafragma (Membrana)

Existem dois tipos de diafragmas: O diafragma metálico utiliza sua própria característica de deflexão. O diafragma não metálico, reposicionado por uma mola previamente calibrada ou um similar elemento elástico.

Diafragma Metálico

Consiste basicamente de um disco ondulado ou corrugado ( a fim de aumentar sua área efetiva) cuja borda é fixa à carcaça.

Uma haste fixa ao centro do disco está ligada a um mecanismo de indicação, Quando uma pressão é aplicada, o diafragma se desloca e esse deslocamento é proporcional a pressão aplicada.

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O material usado na construção dos diafragmas metálicos são variados entre eles temos: latão, bronze fosforoso, cobre, aço inox, monal, etc.

Diafragma Não Metálico

Esse tipo de sensor é usual normalmente para baixas pressões ou vácuo.

O movimento do diafragma é reposicionado por uma mola que determina a deflexão correspondente para cada pressão medida.

Fole

O fole é também empregado na medição de pressão. Ele é basicamente um cilindro metálico, corrugado ou sanfonado, fabricado com uma lâmina fina de bronze fosforoso, aço inoxidável ou outros materiais de boa flexibilidade.

Quando uma pressão é aplicada ao interior do fole, provoca sua distensão, e como ela tem que "vencer" a flexibilidade do material, o deslocamento é proporcional à pressão aplicada. Do mesmo modo se a pressão for aplicada à parte externa, provocará a contração do fole.

O manômetro de fole é utilizado apenas para medir baixas pressões.

Tubo de Bourdon

É o tipo de elemento elástico mais utilizado em manômetros. Consta de um tubo metálico de seção transversal elíptica, tendo uma de suas extremidades fechada e ligada a uma alavanca que a acima o mecanismo de indicação, A alavanca fixa ao tubo de Bourdon aciona uma outra alavanca dentada e essa, por sua vez, se move em torno de um ponto fixo, transmitindo seu movimento a ponteiro.

Tubo de Bourdon “C”

A pressão age sobre as paredes internas do tubo de bourdon, o qual tende a tomar a forma de um tubo de seção circular ( e depois é dobrado em forma de C, espiral e hélice) provocando um deslocamento no sentido longitudinal e movimentando o mecanismo de indicação.

Como é fácil perceber, o movimento do tubo é bastante pequeno, razão pela qual as engrenagens devem estar sempre bem ajustadas sem jogo nem "atrito". Os metais e as ligas dos tubos Bourdon, bem como o tratamento térmico a eles dado, assim como as solas efetuadas são de importância capital, de vez que seu comportamento será em grande parte dependente disso.

O tubo deve resistir à máxima pressão, o mesmo por largo período e também à fadiga de sucessivas solicitações ou vibrações exterior. Os materiais mais comuns em tubos são: Bronze fosforoso, aço liga, aço inoxidável, etc. Por outro lado, o tubo pode ser repuxado ou bloqueado e as soldas podem ser de vários tipos. Cada indústria tem suas normas e especificações sobre utilização de instrumentos.

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O conjunto setor-pinhão desempenha também função relevante na medição, uma vez que ele amplifica o movimento mínimo da ponto do tubo. Esse conjunto, também chamado "movimento", representa com as suas ligações à ponto do tubo e ao ponteiro um papel importante no ajuste e na calibração dos instrumentos.

De modo geral, os manômetros Bourdon apresentam-se com precisão de 1% da graduação máxima para qualquer ponto acima dos 5% iniciais da escala.

TUBO DE BOURDON “C”

OBS: Devido a elasticidade do material ser limitada, deve-se utilizar o manômetro dentro da faixa para a qual foi constituído a fim de não deformar definitivamente o tubo de Bourdon. Por outro lado, o uso de pressões muito abaixo de sua limitação provocará imprecisão na indicação.

Tubo de Bourdon Tipo Espiral e Hélice ou Helicoidal

São tubos Bourdon, enrolados como hélice cilíndrica de vários passos ou como espiais. Apresentam maior sensibilidade, uma vez que o formato hélice ou espiral proporciona um efeito de soma de vários tubos bourdon, resultando num maior deslocamento da extremidade livre para um dada mudança de pressão. Dessa formação é necessário ampliar esse movimento como no caso do setor-pinhão, visto para o tubo Bourdon que pode então ser ligado diretamente ao ponteiro ou à pena. Para instrumentos registradores de pressão, o uso da espiral, é consagrado. A precisão desse tipo de elementos (espiral e hélice) convém medições industriais e oscila em torno de 1% da faixa total.

A exceção das observações apresentadas, há bastante analogia nas características de funcionamento e nos problemas gerais de tubos Bourdon, hélice e espirais, o que resulta de sua própria similaridade de construção.

Os instrumentos de pressão no que concerne à medição simplesmente, podem ser: indicadores ou registradores. Para indicação, o uso de manômetro Bourdon tipo C é universalmente apontado, enquanto que os registradores são habitualmente de caixa retangular, utilizando um elemento primário em espiral.

A indicação ou registro por parte do instrumento pode se utilizada simultaneamente para transmitir à distância, acionar alarmes ou exercer funções de controle no processo sob medição. Uma vez, porém, já se tenha o deslocamento do ponteiro ou da pena, isso pode ser feito de maneira idêntica para qualquer instrumento, pouco importando que o deslocamento se refira à pressão, temperatura, nível líquido, escoamento de produto, etc. Assim, veremos posteriormente os dispositivos de transmissão, de alarmes e os controladores, uma vez que sua aplicação se fará indistintamente a qualquer variável sob observação.

As principais vantagens dos tipos espiral e helicoidal são:

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Movimento de meio amplitude.

Maior força

Resposta mais rápida

Isenção da faixa morta

Maior precisão

Cuidados Importantes nas Instalações

Habitualmente devido ao custo reduzido e o grande número de manômetro reservas, muitas indústrias não se empenham no sentido de proteger convenientemente esses instrumentos acarretando com isso, sérios prejuízos financeiros, operacionais, e até mesmo, colocando em risco a segurança tanto dos equipamentos dos elementos envolvidos na operação e manutenção dos sistemas a que tais instrumentos pertençam.

Proteção são recomendadas para medidores de pressão nos seguintes casos:

A) Pulsação do Fluido sob Medição

Pulsações rápidas e freqüentes afetam diretamente o "movimento"(conjunto setor-pinhão) nos dentes e nos rolamentos das engrenagens. Há inúmeros dispositivos de proteção para esse tipo de pulsação. De modo geral, são obstáculos ou restrições que impedem a propagação violenta das pulsações, sem entretanto obstruir seriamente a passagem até o Bourdon.

B) Vibração da Linha (ou Painel) de Apoio do Manômetro

Ainda dessa vez afetando o "movimento". Só uma reinstalação específica a cada caso poderá solucionar esse tipo de problema.

C) Corrosão Exagerada ou Solidificação à Temperatura Ambiente

Encontraremos por exemplo, o caso de linhas de óleo combustível que pode solidificar à temperatura ambiente. Para impedir corrosão ou solidificação nas ligações e no tubo Bourdon usa-se selagem. A selagem é a inclusão de um líquido para impedir o contato corrosivo ou a solidificação.

Pode-se usar ou não um diafragma entre os dois líquidos; de modo geral, esses dispositivos protetores podem ser fornecidos pelo próprio fabricante dos manômetros.

A maior preocupação no caso destes protetores é de impedir vazamento do fluido de selagem, uma vez que a resistência da membrana falsearia a leitura.

D) Temperaturas Elevadas no Tubo e nas Paredes Sensíveis do Instrumento.

Esse problema ocorre, por exemplo, em linhas de vapor. A proteção para esses casos é o uso de um "sifão". O sifão prove um pequeno depósito de condensado que protege as partes mais delicadas do instrumento.

E) Eventuais Sobrecargas de Pressão.

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A proteção contra inevitáveis sobrecargas é a utilização de manômetros na metade de sua escala para a pressão de operação.

Ainda sobre o tubo Bourdon, diremos que o conjunto setor-pinhão (ou máquina, ou movimento) proporciona o mesmo deslocamento do ponteiro para qualquer faixa de pressão, porque o movimento da ponta do tubo de Bourdon é constante em qualquer caso, o que se consegue com a escolha de material e espessuras adequadas do tubo para cada faixa de pressão.

Esse movimento é relativamente pequeno, o que dificulta o uso de tubos Bourdon para intervalos pequenos ou para trechos de pressão baixa.

Nível

Conceito: É a altura de um líquido ou de um sólido contido em um recipiente, sendo a medição feita a partir de uma referência ou linha base. A determinação do nível permite o cálculo do volume ou peso de um líquido, existente em um recipiente.

Unidades

O nível é expresso diretamente em unidades de altura do líquido ou sólido (cm, mm. m). Em alguns casos utilizamos o recurso da porcentagem, ou seja, a faixa vai de 0 a 100% do total da capacidade do recipiente.

Na indústria, a medição do nível é muito importante, desde o ponto de vista do funcionamento correto do processo até a verificação do balanço adequado de matéria prima ou produto final. Com medidas apropriadas de nível e com controles corretamente aplicados, as dimensões dos recipientes podem ser reduzidas e a eficiência do processo pode ser aumentada.

Dispositivos Para Medição de Nível

Métodos de Medição Direta

São aqueles que incluem a observação visual direta.

Visores de Nível

São os tipos mais elementares para medição de nível em tanques abertos. Consiste em um tubo de vidro com suas extremidades conectadas à lateral do fundo e do topo do reservatório. Podemos também conectar uma extremidade na lateral do fundo do reservatório, deixando a outra extremidade aberta para a atmosfera.

Dependendo das condições de uso, podemos tê-lo em tanques fechados.

Geralmente inclui-se válvulas de isolação para permitir a retirada do para a limpeza ou substituição. A dificuldade comum dos visores de nível é o escurecimento do visor com o tempo. Existem três tipos de visor de nível mais usados:

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Visor de nível tipo tubo de vidro

É constituído por um tubo de vidro geralmente associado a uma escala, fixada na base e no topo do tanque, geralmente usados em tanques de baixa pressões que não contenham produtos tóxicos ou líquidos inflamáveis.

O vidro é de alta resistência e o encontramos até com comprimento de 1,80m.

Visor de nível de vidro plano

Consta de uma placa de vidro temperado em conjunto com um flange especial. O visor plano pode ser instalado diretamente na parede do tanque ou numa câmara externa em comunicação com o mesmo. Este tipo de visor apresenta um inconveniente, que é o de dificultar a manutenção, pois é necessário esvaziar o tanque para a remoção do mesmo, possui também uma visualização, mais difícil, razão pela qual, dependendo da utilização, vem acompanhado de uma luminária.

Visor de nível tipo reflexivo

Estes visores são usados em reservatórios da alta pressão e alta temperatura, podendo ser lidos a distância. Trata-se de uma barra de vidro temperado fundido, tendo uma das faces estriadas, formando vários prismas. Os prismas refletem a luz com muito mais eficiência, o que resulta em uma melhor visualização.

Medição de Nível por bóia

Consiste numa bóia presa a um cabo que tem sua extremidade ligada a um contra peso. No contra peso está fixado um ponteiro que indicará diretamente o nível de uma escala graduada. Esta medição é normalmente encontrada em tanques abertos, fechados não pressurizados.

A bóia pode ser acoplada a uma ampola de mercúrio ou a um microswitch (micro interruptor) para controle liga-desliga ou para alarme. O movimento da bóia independe da densidade do líquido. Entretanto turbulência ou existência de espuma na superfície do líquido podem causar erro na medição.

OBS: - A medição de nível por bóia ou dispositivo semelhante permite a determinação precisa do volume do líquido contido no tanque. Se a área do tanque for constante (é somente válido para tanques regulares), o volume será V = Ab.h.

0% 25% 50% 75% 100%

Roldana

Escala

Bóia

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Métodos de Medição Indireta

É o tipo de medição que fazemos para determinar o nível de função de uma segunda variável.

Medidores de nível por pressão hidrostática (através de transmissores).

Neste tipo de medição usamos a pressão devido a altura da coluna líquida para medirmos indiretamente o nível. A medida mais apropriada para este tipo de medição é o cm ou "de coluna de água”.

Se tivermos um recipiente contendo água a uma temperatura ambiente a indicação do nosso instrumento será igual ao nível do tanque. Como a pressão aplicada no fundo de um vaso varia proporcionalmente com o nível do líquido, basta medir esta pressão e convertê-la em altura líquida correspondente.

Esse tipo de instrumento oferece muitas vantagens como transmissor de nível. Tem uma larga faixa de ajustes de Span e praticamente não há deslocamento de membrana, não sendo, portanto necessário a colocação de potes de condensado. É fabricado de material resistente à corrosão. Podemos dispor dos 2 tipos diferentes para montagem direta no reservatório. O tipo "Tenk-side" que tem diafragma de alta pressão totalmente exposta mas afastado da parede do reservatório por medida de proteção. O tipo diafragma com extensão permite que o diafragma, faceando à parece do tanque, elimina a possibilidade de uma cavidade capaz de estagnar alguma quantidade de produto. Este tipo é recomendado para lama ou fluido que podem congelar ou depositar

sólidos em suspensão.

Constantes: P = C.h y = 2x

y

P=h A

x

h

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Medidores por Displacer ou corpo imerso

O displacer é imerso no líquido e mede a força exercida pelo líquido sobre o displacer, força empuxo. Nota-se que ao contrário do sistema por bóia, o displacer praticamente não se desloca. A transmissão da força para o exterior do tanque é feita com um tubo de torque apropriado.

A medição de nível por empuxo se baseia no princípio de Arquimedes. "A resultante das forças da pressão que age num corpo imerso é igual ao peso do volume deslocado". O deslocador que é o elemento primário da medição, é formado por um "peso" suspenso por um sistema de alavanca, que determina a força vertical que o mesmo exerce.

A medida em que o nível sobe, o peso, parcialmente imerso exerce menos força vertical em virtude do empuxo exercido pelo líquido deslocado.

F=S.H.y

Onde:

F é a força empuxo;

S é a área da seção do displacer;

y é o peso específico do líquido;

H é a altura submersa do displacer.

Esta formula pode ser escrita por F=V.y sendo:

V o volume de líquido deslocado

y o peso específico do líquido

A transmissão da força é geralmente feita através de um tubo de torque, e uma haste soldada, no tubo de torque. O movimento vertical do deslocador é convertido em movimento rotatório da haste e no movimento torcional do tubo.

A extremidade livre da haste é ligada ao sistema de transmissão que pode ser pneumático ou eletrônico. Podemos concluir também que o displacer deverá ser mais denso que o líquido cujo nível desejamos medir (se não fosse assim, a partir de uma certa posição o deslocador iria flutuar).

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Medição de nível de interface

Podemos definir interface como sendo o ponto comum entre dois fluidos não miscíveis e de densidades diferentes. Na indústria, muitas vezes temos que medir o nível de interface em um tanque contendo dois líquidos diferentes. Este fato ocorre em torres de destilação, torres de lavagem, decantadores.

A medição de nível por interface pode ser feita tanto por pressão hidrostática quanto por displacer.

No caso da medição por pressão hidrostática o nível total do tanque deve ser constante, variando apenas os níveis parciais dos diferentes líquidos contidos no mesmo. A proporção que variam os níveis parciais varia a pressão hidrostática no fundo do tanque.

Na medição por displacer o mesmo deve estar sempre totalmente submerso, ou seja, o nível "total" também não varia, variando apenas os níveis parciais dos líquidos de densidades diferentes e variando conseqüentemente o empuxo total.

Consideremos um flutuador de forma cilíndrica mergulhado em dois fluidos com pesos específicos diferentes 1 e 2.

Sendo que 2 > 1.

Desta forma, podemos considerar que Empuxo aplicado no flutuador de área (A) e altura (h), será a soma dos Empuxos E1 e E2 aplicados no cilindro, pelos líquidos de pesos específicos 1 e 2, respectivamente.

O Empuxo será dado por:

E=E1 + E2

onde

E1 = . 1h . 1A e E2 = . h2 . A2

Logo E= 1 . h1 . A1 + 2 . h2 . A2 = (1 . h1 . A + 2 . h2 . A) (3)

Sendo h1 + h2 = h = constante h2 = h - h1

Substituindo h2 em (3) teremos:

1 . h1 . A + 2 . ( h - h1 ) . A

A, 1 , 2 e h, são valores constantes.

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h1 único valor variável ( variação de interface )

E = A . ( 1 . h1 + 2 . ( h - h1 ) ) (4)

Desta forma para diferentes valores de h1 ( diferentes alturas de interface ), pela fórmula (4), teremos diferentes variações do Empuxo E.

Logo, se medirmos as variações do Empuxo E, estaremos medindo as variações de interface.

Medição de Nível de Sólidos

Medição de nível por raios gama.

O sistema de medição por raios gama consiste em emissor de raios gama montado verticalmente na lateral do tanque do outro lado do tanque teremos um contador GEIGER que transforma a radiação gama recebida em um sinal elétrico de corrente contínua. Como a transmissão dos raios é inversamente proporcional a massa do líquido do tanque. A radiação captada pelo receptor e inversamente proporcional ao nível do líquido já que o material bloqueará parte da energia emitida.

Medidor de Nível por Raios de Gama.

Vazão

Definição - Quando falamos em vazão, estamos implicitamente nos referindo a fluido em movimento. Um fluido como líquido, um gás ou um vapor.

Na grande maioria das condições de processo, o que realmente nos interessa é a vazão instantânea, não a vazão totalizada. Vazão instantânea é a quantidade de fluido que passa por uma seção reta de uma tubulação num intervalo de tempo especificado: l / s, m3 / h, Kg / h, etc . . .

A vazão instantânea é expressa matematicamente como:

Q = V A

onde:

Q = vazão instantânea

V = velocidade do fluido

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A = área da seção reta da tubulação

Outro caso totalmente distinto do anteriormente citado é o da medição de vazão totalizada. Neste caso então, não se deseja saber qual o volume que está atravessando uma seção da tubulação por unidade de tempo, mais sim todo o volume que já passou por ali. O que se quer aí é litros e não l / s, m3 e não m3 / h , etc . . .

3.2.3.1 Unidades de Vazão

As seguintes unidades são as mais usadas para medição de vazão:

VOLUME : l / h , m3 / h

MASSA : Kg / h , t / h

3.2.3.2 Dispositivos para Medição de Vazão

A medição de vazão poderá ser feita segundo os seguintes sistemas:

Medição de vazão por pressão diferencial

Medição de vazão por área variável

Medição de vazão por deslocamento

Medição de vazão por canais abertos

Medição de vazão por sistemas de força

Medidores magnéticos de vazão

Medidores de vazão com turbina

Medidores de vazão por efeito Coriolis

3.2.3.2.1 Pressão diferencial

Se tivermos uma tubulação e se nela introduzirmos uma restrição, provocaremos uma queda de pressão, que será tanto maior quanto for a vazão.

Esta queda, evidentemente, dependerá do tamanho da restrição, do diâmetro da tubulação e não será a mesma para todos os fluidos pois teremos diferentes viscosidades e temperaturas.

Como o diferencial produzido (P) está intimamente ligado a vazão (Q), isto é, Q = K P, podemos medir a vazão através da medida do P. ( K é uma constante que depende da viscosidade, temperatura, tipo de fluido, diâmetro do orifício, diâmetro da tubulação, tipo de placa, etc ).

O sistema de medição é constituído pelo elemento primário, que produz a pressão diferencial (P) e pelo elemento secundário que mede esta pressão.

Na figura seguinte podemos observar a distribuição da pressão estática numa linha a montante e a jusante da restrição e a perda permanente introduzida.

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Os tipos de elementos primários de medição de vazão por pressão diferencial mais usados são:

A) Placa de Orifício

São os mais empregados entre todos os elementos primários, para tubos de diâmetro de 2” a 14”, devido a reprodutividade, facilidade de instalação e remoção e baixo custo.

É constituída de uma placa de aço inox AISI-304, 316 ou 430, com orifício que funciona como restrição da seção da tubulação onde é colocada entre flanges de preferência em trechos horizontais de tubulação.

Caso tenhamos que instalar a mesma em trecho vertical utilizar fluxo ascendente para líquidos e descendentes para gases.

Seu uso, entretanto, é limitado no caso de fluídos contendo sólidos em suspensão e onde os centros de bombeamento e perdas de pressão na linha são fatores sérios.

Quanto ao orifício podemos dividir as placas em:

CONCÊNTRICAS;

EXCÊNTRICAS;

SEGMENTAIS.

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CONCÊNTRICA EXCÊNTRICA SEGMENTAL

3.2.3.2.2 Tubo de Venturi

É o elemento primário mais recomendável para medição de líquidos com grande concentração e sólidos em suspensão, desde que, a relação sólido-líquido permaneça constante (maior a relação, maior o diferencial de pressão). Utilizados para medição de grandes vazões, apresentando menor perda de carga que o bocal ou placa de orifício, porem, são mais caros ocupando maior espaço para instalação sendo também adequados para medição de gases.

3.2.3.2.3 Bocal de Vazão

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Mais adequado para trabalhar com gás ou vapor do que com líquidos. Sua capacidade é cerca de 65% maior que a da placa nas mesmas condições, sendo por isso, recomendável para medir fluidos alta velocidade.

Em fluidos com pequena quantidade de sólidos em suspensão é superior a placa, porem, neste caso, ele deve ser instalado em trecho vertical com fluxo para baixo.

Apresenta, também, menor perda de carga que a placa de orifício.

3.2.3.2.4 Dall Tube

Não devem ser utilizados em fluidos com sólidos em suspensão, dando menor perda de carga que o VENTURI.

3.2.3.2.5 Tubo de Pitot

Utilizado onde não se deseja grande precisão, medindo a pressão devido a velocidade do fluido, em tubos de grande diâmetro.

Em líquidos sujos com sólidos em suspensão e gases ou vapores com parcelas líquidas ficam sujeitos a entupimento.

O diferencial gerado é pequeno e a medida de vazão é imprecisa, pois, a velocidade não é uniforme ao longo da seção de medição da tubulação.

PTOTAL = PESTÁTICA + PDINÂMICA

3.2.3.2.6 Magnéticos

LEI DE INDUÇÃO DE FARADAY

“A voltagem induzida em um condutor que se move perpendicularmente através de um campo magnético será proporcional a velocidade do condutor através do campo”.

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Neste caso, o líquido é o condutor, e nele será induzida uma voltagem diretamente proporcional a sua velocidade de escoamento.

Mede vazão volumétrica, independente da viscosidade, densidade, turbulência, sólidos em suspensão, condutividade (> 200 - 100ppm de sal em água pura)pois a voltagem gerada é proporcional a velocidade média.

Possui sinal de saída linear, não introduz perda de carga no sistema, sendo adequado para líquidos com grande quantidade de sólidos em suspensão, ácidos corrosivos, água.

Infelizmente, a maioria dos produtos de petróleo não possuem condutividade suficiente para medição satisfatória com este instrumento.

Óleo cru, por exemplo, contendo água salgada poderá apresentar condutividade suficiente, porém, a distribuição não uniforme da água poderá prejudicar a leitura.

Embora o medidor possa ser montado em qualquer posição, é recomendável, que a disposição da tubulação mantenha o medidor sempre cheio de líquido com os eletrodos na horizontal garantindo a precisão da medição.

PRECISÃO: 1% (MEDIDOR-CONVERSOR-INDICADOR OU REGISTRADOR)

MATERIAIS: Eletrodo- Aço inox, Platina, Hastelloy, Isolante- Neoprene, Teflon, Epox fiber glass.

Medidor Magnético

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3.2.3.2.7 Turbina

Neste tipo de medidor a ação da velocidade linear do líquido, sobre as palhetas do rotor, provoca sua rotação.

Como a velocidade angular é proporcional a velocidade linear tem-se uma medida da vazão volumétrica.

O rotor possui em sua periferia diversos pontos magnéticos, igualmente espaçados, que ao passarem pelo campo produzido pelo imã permanente, induzem na bobina captadora, uma onda senoidal, de freqüência proporcional a vazão volumétrica.

O sinal captado pela bobina poderá ser amplificado, convertido em um instrumento receptor, obtendo-se a vazão instantânea e totalizada.

Medidor Turbina

O sinal de saída é praticamente linear pois a cada pulso corresponde a um determinado volume.

O número de pulsos por unidade de vazão é chamado fator K da turbina. Este fator varia com a vazão, pressão e com a temperatura de operação.

Não há precisão no início da faixa, devido ao atrito do rotor e inércia inicial.

3.2.3.2.8 Efeito Coriolis

Há mais de vinte anos, numa busca pelo aprimoramento tecnológico, foram iniciados os primeiros trabalhos para medição direta de vazão mássica por meio do efeito Coriolis, que pela lei de Newton é diretamente proporcional à massa. Após 10 anos de pesquisas foi lançado o primeiro medidor Coriolis, para uso laboratorial.

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Resumidamente, um medidor Coriolis possui dois componentes: Tubos de sensores de medição e transmissor.

Um sistema magnético faz com que o tubo sensor vibre em sua freqüência natural, quase imperceptível a olho nu. A vibração se assemelha à um diapasão, cobrindo menos do que 2,5 mm e completando 80 ciclos a cada segundo ( Figura A ).

O fluido que passa através do tubo é forçado a seguir seu movimento vertical. Quando, durante o correspondente semi-ciclo, o tubo se move para cima ( Figura B ), o fluxo que entra resiste ao movimento e força o tubo para baixo. Tendo sido forçado do para cima, o fluido que sai do tubo resiste, com seu impulso, neste sentido, reduzido, tendendo a deslocar o tubo para cima. Com isto, o tubo sofre uma torção ( Figura C ). No outro semi-ciclo ( para baixo ), a torção se dará em sentido oposto.

De acordo com a segunda lei de Newton, a magnitude da torção é proporcional à taxa de vazão da massa através do tubo sensor.

São instalados em cada lado do tubo, transdutores que enviarão as informações à unidade eletrônica, onde serão processadas e transformadas em sinal elétrico proporcional à vazão-de-massa. Adicionalmente, pela medição da freqüência natural de vibração do tubo, poderá ser determinada a densidade do fluido.

A

B

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C

Um RTD é montado no tubo, monitorando a temperatura deste, a fim de compensar as variações das deformações elásticas sofridas com a oscilação da temperatura.

Basicamente, o sensor mais o transmissor apresenta:

Precisão: 0,2% mais instabilidade zero;

Diâmetro: de 1/16” até 6,0”;

Range: de 0,05 kg/min ou l/min até 11 mil kg/min ou l/min;

Pressão: até 200 bar ( existem modelos até 400 bar );

Repetibilidade: 0,1%

Temperatura: de -240oC a +240oC faixa standard e até 456oC faixa de alta temperatura;

Rangeabilidade: de 10/1 até 100/1.

O medidor não exige cuidados especiais de montagem não tendo restrições de trechos retos mínimos e apenas recomenda-se que o medidor esteja sempre cheio e, na prática, observa-se os seguintes tipos de montagem orientados aos diferentes tipos de fluidos:

Líquidos

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Gases

Líquidos com sólidos

3.2.4 Temperatura

Definição: TEMPERATURA é o grau de quente ou frio, representado em uma escala definida. Todas as substâncias acham-se constituídas por uma enorme quantidade de pequenas partículas, as moléculas, que se encontram em contínuo movimento.

Quanto mais rápido o movimento das moléculas, mais quente se apresenta o corpo e, quanto mais lento o movimento, mais frio se apresenta o corpo. Esta condição pode se descrita como um potencial térmico ou como uma energia efetiva da substância. O grau de temperatura é o número dado a este atributo.

A definição de qualquer grandeza deve começar pela definição de grandezas iguais. Após as noções que acabamos de dar sobre temperatura, é conveniente, em primeiro lugar, precisar as condições m que dois corpos terão a mesma temperatura, ou ainda, estarão em equilíbrio térmico. A observação corrente mostra que, estando um corpo “quente” ou “frio” em presença um do outro ( em íntimo contato), o primeiro se resfria e o segundo se aquece, ou ainda, que a diferença de temperatura entre os dois corpos diminui com o tempo, como se houvesse tendência para a equalização das temperaturas. Podemos afirmar que a "temperatura de um sistema é a propriedade que determina se um sistema está ou não em equilíbrio térmico com outros sistemas".

Assim, a temperatura de todos os sistemas em equilíbrio térmico pode ser representada por um número estabelecido em uma escala empírica de temperatura.

Baseados neste princípios são constituídos os detetores de temperatura, os quais, em equilíbrio térmico com o meio ou com o corpo que se quer medir, fornecem a indicação da temperatura.

3.2.4.1 Unidades de Medida de Temperatura

A Primeira escala de temperatura estabelecida foi a Farenheit em 1714, a qual se convencionou um valor zero, para o que então se pensou ser a menor temperatura capaz de se obter em laboratório. Nesta escala estabeleceu-se o valor de 320 para a temperatura de congelamento da água e 2120 para a temperatura de evaporação da água, ambos medidos à pressão de 1 atmosfera, isto é, ao nível do mar. A diferença entre os pontos de ebulição e

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congelamento foi dividida em 180 (212-12) partes iguais às quais se deu o nome de grau farenheit.

Mais tarde, baseada no sistema métrico, foi desenvolvida a escala Celsius ou centígrado que, tomando os mesmos 2 pontos de referência deu a eles a designação 0o Ce 100o C. À diferença entre os dois pontos de referência dividida em 100 (100- 0) partes iguais, deu-se o nome de grau Celsius.

Com o desenvolvimento da física teórica e prática, os cientistas concluíram que, embora se tivesse conseguido chegar a temperaturas muito abaixo de 0OF ou 0o C, haveria um valor teórico que jamais poderia ser ultrapassado. Seria a temperatura em que os corpos simplesmente não teriam mais energia térmica. A este valor atribuiu o nome de “zero absoluto”. Na escala Farenheit este valor corresponde a -459,67oF, na escala centígrado a - 273,15oC. Nestas temperaturas, os corpos perderam todo o seu conteúdo calorífico.

Foram então desenvolvidas duas outras escalas, chamadas de absolutas. A escala Kelvin começa a contar a partir de zero absoluto da escala centígrado, isto é,-273,15o C. Conseqüentemente, para a variação de 10 centígrado na escala Celsius, teremos a mesma variação na escala Kelvin. Mudou apenas a referência. Assim é que na escala Kelvin a água congela a + 273,15 o K e evapora a +373,15O K.

A escala Rankine usa o mesmo princípio, iniciando em --459,67O F sendo que para a variação de 10 na escala Rankine teremos a mesma variação de 10 na escala Farenheit. Assim é que na escala Rankine a água congela a 491,670 R e evapora a 671,670 R.

Outras escalas de temperatura existem, porém de raríssima utilização como é o caso da escala Rémur (0 Ré) que considera o ponto de fusão do gelo a 00 Ré e o ponto de ebulição da água a 800 Ré( para pressão 760mm de mercúrio).

Para conversão de temperaturas de uma escala para a outra pode-se usar ábacos, tabela s ou simplesmente fórmulas como segue:

oC = oF - 32 x 5

9

oF = oC x 9 + 32

5

K = oC + 273,15 oR = oF + 459,67 oRé = 4 x

oC

5

3.2.4.2 Dispositivos para medição de temperatura

Definição: Sensores de temperatura são transdutores que alteram uma ou mais de suas características físicas ao se equalizar com o meio a ser determinada a temperatura. A maioria dos sensores se utiliza da transmissão de calor por contato, para assimilar a energia do meio.

Entre os instrumentos baseados nesse princípio, incluem-se os que utilizam:

I - Alterações Físicas: como volume, pressão ,dilatação.

II - Alterações Elétricas: como resistência ôhmica, geração de ddp.

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Alguns instrumentos (pirômetros ópticos e de radiação) utilizam a radiação emitida por um corpo. Neste caso, o elemento de medição assumirá uma temperatura diferente daquela do corpo cuja temperatura se deseja determinar, todavia uma proporcionalidade é mantida.

3.3 SENSORES

Sensores são dispositivos que mudam seu comportamento sob a ação de uma grandeza física, podendo fornecer diretamente ou indiretamente um sinal que indica esta grandeza. Quando operam diretamente, convertendo uma forma de energia em outra, são chamados transdutores. Os de operação indireta alteram suas propriedades, como a resistência, a capacitância ou a indutância, sob ação de uma grandeza, de forma mais ou menos proporcional.

O sinal de um sensor pode ser usado para detectar e corrigir desvios em sistemas de controle, e nos instrumentos de medição, que freqüentemente estão associados aos SC de malha aberta (não automáticos), orientando o usuário.

3.3.1 Características Importantes

3.3.1.1 Linearidade

É o grau de proporcionalidade entre o sinal gerado e a grandeza física. Quanto maior, mais fiel é a resposta do sensor ao estímulo. Os sensores mais usados são os mais lineares, conferindo mais precisão ao SC. Os sensores não lineares são usados em faixas limitadas, em que os desvios são aceitáveis, ou com adaptadores especiais, que corrigem o sinal.

3.3.1.2 Faixa de atuação

É o intervalo de valores da grandeza em que pode ser usado o sensor, sem destruição ou imprecisão.

3.3.2 Aplicação dos Sensores

3.3.2.1 Sensores de temperatura

O controle de temperatura é necessário em processos industriais ou comerciais, como a refrigeração de alimentos e compostos químicos, fornos de fusão (produção de metais e ligas), destilação fracionada (produção de bebidas e derivados de petróleo), usinas nucleares e aquecedores e refrigeradores domésticos (fornos elétricos e microondas, freezers e geladeiras).

3.3.2.2 Tipos de sensores de temperatura

INSTRUMENTO GRANDEZA FÍS. ASSOCIADA

TRANSDUTOR FAIXA DE MEDIÇÃO

(OC)

UTILIZAÇÃO

Termômetro Acústico

Velocidade do som

Cavidade acústica de ressonância

- 273 a - 223 Medição de Laboratório

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Termômetro a Vapor

Pressão Bulbo metálico c/ capilar c/ vapor saturado

- 269 a 100 Medições em Lab. e Indústrias

Termômetro de Germânio

Resistência Elétrica

Cápsula Quadripolar de "Ge"

- 271 a - 173 Med. padrões em Laboratório

Termômetro a Gás

Pressão (geral/a volume etc)

Bulbo metálico c/ capilar c/gás

- 269a 1064 Medições em Laboratório

Termistor Resistência Elétrica

Diodo semicondutor de óxido metálico

- 269 a 200 Contr. Indl. lab. e cond. de ar

Termômetro de Quartzo

Freqüência de oscil. mecânica

Cristal de Quartzo corte em Y

262 a 250 Laboratórios e Indústrias

Termômetro de Resistência

Resistência Elétrica

Bulbo de platina Cu Ni

- 173 a 1064 Laboratórios e indústrias

Termopar Força Eletromotriz União de fios de condut. diferentes

- 253 a 2400 Med. e contr. em lab. e indústrias

Termômetro de Pulso Acústico

Velocidade do Som

Haste Metálica (AI, W, Mo)

- 243 a 3100 nucleares

Laborat. e inds.

Termômetro de líquido em haste de vidro

Expansão Térmica Bulbo de vidro c/capilar c/mercúrio

- 200 a 500 Laboratório e indústria

Termômetro Bi-metálico

Expansão Térmica diferencial

Duas lâminas ou hastes aderentes

- 148 a 400 Contr. Indl. e condic. de ar.

Pirômetro de Radiação total

Radiação eletro magnética

Detetor de radiação (termopilha)

0 a 5000 Medição e contr industriais

Pirômetro de Radiação seletiva

f.e.m. ou Resistência

Foto-Diodo ou sensor de radiação

0 a 5000 Medição e contr. industriais

Pirômetro Óptico Automático

Concentração esp. de radiação

Detetor foto elétrico

750 a 5000 Laboratórios e indústrias

Pirômetro Óptico Manual

Concentração Espectral de luminosidade

Olho Humano 750 a 5000 Laboratórios e indústrias

Tabela de Sensores de Temperatura

A seguir, será abordado o princípio de funcionamento de alguns sensores de temperatura.

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3.3.2.2.1 Termistores

Termistores são resistores termicamente sensíveis. São semicondutores eletrônicos, cuja resistência elétrica varia a temperatura e são úteis industrialmente para detecção automática, medição e controle de temperatura.

Os termistores são extremamente sensíveis a mudanças relativamente pequenas de temperatura; permitem a medição com intervalos de 10 C.

Os termistores que apresentam diminuição de resistência elétrica () em função do aumento da temperatura são denominados termistores NTC (negative temperature coefficent); os que apresentam aumento da resistência elétrica() em função do aumento da temperatura são denominados PTC (positive temperature coefficent).

Passaremos discutir os termistores NTC, uma vez que os termistores PTC não são usados como sensores, em virtude da falta de linearidade de sua curva características.

Os termistores possuem grandes coeficientes de temperatura negativos, em contraste com os termômetros de resistência metálica que possuem pequenos coeficientes de temperatura positivos.

Os termistores são encontrados na forma de bolhas de 0,04 cm de diâmetro, na forma de discos variando de 0,5 a 2,5 cm de diâmetro e na forma de hastes com diâmetro entre 0,08 a 0,6 cm e comprimento de até 5 cm.

Essas unidades são feitas de óxidos metálicos e suas misturas, que são prensadas ou extraídos na forma desejada e confeccionados para produzir um corpo denso como cerâmica. O contato elétrico ode ser feito por fios embutidos no material durante a personagem ou extração, por chapeamento ou por revestimento metálico-cerâmico.

O tempo de resposta pode variar desde uma fração de segundos até minutos, dependendo do tamanho da massa detectora e da capacidade térmica do termistor.

O limite superior de temperatura de funcionamento depende das mudanças físicas do material ou solda usados para ligar as conexões elétricas e é geralmente de 400 oC. O limite inferior de temperatura é -269 oC, porém, industrialmente é usado até -60oC.

Deve-se levar em consideração a manutenção de uma corrente de medição, a mais baixa possível, para se evitar o aquecimento da unidade detectora, de modo que qualquer variação da resistência dependa somente da variação da variação de temperatura da área em volta.

Os termistores podem ser usados para compensação das variações de resistência em circuitos elétricos (principal aplicação), como chave de circuito de segurança e alarme, para viabilizar a tensão de saída em circuitos com uma grave variação na tensão de saída em circuitos com uma grande variação na tensão de entrada e várias outras aplicações.

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3.3.2.2.2 Sistemas Termais

Sistemas termais com capilar preenchido, são tradicionalmente utilizados em indústrias de papel, alimentícias e têxteis.

Consistem de sensores (bulbos) conectados através de um tubo capilar contendo elementos sensíveis a alterações em pressão e volume.

Tais sistemas são simples e baratos, geralmente dispõem de altas respostas dinâmicas.

Sua utilização com transmissores eletrônicos ou pneumáticos, elimina as limitações inerentes às distâncias, bem como minimiza o perigo de dano, ou varia no tubo capilar. Mais ainda, a amplificação imposta pelo transmissor transforma spans estreitos em ranges de aplicação prática, implementando ainda linearidade e resposta.

Especificações de aplicação dos vários tipos de sistemas de tubo preenchido estão listados na tabela que segue. Nesta, temos a classificação dos sistemas termais segundo a SAMA ( Scientific Apparatus Makers Association), a qual define:

-Classe I ( expansão de líquidos);

-Classe II ( expansão de vapor);

-Classe III ( pressão do gás);

-Classe V ( expansão mercúrio);

A classificação Sama também inclui designação alfabéticas, A e B que respectivamente, designam sensores com temperatura superior à caixa do instrumento ( temperatura ambiente) e sensores com temperatura inferior à caixa do instrumento ( e tubo capilar). C indica um sensor que pode ser colocado no ambiente e D denota um sistema que pode operar à condições ambientais.

Sistemas com expansão de líquidos caracterizam-se por apresentarem span estreito, sensores pequenos, escalas uniformes, alta precisão e capacidade de realizar medições diferenciais.

Dispositivos classe IA dispõem de um capilar auxiliar e elemento para propriciar compensação de temperatura ambiente. Sistemas de classe IB, freqüentemente, utilizam técnicas bimetálicas.

Sistemas de expansão de líquidos completamente compensados são complexos e caros.

Tipo Líquido Vapor (a) Gás

Princípio Alteração de volume Alteração de pressão Alteração de pressão

Classe SAM I II III

Fluidos Líquidos orgânicos

(Hidro-Carbonos)

Líquidos orgânicos

(Hidro-Carbonos)

Água

Gases Puros

Limite de range inferior

-2000F (-1300C) -4250F (-2250C) -4550F (-2700C)

Limite de Range superior

+ 6000F (+3150C)

+6000F (+3150C) + 14000F (+7600C)

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Span máximo 6000F (3300C) 4000F ( 2150C) 10000F ( 5500C)

Span mínimo (b) 400F (250C ) 700F ( 400C) (c) 1200F ( 700C)

Temperatura Ambiente-Compensação

IA -plena

IB -caixa

Não requerida -

IIIIB- caixa

Tamanho do sensor média pequeno grande

tamanho típico do sensor (1000C span)

9,5mm(0,375in)x

48mm(1,9in)

9,5mm(0,375in)x

50mm(2in)

22mm(7/8in)x

70mm (6in)

capacidade de sobrecarga

média pequena grande

Efeito de elevação do sensor

nenhuma Classe II-A-Sim

Classe II-B-Não

nenhuma

Efeito de pressão barométrica

nenhuma suave(maior sobre pequenos spans).

suave (maior sobre pequenos spans)

Uniformidade da escala

uniforme não-uniforme uniforme

Precisão 0,5p/ 1,0%span 0,5p/ 1,0% Span 0,5p/ 1,0% span

Resposta (d)

#1 mais rápida

#4-mais lenta.

"4" # 1- Classe IIA

#3 - Classe IIB

#2

Custo o maior o menor médio

Comprimento capilar Padrão Máxima

Classe IA-30mou100ft

Classe IB- 6m ou 20 ft

30m ou ft 30m ou 100 ft.

Tabela de instrumentos para sistemas termais

Notas

a) sistemas Classe II são tomados como SAMA Classe IIA ou IIB. Na Classe IIA, o sensor é sempre mais quente do que o tubo ou a caixa do instrumento. Na classe IIB o sensor é sempre mais frio do que o tubo ou a caixa do instrumento.

b) O span mais estreito varia com temperaturas elevadas.

c) Valores menores disponíveis em regiões criogênicas.

d) Valores dependem do range, comprimento do capilar, dimensões do sensor e tipo do instrumento utilizado.

Sistemas de pressão-vapor são altamente seguros e confiáveis, precisão inerente ao sistema; não requerem compensação para alterações na temperatura ambiente. Instrumentos seguem as curvas de pressão-vapor do fluído utilizado para preenchimento do bulbo e capilar.

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Conseqüentemente, as cartas e indicadores associados não são uniformes, caracterizando-se por espaçamentos mais largos na escala, para temperatura mais elevadas.

Medições correm na interface entre as fases líquido/vapor do preenchimento médio. Se a temperatura no sensor exceder a do capilar e do elemento indicador, o sensor é preenchido com vapor enquanto o capilar e o indicador contêm líquidos.

O oposto é verdadeiro quando a polaridade da temperatura relativa é reversa.

Transições entre líquidos e vapor podem causar operações erradas. Assim, sistemas de vapor podem torna-se inconvenientes para ranges que se estendam a limites que atravessem temperaturas do capilar e elemento sensor. Tais sistemas podem também ser inaceitáveis se registros ou escalas de medição uniforme são desejadas.

Sistemas de pressão-gás situam-se num 20 plano em relação aos dispositivos de pressão-vapor, no que diz respeito a custo e simplicidade. Porém, oferecem o mais largo range de trabalho dentre todos os sistemas de preenchimento termal. Dispositivos convencionais utilizam sensores de grande volume, os quais podem ser adaptados para aplicações particulares em um processo. Por exemplo, para medição da temperatura média em dutos, o sensor pode ser construído segundo um tubo comprido de pequena seção transversal.

Registradores convencionais não são recomendados para spans de temperatura inferiores a 2000F ou 1100C, mais transmissores que tenham como princípio de funcionamento "balanço de força", podem ser utilizados com spans tão estreitos quanto 500F ou 280C.

Com sistemas termais a gás torna-se difícil compensar erros devidos a compensação da temperatura ambiente. Porém, um sensor de dimensões suficientemente grandes pode reduzir tais erros a limites aceitáveis.

Sistemas de expansão do Mercúrio são classificados separadamente de outros sistemas de preenchimento com líquido, devido às propriedades únicas do fluido. Por exemplo, o mercúrio é tóxico e nocivo para alguns produtos e processos industriais. Além disso, a alta densidade do líquido impõe limitações quanto às diferentes elevações entre sensor e instrumento.

Os sensores utilizados nos sistemas com expansão em mercúrio são, geralmente, maiores em diâmetro e mais caro do que aqueles usados em outros sistemas líquidos ou vapor. Por tais razões, o mercúrio é freqüentemente substituído em vapor de outro tipo de enchimento.

3.3.2.2.2.1 Precisão dos sistemas termais

A precisão dos instrumentos com sistema termal é da ordem de 0,5 a 1% de largura da faixa de medição.

Entretanto, essa precisão só pode ser obtida se o bulbo estiver imerso em um líquido bem agitado e se o capilar e o instrumento em si estiverem a uma temperatura ambiente sem grandes variações.

Diversos efeitos contribuem para dificultar as medições com termômetro de sistema termal:

3.3.2.2.2.2 Efeito da temperatura ambiente

Consiste na variação do instrumento quando há uma variação na temperatura ambiente em que se encontra o capilar e/ou a espiral (diferente daquela em que o sistema foi calibrado). Um aumento ou diminuição da temperatura ambiente causará, no caso de sistemas preenchidos

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com líquido, um aumento ou diminuição respectivo no volume do líquido contido no capilar e na espiral, ocasionando erro na indicação.

Igualmente nos sistemas preenchidos com gás, haverá alteração na pressão do gás com u correspondente desvio na medição. Nos sistemas preenchidos com vapor, esta influência não se faz sentir, pois a pressão interna é determinada, exclusivamente, pela temperatura da superfície de contato entre o líquido e o vapor.

Em geral, há necessidades de compensar as variações da temperatura ambiente. Estas compensações podem ser feitas de várias formas:

Compensação de "caixa", na qual somente se compensam as variações dentro da caixa do instrumento. Para tanto, utiliza-se comumente um bimetal ou uma segunda espiral ligada inversamente à primeira, onde o conjunto é mantido de maneira que, as variações de temperatura dentro da caixa, produzem uma rotação do bimetal ou da segunda espiral em sentido oposto à primeira.

Compensação "completa", na qual existe a segunda espiral, ligada a um capilar que é instalado junto ao primeiro. Compensam-se assim as variações de temperatura na caixa e ao longo do capilar. O segundo capilar não possui bulbo.

Outro método para obter uma compensação completa com sistema de mercúrio ( líquido) emprega um fio de Invar, que é colocado dentro do capilar. Os diâmetros do fio e do capilar são calculados para que o aumento de volume intenso do capilar seja exatamente igual ao aumento de volume do mercúrio.

3.3.2.2.2.3 Efeitos da coluna

Os termômetros de dilatação (preenchimento com líquido) são calibrados mantendo-se bulbo na mesma posição relativa em relação à caixa, que quando foi instalado.

Caso contrário, a pressão será aumentada ou diminuída de acordo com as variações da pressão na coluna. O efeito só tem importância nos termômetros com líquido no capilar.

3.3.2.2.2.4 Efeito barométrico

Visto que o movimento do bourdon é relacionado com a diferença entre a pressão interna e a externa (atmosférica), pode haver uma alteração na indicação, se o instrumento for transportado de um bocal para outro com pressão atmosférica diferente.

3.3.2.2.2.5 Efeito de imersão

Se o bulbo não for completamente imerso no meio, a indicação poderá ser incorreta.

3.3.2.2.3 Termopares

3.3.2.2.3.1 Teoria termoelétrica

Dentre os mais de 100 elementos químicos existentes na natureza, cerca de setenta se distinguem por propriedades físico - químicas bem características, apesar das diferenças existentes entre si. Tais elementos são os metais.

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As mencionadas propriedades características se fazem notar principalmente, no estado sólido e são: densidade elevada (decorrente do arranjo muito compacto dos átomos); elevado poder refletor (de onde advém o brilho dito metálico): boa condutibilidade térmica e excelente condutividade elétrica (essas 3 últimas propriedades decorrentes da existência de “elétrons livres” em abundância).

Denominam-se "elétrons livres" ,os elétrons que se distinguem pela grande mobilidade que exibem no interior e na superfície dos metais. São elétrons fracamente ligados aos átomos de origem, sendo que a própria agitação térmica natural da molécula os desprende de suas órbitas atômicas. Estes elétrons livres constituem um verdadeiro "gás eletrônico", que ocupa o espaço vazio entre os átomos.

Em nível elementar, admite-se ma teoria clássica que encontra conformação experimental satisfatória e que exporemos a seguir: metais são condutores eletrônicos, admite-se que, em média, cada átomo contribua com um elétron livre (elétrons de condução, que migra de um átomo para outro, através do condutor).

Seja dado um condutor homogêneo, em forma de fio, com seção transversal invariável S e comprimento I. Aplicando a este condutor uma tensão U, o campo elétrico E que se estabelece dentro dele tem intensidade E = U/I. Por efeito desse campo, os elétrons livres do condutor ficam sujeitos a forças que os impulsionam através do condutor . A força de campo que age em cada elétron é F=(-e ). E ou, em valor absoluto:

e= carga de elétrons F=e . E = e . U/I

3.3.2.2.3.2 Definição de termopar

O aquecimento da junção de dois metais gera o aparecimento de uma diferença de potencial (ddp). Este princípio conhecido por efeito Seebeck propiciou a utilização de termopares para a medição de temperatura

Um termopar consiste de dois condutores metálicos, de natureza distinta, na forma de metais puros ou de ligas homogêneas Os fios são soldados em um extremo ao qual se dá o nome de junta quente ou junta de medição. A outra extremidade dos fios é levada ao instrumento de medição de ddp, fechando um circuito elétrico por onde flui a corrente. O ponto onde os fios que formam o termopar se conectam ao instrumento de medição é chamado de junta fria ou de referência.

Nas aplicações práticas o termopar apresenta-se normalmente conforme a figura.

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3.3.2.2.3.3 Leis fundamentais

Da descoberta dos efeitos Termoelétricos partiu-se através da aplicação dos princípios da termodinâmica, à enunciação das três leis que constituem a base da teoria termoelétrica nas medições de temperatura com termopares, portanto, fundamentados nestes efeitos e nestas leis, podemos compreender todos os fenômenos que ocorrem na medida de temperatura com estes sensores.

3.3.2.2.3.3.1 Lei do Circuito Homogêneo

"A ddp termal, desenvolvida em um circuito termoelétrico de dois metais diferentes, com suas junções às temperaturas T1 e T2, é independente do gradiente de temperatura e de sua distribuição ao longo dos fios ". Em outras palavras , a ddp medida depende única e exclusivamente da composição química dos dois metais e das temperaturas existentes nas junções.

Um exemplo de aplicação prática desta lei é que podemos ter uma grande variação de temperatura em um ponto qualquer, ao longo dos fios termopares, que esta não influirá na ddp

f.e.m = E

A

B

T2 T1 f.e.m = E

A

B

T2 T1

T3

T4

f.e.m = E

A

B

T2 T1 f.e.m = E

C

B

T2 T1

A A T4 T3

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produzida pela diferença de temperatura entre as juntas, portanto, pode-se fazer medidas de temperaturas em pontos bem definidos com os termopares, pois o importante é a diferença de temperatura entre as juntas.

3.3.2.2.3.3.2 Lei dos Metais Intermediários

"A soma algébrica das ddp termais em um circuito composto de um número qualquer de metais diferentes é zero, se todo o circuito estiver à mesma temperatura".

Deduz-se daí que um circuito termoelétrico, composto de dois metais diferentes, a ddp produzida não será alterada ao inserirmos, em qualquer ponto do circuito, um metal genérico, desde que as novas junções sejam mantidas a temperaturas iguais.

Onde se conclui que:

Se: T3 = T4 E1 = E2

T3 T4 E1 E2

Um exemplo de aplicação prática desta lei é a utilização e contatos de latão ou cobre, para interligação do termopar ao cabo de extensão no cabeçote.

3.3.2.2.3.3.3 Lei das Temperaturas Intermediárias.

"A ddp produzida em um circuito termoelétrico de dois metais homogêneos e diferentes entre si, com as suas junções às temperaturas T1 e T3 respectivamente, é a soma algébrica da ddp deste circuito, com as junções às temperaturas T1 e T2 e a ddp deste mesmo circuito com as junções às temperaturas T2 e T3".

Podemos escrever:

E1 = E(538-24)

E2=E(538-38)

E3=E(38-24)

538 OC 38 OC 24 OC

E1

E2

E3 A

A

B

B A

B

T3 T2 T1

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Pode-se mostrar, também que a ddp pode ser medida num circuito termoelétrico, com vários metais e junções a temperaturas diferentes.

A milivoltagem E é igual à soma das milivoltagens de vários circuitos separados, compostos dos mesmos metais e com as junções às mesmas temperaturas.

Um exemplo prático da aplicação desta lei, é a compensação ou correção da temperatura ambiente pelo instrumento receptor de milivoltagem.

3.3.2.2.3.4 Correlação da f.e.m. em função da temperatura.

Visto que a ddp gerada em um termopar depende da composição química dos condutores e da diferença de temperatura entre as juntas, isto é, a cada grau de variação de temperatura, podemos observar uma variação da ddp gerada pelo termopar, podemos, portanto, construir uma tabela de correlação entre temperatura e a ddp por uma questão prática padronizou-se o levantamento destas curvas com a junta de referência à temperatura de 00 C.

Essas tabelas foram padronizadas por diversas normas internacionais e levantadas de acordo com a Escala Prática Internacional de Temperaturas de l968 (IPTS-68), para os termopares mais utilizados.

3.3.2.2.3.5 Potência Termoelétrica

É a relação que expressa a quantidade do milivoltagem, gerada a cada grau Celsius do variação de temperatura. A expressão matemática que define a potência termoelétrica é:

Pt = mV/ 0C

Como a milivoltagem gerada por 1oC de variação é um número, muito pequeno e como a variação da f.e.m. gerada em função da temperatura não é linear, é usual definir-se a potência termoelétrica média no intervalo de utilização de cada termopar e multiplicar-se esse valor por 1000C.

A potência termoelétrica é uma grandeza útil na caracterização e comparação de termopares.

3.3.2.2.3.6 Associação de termopares

Para uma melhor adaptação de termopares aos processos industriais e para atender os objetivos de diversos tipos de medição, costuma-se utilizar de associação de termopares, em série ou em paralelo, cada qual com suas finalidades específicas.

3.3.2.2.3.6.1 Associação Série

A associação em série é utilizada quando se deseja ampliar o sinal elétrico gerado pelo termopar. Como vemos na figura 23, o sinal de um termopar é a f.e.m. "E". Ao efetuarmos a associação em série (no exemplo com 4 termopares iguais) a milivoltagem medida pelo instrumento será igual a 4E.

A aplicação mais comum desse tipo de associação é encontrada nas termo pilhas dos Pirômetros de Radiação pois, como a intensidade de calor que atinge a junta de medida é muito

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pequena precisamos de uma montagem em série, para que a milivoltagem gerada seja suficiente para sensibilizar os aparelhos de medição.

3.3.2.2.3.6.2 Associação em paralelo

Para medirmos a temperatura média ao longo de um grande duto, em grandes fornos ou equipamentos onde a medida pontual não é significativa, podemos usar os termopares, ligado certo número deles em paralelo. A milivoltagem no instrumento ou no ponto de conexão em paralelo é a média daquela produzida pelo número de termopares utilizados. Esta voltagem é igual a soma das voltagens individuais, dividida pelo número de termopares ou é a mesma milivoltagem que poderia ser gerada por um único termopar, na temperatura média.

As ligações em paralelo dos termopares para medidas de temperatura média, é vantajosa, isto porque a calibração do instrumento pode ser a mesma para um único termopar.

Para se obter temperaturas médias reais, as características temperatura versos f.e.m. dos termopares devem ser lineares, através das faixas de temperaturas envolvidas, devendo o instrumento operar dentro do princípio de equilíbrio nulo, onde não existe fluxo de corrente na ocasião da medida.

T1

A B

+ -

T2

A B

+ -

T3

A B

+ -

- E +

E = ( E1 + E2 + E3 ) /3

T1

A B

+ -

T2

A B

+ -

T3

A B

+ -

T4

A B

+ -

- 4E +

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3.3.2.2.3.6.3 Medida de temperaturas diferenciais

Dois termopares podem ser usados na medição de temperaturas diferenciais entre dois pontos. Dois termopares semelhantes são ligados junto com o fio de extensão de mesmo material usado nos termopares.

As conexões são feitas de tal modo, que as forças eletromotrizes desenvolvidas, opõem-se uma contra a outra. Assim se as temperaturas dos dois termopares forem iguais, independentemente da magnitude, a f.e.m. resultante será zero. Quando existem diferentes temperaturas, a milivoltagem produzida corresponderá a esta diferença de temperatura.

A precisão desta medida está vinculada à linearidade da curva de f.e.m. gerada em função da temperatura e do tipo de termopar utilizado para o intervalo de temperatura que se está medindo.

Cuidados especiais devem ser tomados para não haver uma interpretação errada da milivoltagem lida, quando tivermos termopares para medida de temperatura diferencial. Devido à não linearidade da curva do termopar, para mesmos diferenciais de temperatura, teremos diferentes variações de milivoltagem.

3.3.2.2.3.7 Termopares Básicos

São assim chamados os termopares de maior uso industrial, em que os fios são de custo relativamente baixo e sua aplicação admite um limite de erro maior.

TIPO"T"

- Nomenclaturas:

T - Adotado pela Norma ANSI

CC- Adotado pela Norma JIS

Cu - Co

Copper-Constantan

- Liga: (+) Cobre - (99,9%)

(- ) Constantan - São as ligas de Cu-Ni compreendidos no intervalo entre CU50 e Cu65 Ni35. A composição mais utilizada para este tipo de termopar é de Cu58 Ni42.

T1

A B

+ -

T2

A B

+ -

E

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- Identificação da polaridade; o positivo (cobre) é avermelhado.

- Características:

- Faixa de utilização: - 184 a 370o C

- f.e.m. produzida: - - 5,333 a 19,027 mV

- Potência termoelétrica média: 5,14 mV/100oC(para temperaturas positivas)

- Pode ser utilizado em atmosferas a vácuo, inertes, oxidantes ou redutoras.

- Apresenta boa precisão na faixa de utilização, devido a grande homogeneidade do cobre.

- Em temperaturas acima de 310oC o cobre começa a se oxidar e próximo de 400oC, oxida-se rapidamente.

- Com certas precauções e devidamente aferido, pode ser utilizado até - 262oC.

- Aplicações; Criometria (baixas temperaturas), Indústrias de Refrigeração, Pesquisas Agronômicas e Ambientais, Química e Petroquímica.

TIPO "J"

- Nomenclatura:

J - Adotada pela Norma ANSI

IC - Adotada pela Norma JIS

Fe-Co

Iron-Constantan

- Liga: (+) Ferro - (99,5%)

(- ) Constantan - Cu58 NI42, normalmente se produz o ferro e a partir de sua característica casa-se o constantan adequado.

-Identificação de polaridade: o positivo (ferro) é magnético, o negativo não é magnético

- Características:

- Faixa de utilização: 0 a 760oC

- f.e.m. produzida: 0 a 42,922mV

- Potência termoelétrica média: 5,65mV/100oC

- Pode ser utilizado em atmosfera a vácuo, inertes, oxidantes ou redutoras.

- Baixo custo relativo, sendo assim é um dos mais utilizados industrialmente.

- Tem baixa homogeneidade devido à dificuldade de obtenção de ferro com alto teor de pureza.

- Indicado para serviços contínuos até 760oC em atmosfera neutra ou redutora.

- Limite máximo de utilização em atmosfera oxidante de 760oC, devido à rápida oxidação de ferro.

- Utilizar tubo de proteção acima de 480oC.

- Pode ser utilizado, ocasionalmente, para temperaturas abaixo de 0oC, porém, a possível ferrugem ou quebra do ferro , sob esta condição, o tornam inadequado.

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- Aplicação: Centrais de Energia, Metalúrgica, Química, Petroquímica, Indústria em geral.

TIPO "E "

- Nomenclatura:

E - Adotada pela Norma ANS.

CE- Adotada pela Norma JIS

NiCr-Co

- Liga (+) Chromel - Ni90Cr10

(- ) Constantan - Cu58NI42

- Identificação da polaridade: o positivo (Chromel) é mais duro.

- Características:

- Faixa de utilização: 0 a 870o

- f.e.m. produzida: 0 a 66,473mV

- Potência Termoelétrica média: 7,64mV/100oC

- Pode ser utilizado em atmosferas a vácuo, inertes e oxidantes.

- Possui a maior potência termoelétrica dos termopares mais utilizados.

- Em temperaturas abaixo de 0o C os fios não sofrem corrosão, podendo, assim ser utilizado em temperaturas abaixo de 0oC.

- É utilizado em termopilha e em pirômetro de radiação.

- Possui alta estabilidade na f.e.m. (durabilidade) devido à sua resistência à oxidação.

-Vulnerável à atmosfera redutora.

- Aplicações: Química e Petroquímica

TIPO "K"

- Nomenclaturas:

K - Adotada pela Norma ANSI

CA- Adotada pela Norma JIS

NiCr-Ni- Adotada pela Norma DIN

- Liga: (+) Chromel - Ni90Cr10

(-) Alumel - Ni95,4Mn1,8Si1,5AI1,2-

- Identificação da Polaridade: o negativo (alumel) é levemente magnético, o positivo não é magnético.

- Características:

- Faixa de utilização: 0 a 1260oC

- f.em. Produzida: 0 a 50,990mV

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- Potência Termoelétrica média: 4,05mV/100oC

- Pode ser utilizado em atmosferas inertes e oxidantes

- Em altas temperaturas (entre 800 a 1200o C) é mais resistente mecanicamente, do que os tipos S e R, tendo uma vida útil superior ao tipo J.

- Vulnerável em atmosferas redutoras e sulfurosas, com gases como SO2 e H2S, requerendo substancial proteção quando utilizado nestas condições.

- Sua mais importante aplicação ocorre na faixa de 700 a 1260o.

- Pode ser utilizado, ocasionalmente, para temperaturas abaixo de 0oC

- Aplicações: Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundição, Usina de Cimento e Cal, Vidros, Cerâmica, Indústrias em geral.

3.3.2.2.3.8 Termopares Nobres

São aqueles que os pares são constituídos de platina. Embora possuam custo elevado e exijam instrumentos receptores de alta sensibilidade, devido à baixa potência termoelétrica, apresentam uma altíssima precisão, dada a homogeneidade e pureza dos fios .

TIPO "S"

- Nomenclaturas:

S - Adotada pela Norma ANSI

- Liga: (+) Platina Rhodio 10%

(- ) Platina 100%

- Identificação da polaridade: o positivo (Pt90Rh10)é mais duro.

- Características:

- Faixa de utilização: 0 a 1480oC

- f.e.m. produzida: 0a 15,336mV

- Potência termoelétrica média: 1,04mV/1000C

- Pode ser utilizado em atmosferas inertes e oxidantes.

- Apresenta boa precisão em altas temperaturas.

- Define a Escala Internacional Prática de Temperatura/IPTS na faixa de 630,74(ponto de fusão do antimônio) a 1064,43oC (ponto de fusão do ouro), sendo adotado como padrão nesta faixa.

- Utilizado como padrão na calibração de outros termopares.

- Foi desenvolvido em 1886 por Le Chatelier.

- Usado em medidas de alta precisão.

- Não devem ser utilizados em atmosfera redutora, requerendo substancial proteção quando aplicado neste tipo de ambiente.

- Para altas temperaturas (= 1300o), devem ser utilizados isoladores e tubos protetores de alta alumina (tipo 710)

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- Não deve ser utilizado em temperaturas abaixo de 0o C, pois sua curva de f.e.m.X Temperatura varia irregularmente.

- Depois de submetido a altas temperaturas (acima 14800C), para ser utilizado novamente, deve ser aferido.

- Com o uso próximo de seu limite de aplicação, a platina pura apresenta crescimento de grão acentuado, tornado-se quebradiça e isto pode tornar a vida útil do termopar curta, quando aplicado em processos sujeitos a esforços mecânicos (vibração)

- Aplicações; Siderúrgica, Fundição, Metalúrgica, Usina de Cimento, Cerâmica, Vidro e Pesquisa Científica.

É utilizado em Sensores Descartáveis na faixa de 1200 a 1768o, para medição de temperatura de metais líquidos em Siderúrgicas e Fundições.

TIPO"R "

- Nomenclaturas:

R - Adotada pela Norma ANSI

PtRh 18%

- Liga: (+) Platina 87% Rhodio 13%

(- ) Platina 100%

- Identificação da Polaridade: o positivo (Pt87Rh13) é mais duro.

- Características:

- Faixa de utilização: 0 a 1480o C

- f.e.m. produzida: 0 a 17,163mV

- Potência termoelétrica média, 4,16mV/100oC

- Possui as mesmas características gerais do tipo S, porém tem uso industrial menor que este.

- Possui uma potência termoelétrica cerca de 11% maior que o tipo S.

- É um tipo recente, surgido a cerca de 40 anos atrás, devido à necessidade de se adaptar a alguns instrumentos que apresentavam erros da ordem de 20%.

- Aplicações: As mesmas do tipo "S "

TIPO "B "

- Nomenclaturas:

B - Adotada pela Norma ANSI

Couple 18 (termopar 18) Na Alemanha

PtRh,30 - Pt Rh 6

- Liga: (+) Platina 70% Rhodio 30%

(- ) Platina 94% Rhodio 6%

- Identificação da Polaridade: o positivo (Pt70Rh30) é mais duro.

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- Características:

- Faixa de utilização: 870 a 1705oC

- f.e.m. produzida: 3.708 a 12,485mV

- Potência termoelétrica média: 1,05mV/1000C

- Pode ser utilizado em atmosferas inertes, oxidantes e por curto período de tempo em vácuo.

- É utilizado em medidas constantes de temperaturas elevadas (acima de 14000C)

- Apresenta melhor estabilidade na f.e.m. e resistência mecânica, do que os tipos "S "e "R"a temperaturas elevadas.

- Não necessita de compensação da junta de referência, se a temperatura desta não exceder a 50oC.

- Não necessita de cabo de compensação se a temperatura de seus terminais não exceder a 100oC.

- Não pode ser utilizado em temperatura inferior a 1000C.

- Deve-se utilizar isoladores e tubos protetores de alta alumina (tipo 710)

- Aplicações: Vidro, Siderúrgica, alta temperatura em geral.

3.3.2.2.3.9 Novos Tipos de Termopares

Aos longos dos anos os tipos de termopares produzidos oferecem, cada qual, uma característica especial porém, apresentam restrições de aplicação, que devem ser consideradas.

Novos tipos de termopares foram desenvolvidos para atender às condições de processo onde os termopares básicos não podem ser utilizados.

Tungstênio - Rhênio

Tungstênio/Tungstênio 26% Rhênio

Tungstênio 3% Rhênio/Tungstênio 25% - Rhênio

Tungstênio 5% Rhênio/Tungstênio 26% - Rhênio

Destes, o primeiro é o mais barato, porém o "braço"de Tungstênio puro está sujeito a tornar-se quebradiço.

Esses termopares podem ser usados continuamente até 2300oC e por curto período até 2750oC no vácuo, na presença de hidrogênio puro ou gás inerte. A ASTM( American Society for Testing and Materiais) tem publicado padrões para os termopares 3/25 e 5/26 com uma tolerância de 1% Isolação de BeO ou ThO2 tem sido recomendada para esses termopares embora alguma reação possa ocorrer entre os fios e a isolação no limite superior à temperatura de utilização.

Iridio 40% Rhodio/Iridio

Termopares feitos a partir de precauções variáveis destes dois elementos. São os únicos que podem ser usados sem proteção no ar até 2000o C embora, somente por períodos limitados.

Podem ser usados no vácuo ou atmosfera inerte. Os fios tornam-se quebradiços e frágeis devido ao crescimento dos grãos após longo período de exposição a altas temperaturas.

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Platina - 40% Rhodio/Platina 20% Rhodio

Esses termopares são utilizados em substituição ao tipo B onde temperaturas um pouco mais elevadas são requeridas. Podem ser usado continuamente até 1600oC e por curto período até 1800oC ou 1850oC.

Ouro - Ferro/Chremel

Esses termopares são desenvolvidos para trabalhar em temperaturas orogênicas e podem ser usados até - 272, 15o, porém o coeficiente de Seebeck, dr/dT sofre uma redução abaixo de -268,15oC, o que é o limite mais realístico.

Tabelas de referência têm sido publicadas pela NBS (National Bureau of Standards).

Nisil/Nicrosil

Desenvolvido pelo "Materiais Research Laboatories"do Departamento Australiano de Defesa, este termopar tem sido aceito e aprovado mundialmente, estando inclusive normalizado pela ASTM e NBS.

Basicamente este novo par termoelétrico é um substituto para o par tipo K, apresentando uma força eletromotriz um pouco menor em relação ao tipo K (conforme NBS 161), maior estabilidade a altas temperaturas, menor drift x tempo, excelente resistência à oxidação e maior vida útil.

3.3.2.2.3.10 Limites de erro

Os termopares são normalmente fornecidos na forma de pares de fios "casados"

Nessas condições, estes devem obedecer a certas normas preestabelecidas, por associações de Normas Técnicas.

Entende-se por erro de um termopar, o máximo desvio que este pode apresentar em relação a um padrão , que é adotado como "Padrão Absoluto".

O erro do termopar pode ser expresso em graus de temperatura ou em porcentagem da temperatura medida.

3.3.2.2.3.11 Fios e cabos de extensão e compensação

3.3.2.2.3.11.1 Considerações Gerais

Na maioria das aplicações industriais de medição de temperatura, através de termopares, o elemento sensor não se encontra junto ao instrumento receptor.

Nessas condições torna-se necessário que o instrumento seja ligado ao termopar através de fios que possuam uma curva de força eletromotriz em função da temperatura similar àquela do termopar, a fim de que no instrumento, possa ser efetuada a correção da junta de referência.

Em síntese, fios e cabos de extensão e compensação nada mais são que outros termopares cuja função é compensar a ddp ocasionada pela diferença e temperatura entre o cabeçote e o registrador.

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Definições: Convenciona-se chamar de fios aqueles condutores constituídos por um eixo sólido e de cabos aqueles formados por um feixe de condutores de bitola menor, formando um condutor flexível.

Chamam-se fios e cabos de extensão aqueles fabricados com as mesmas ligas dos termopares a que se destinam. Exemplo: Tipo TX, JX, EX, KX.

Chamam-se fios e cabos de compensação aqueles fabricados com ligas diferentes das dos termopares a que se destinam, porém fornecem à temperatura especificada para sua utilização uma curva da ddp em função da temperatura equivalente à destes termopares. Exemplo: WX, SX, BX.

3.3.2.2.3.11.2 Faixa de utilização e limites de erro

Os fios e cabos de extensão e compensação são recomendados, na maioria dos casos, para utilização desde a temperatura ambiente até um limite máximo de 200oC.

3.3.2.2.3.11.3 Cabos de extensão e compensação com isolação mineral

Existem aplicações específicas em que, devido às condições severas do ambiente - temperatura, umidade, resistência mecânica - não podem ser aplicados os cabos de extensão e compensação com as isolações "tradicionais". Nestes casos, utilizam-se cabos de extensão e compensação com isolação mineral, que atendem às exigências do ambiente de utilização com longa vida útil, eliminando-se também a necessidade de utilização de condutores.

3.3.2.2.3.11.4 Recomendações para instalação de fios e cabos de extensão e compensação.

Não se recomenda a utilização de cabos ou fios menores que 16 AWG, para uso em conduítes, pois estes não têm suficiente resistência à tração. No entanto, os fios de bitola 20 AWG podem ser usados quando em conjunto de feixes reforçados adequadamente (multi-cabo), para dar maior resistência à tração.

A resistência total do fio ou cabo é importante quando este for ligado a um instrumento do tipo galvanométrico. Estes instrumentos requerem, muitas vezes, um valor definido da resistência de linha, sendo este valor informado pelo fabricante do instrumento.

Para instrumentos do tipo potenciométrico, que possuem uma alta impedância interna, o valor da resistência dos fios de extensão não é crítica e, portanto, não é levada em consideração.

A isolação usada nos cabos deve ser escolhida de tal maneira a resistir às condições do ambiente onde irá trabalhar, levando-se em consideração todas as variáveis, tais como: temperatura, solicitação mecânica, umidade, presença de óleo ou outros componentes químicos.

Os fios ou cabos devem ser sempre instalados de maneira a estarem protegidos do aquecimento excessivo, que é nocivo à isolação e aos condutores.

Sempre que possível devem ser instalados em conduítes, de tal modo que não fiquem sujeitos à flexão ou curvaturas, que podem, eventualmente, alterar suas características termoelétricas: portanto, o layout do conduíte para fio de extensão ou compensação deve ser bem planejado, sendo aconselhável o caminho mais curto.

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Esse deve, ainda, ir do cabeçote até o terminal do instrumento, em um comprimento contínuo sem emendas. Quando esta for inevitável, deve ser feita de tal maneira que haja um contato íntimo ente os fios no terminal de emenda e a polaridade deve ser observada com rigor.

Os fios e cabos de extensão ou compensação não devem ser passados paralelamente ou próximos às linhas de força.

Quando esses forem instalados sob a terra, deve-se utilizar isolações à prova d'água.

Os fios e cabos devem ser limpos para fixação no bloco terminal e no terminal do instrumento, devendo-se obedecer, com rigor, a polaridade nas ligações.

3.3.2.2.3.11.5 Erros produzidos pela inversão de fios e cabos de extensão e compensação

A) Inversão simples

Inversão simples.

A pena do registrador irá bater no início de escala, pois está recebendo uma milivoltagem de - 19,202 mV.

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Inversão dupla.

O registrador irá indicar que o forno está a 511oC, quando na realidade está a 538oC; portanto, indicará com um erro de -27oC.

A dupla inversão acontece com freqüência pois, quando uma simples inversão é constatada, é comum pensar-se que uma nova troca na ligação dos terminais compensará o erro, Porém, isto não acontece. É evidente que, se o Cabeçote e o Registrador estiverem à mesma temperatura, a dupla inversão não ocasionará discrepância na medição.

3.3.2.2.3.12 Recomendações para seleção dos termopares

A escolha de um termopar para um determinado serviço deve ser feita considerando-se todas as características e normas exigidas pelo processo, tais como:

a) Faixa de temperatura - A faixa de temperatura do termopar deve ser compatível com a do processo.

b) Precisão - Escolher o termopar que melhor atende a precisão requerida pelo processo ou por normas aplicáveis.

c) Potência termoelétrica - Escolher o termopar que apresente maior potência termoelétrica na faixa de temperatura do processo, o qual será aplicado.

d) Condições de trabalho - Analisar as condições de trabalho como exigências mecânicas e atmosfera do processo, para especificar convenientemente o material da proteção.

e) Velocidade de resposta - Em certos processo, a velocidade de resposta é importante, portanto, nesses casos, deve-se dimensionar adequadamente o termopar para atender este item.

f) Custo - Deve-se escolher o termopar que atenda todas as exigências técnicas requeridas e apresente o menor custo relativo.

A fabricação de termopares requer técnicas especiais, portanto, se o equipamento e habilidade requerida para fabricação dos mesmos não forem adequados, é recomendado que o

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usuário compre os termopares prontos, pois técnicas impróprias podem resultar em erro significativos na medição de temperatura.

Os fios para confecção de termopares devem ser comprados de preferência em pares, para assegurar a precisão dentro dos limites de erros normalizados.

É essencial que o termopar tenha a mesma calibração que o instrumento com o qual será usado.

Para os termopares tipo "S ", "R " e "B ", recomenda-se que o isolante seja de óxido de alumínio e em uma só peça em todo o seu comprimento, conseguindo-se assim um conjunto adequado a minimizar o "cansaço" do fio de metal nobre.

A proteção é utilizada na maioria das instalações dos termopares para prevenir a contaminação destes, a proteção mecânica e a sustentação.

O diâmetro da proteção deve ser adequado para acomodar o elemento do termopar, entretanto, proteções com diâmetros maiores são necessários para aumentar a resistência mecânica, permitir a introdução de um termopar de checagem e manter uma atmosfera oxidante dentro do tubo de proteção para utilização dos termopares tipo "K " e "E ".

3.3.2.2.3.13 Recomendações para instalação dos termopares

A instalação do termopar deve ser perfeitamente adequada, para que este apresente boas características de precisão, manutenção e vida útil.

O comprimento da proteção e do elemento do termopar deve ser de tal forma que acomode a junta de medição , bem no meio do ambiente em que se deseja medir a temperatura. Um comprimento de inserção mínimo recomendado é da ordem de 8 a 10 diâmetros da proteção, para minimizar o erro por condução, Esta deverá, ainda, estar internamente limpa e livre de componentes sulfúricos, óleos, óxidos e umidade.

O cabeçote é recomendado para que sejam feitas as conexões entre o termopar e o cabo de extensão , permitindo também, a fácil substituição do elemento termopar. A proteção deverá se estender até a face externa do equipamento cerca de 100 mm, de tal modo que a temperatura do cabeçote seja aproximadamente igual ao ambiente externo do equipamento, devendo esta nunca exceder a faixa de utilização recomendada para fios e cabos de extensão e compensação. Isto deve ser rigorosamente observado quando se utiliza cabos de compensação.

Em equipamentos com aquecimento a gás ou óleo combustível, a chama não deve atingir a proteção diretamente pois, caso isto ocorra, teremos uma medida incorreta da temperatura, além de reduzir a vida útil da proteção.

Quando se utilizam termopares com tubo de proteção cerâmica, antes de sua inserção em ambiente com temperatura elevada, deve-se pré-aquecer os tubos, a fim de evitar o choque térmico e, conseqüentemente, a quebra do tubo.

A proteção deve ser presa ao equipamento, de tal modo que se evite o escape de gases do processo pois, caso isto ocorra, estes podem vir a atacar o elemento termopar, o que diminuirá sua vida útil.

Nas medições de temperaturas elevadas deve-se, preferivelmente, colocar o termopar na vertical, para evitar, assim a deformação da proteção, devido ao peso próprio.

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3.3.2.2.4 Sensores de temperatura do tipo Bulbo de Resistência

Os métodos de utilização de resistência para medição de temperatura iniciaram-se ao redor de 1835, com Faraday, porém só houve condições de se elaborar as mesmas para utilização em processos industriais a partir de 1925.

Esses sensores adquiriram espaço nos processos industriais por suas condições de alta estabilidade mecânica e térmica, resistência à contaminação, baixo índice de desvio pelo envelhecimento e tempo de uso.

Devido a estas características, esse sensor é padrão internacional para a medição de temperatura na faixa de -270o a 660oC , em seu modelo de laboratório.

3.3.2.2.4.1 Princípio de funcionamento

Os bulbos de resistência são sensores que se baseiam no princípio de variação da resistência em função da temperatura. Os materiais mais utilizados para a fabricação destes tipos de sensores são a platina, cobre ou níquel, que são metais que apresentam características de:

Alta resistividade, permitindo assim uma melhor sensibilidade do sensor.

Ter alto coeficiente de variação de resistência com a temperatura.

Ter rigidez e dutibilidade para ser transformado em fios finos.

3.3.2.2.4.2 Construção física do sensor

O bulbo de resistência se compõe de um filamento, ou resistência de Pt, Cu ou Ni, com diversos revestimentos, de acordo com cada tipo e utilização.

As termoresistências de Ni e Cu têm sua isolação normalmente em esmalte, seda, algodão ou fibra de vidro. Não existe necessidade de proteções mais resistentes à temperatura, pois acima de 300oC o níquel perde suas características de funcionamento como termoresistência e o cobre sofre problemas de oxidação em temperaturas acima de 310oC.

Os sensores de platina, devido a suas características, permitem um funcionamento até temperaturas bem mais elevadas, têm seu encapsulamento normalmente em cerâmica ou vidro. A este sensor são dispensados maiores cuidados de fabricação pois, apesar da Pt não restringir o limite de temperatura de utilização, quando a mesma é utilizada em temperaturas elevadas, existe o risco de contaminação dos fios.

Para utilização como termômetro padrão, os sensores de platina são completamente desapoiados do corpo de proteção. A separação é feita por isoladores, espaçadores de mica, conforme desenho ao lado. Esta montagem não tem problemas relativos à dilatação, porém é extremamente frágil.

Os medidores parcialmente apoiados têm seus fios introduzidos numa peça de alumínio de alta pureza com fixador vítreo. É um meio termo entre resistência à vibração e dilatação térmica.

A versão completamente apoiada pode suportar vibrações muito mais fortes, porém sua faixa de utilização fica limitada a temperaturas mais baixas; devido à dilatação dos componentes.

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3.3.2.2.4.3 Características da Termoresistência tipo Pt 100 a 0oc

As termoresistências Pt 100 a 00C são as mais utilizadas industrialmente, devido a sua grande estabilidade, larga faixa de utilização e alta precisão.

A estabilidade é um fator de grande importância na indústria, pois é a capacidade do sensor manter e reproduzir suas características (resistência - temperatura) dentro da faixa especificada de operação.

Outro fator importante num sensor Pt 100 é a repetibilidade, que é a característica de confiabilidade da termoresistência. Repetibilidade deve ser medida com leitura de temperaturas consecutivas, verificando-se a variação encontrada quando de medição novamente na mesma temperatura.

O tempo de resposta é importante em aplicações onde a temperatura do meio em que se realiza a medição está sujeito a mudanças bruscas. Considera-se constante de tempo como tempo necessário para o sensor reagir a uma mudança na temperatura e atingir a 63,2 da variação de temperatura.

Apenas como exemplo, apresentamos abaixo valores de resposta para 50% e 90% , para variações de 10oC em relação à temperatura ambiente, em água corrente com velocidade 0,4 m/seg para sensores sem proteção.

Outra característica da termoresistência Pt 100 é o auto-aquecimento, que é causado pela corrente que passa pela resistência.

3.3.2.2.4.4 Ligações

As termoresistências são normalmente ligadas a um circuito de medição tipo Ponte de Wheatstone. Este circuito tem uma configuração conforme se apresenta abaixo.

O circuito encontra-se balanceado quando é respeitada a relação R4 . R2 = R3 . R1 e desta forma não circula corrente pelo detetor de nulo, pois se esta relação é verdadeira, os potenciais nos pontos 1 e 2 são idênticos. Para utilização deste circuito como instrumento de medida de termoresistências, procedemos as seguintes montagens:

R1

R4

1 2

R2

R3

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Nessa montagem, R4 é a termoresistência e R3 é a resistência variável para balanceamento do circuito.

As resistências indicadas como RL1 e RL2 são resistências de fiação e ambas estão em série com R4. Esta resistência de fiação tende a aumentar quanto maior for a distância entre o sensores e o medidor, quanto menor a bitola do fio ou maior a temperatura ambiente. Este tipo de ligação pode ser usado com relativa precisão até uma distância do sensor ao aparelho de 10 metros.

Ligação a 3 fios:

É o método mais usado para termoresistência na indústria. Neste circuito à bateria é conectada no ponto físico mais próximo possível do sensor, permitindo assim RL1 passe para o outro braço da ponte, balanceando o circuito. Desta forma, temos:

111322422

1

13

24 .... RRRRRRRRR

R

RR

RRLL

L

L

Supondo R1 = R2 e RL1 = RL2 tem-se:

341

134

1341

11111341

11131141

.

..

....

....

RRR

RRR

RRRR

RRRRRRRR

RRRRRRRR

LL

LL

R1

R4

R2

R3

RL

RL

R1

R4

R2

R3

RL

RL

RL

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3.3.2.2.4.5 Aferição

Apesar de extremamente preciso em sua utilização e de seus baixos limites de erro, são necessários métodos de aferição para a determinação de sensores de alta precisão.

Para se efetuar a atenção de um termômetro de resistência utilizam-se 2 métodos básicos, que são:

A) Método dos pontos fixos:

Utilizam-se pontos físicos para verificação da aferição do sensor. Os pontos fixos utilizados são:

Banho de gelo 0,00oC

Ponto triplo da água 0,01oC

Ebulição da água 100,00oC

Solidificação do estanho 231,9681oC

Solidificação do zinco 419,58oC

B) Método da comparação:

Para se realizar esse método é necessária a utilização de um termômetro de resistência já aferido. Normalmente este padrão é m sensor Pt 25 a 0oC, com certificado de aferição em décimo de grau.

A comparação é efetuada utilizando-se um forno de aferição, tendo-se o cuidado de se equalizar a temperatura no forno e nas termoresistências.

3.3.2.2.4.6 Recomendações para instalação de termoresistências

Para que se tenha um perfeito funcionamento do sensor, são necessários certos cuidados de instalação, bem como armazenagem e transporte, conforme segue:

I- Deve-se especificar materiais da proteção e ligação capazes de operar na temperatura de operação requerida.

II - O sensor deve ser imerso completamente no processo, para se registrar a temperatura correta. A imersão mínima deve ter o mesmo valor do corpo do sensor, excluindo-se proteção.

III - Deve-se evitar choques mecânicos nas peças, pois estes podem danificar o sensor.

IV - Em locais sujeitos à vibração, deve-se utilizar sensor com isolação mineral.

V - Deve-se utilizar fios de mesma bitola para interligação da termoresistência.

VI - Para se efetuar o transporte, a embalagem deve ser adequada para evitar choques mecânicos.

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3.3.2.2.4.7 Vantagens e desvantagens

A) Vantagens

I - Possuem maior precisão dentro da faixa de utilização do que outros tipos de sensores.

II - Com ligação adequada não existe limitação para distância de operação.

III - Dispensa utilização de fiação especial para ligação,

IV - Se adequadamente protegido, permite utilização em qualquer ambiente.

V - Têm boas características de reprodutibilidade.

VI - A montagem do tipo isolação mineral pode ser utilizada como termopar de mesma montagem, com precisão bem superior.

B) Desvantagens

I - São mais caras do que os sensores utilizados nessa mesma faixa.

II - Deterioram-se com mais facilidade, caso haja excesso na sua temperatura máxima de utilização.

III - Temperatura máxima de utilização 630o C.

IV - É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura equilibrada para indicar corretamente.

V - Alto tempo de resposta.

3.3.2.2.5 Sensores de temperatura NTC e PTC

São resistores dependentes de temperatura.

O NTC (Negative Temperature Coeficient, Coeficiente Negativo de Temperatura), tem resistência inversamente proporcional à temperatura. Ele é feito de compostos semicondutores, como os óxidos de ferro, magnésio e cromo. Segue a equação abaixo:

R = A e B/T

A e B são coeficientes que variam com a composição química e "e" é o número de Neper, 2.718. T é a temperatura, em graus Kelvin (some 273 à temperatura em Celsius, para conversão).

Sua curva característica é, então, exponencial decrescente.

Devido a seu comportamento não linear, o NTC é utilizado numa faixa pequena de temperaturas, em que a curva é próxima de uma reta, ou com uma rede de linearização.

O NTC é empregado em temperaturas de até uns 150º C.

O PTC (Positive Temperature Coeficient) tem resistência proporcional à temperatura, e atua numa faixa restrita. A variação da resistência é maior que a de um NTC, na mesma faixa. Seu uso é mais freqüente como sensor de sobretemperatura, em sistemas de proteção, por exemplo, de motores.

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3.3.2.2.6 Diodos como sensores de temperatura

O diodo comum de silício, polarizado diretamente com corrente de 1mA, tem queda de tensão próxima de 0.62V, a 25oC. Esta tensão cai aproximadamente 2mV para cada ºC de aumento na temperatura, e pode ser estimada pela equação:

Vd = A - BT

A e B variam um pouco conforme o diodo. Esta equação é de uma reta, e vale até uns 125 ºC, limite para o silício.

O diodo é encontrado em controles e termômetros de baixo custo e razoável precisão, até uns 100 ºC.

3.3.2.2.7 Sensores integrados

Há circuitos integrados sensores de temperatura, como o LM 335, da National.

Oferecem alta precisão, por conterem circuitos linearizados. Operam de 0 a 100ºC aproximadamente.

3.3.2.3 Sensores de luz

Além de seu uso em fotometria (incluindo analisadores de radiações e químicos), é a parte de sistemas de controle de luminosidade, como os relés fotoelétricos de iluminação pública e sensores indiretos de outras grandezas, como velocidade e posição (fim de curso).

3.3.2.3.1 LDR

O LDR (light dependent resistor, resistor dependente da luz) tem sua resistência diminuída ao ser iluminado. É composto de um material semicondutor, o sulfeto de cádmio, CdS. A energia luminosa desloca elétrons da camada de valência para a de condução (mais longe do núcleo), aumentando o número destes, diminuindo a resistência. A resistência varia de alguns m, no escuro, até centenas de , com luz solar direta.

Os usos mais comuns do LDR são em relés fotoelétricos, fotômetros e alarmes. Sua desvantagem está na lentidão de resposta, que limita sua operação.

3.3.2.3.2 Foto-diodo

É um diodo semicondutor em que a junção está exposta à luz. A energia luminosa desloca elétrons para a banda de condução, reduzindo a barreira de potencial pelo aumento do número de elétrons, que podem circular se aplicada polarização reversa.

A corrente nos foto-diodos é da ordem de dezenas de mA com alta luminosidade, e a resposta é rápida. Há foto-diodos para todas as faixas de comprimentos de onda, do infravermelho ao ultravioleta, dependendo do material.

O foto-diodo é usado como sensor em controle remoto, em sistemas de fibra óptica, leitoras de código de barras, scanner (digitalizador de imagens, para computador), canetas

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ópticas (que permitem escrever na tela do computador), toca-discos CD, fotômetros e como sensor indireto de posição e velocidade.

3.3.2.3.3 Foto-transistor

É um transistor cuja junção coletor-base fica exposta à luz e atua como um foto-diodo. O transistor amplifica a corrente, e fornece alguns mA com alta luminosidade. Sua velocidade é menor que a do foto-diodo.

Suas aplicações são as do foto-diodo, exceto sistemas de fibra-óptica, pela operação em alta freqüência.

3.3.2.3.4 Células fotovoltaicas

São dispositivos que convertem energia luminosa em elétrica.

O diodo iluminado intensamente na junção pode reverter a barreira de potencial em fonte de elétrons, produzindo energia. A eficiência do processo é baixa devido a pouca transparência da junção (somente as camadas superficiais são iluminadas).

Seu uso principal está nos painéis solares.

Outro dispositivo é a foto-célula de selênio (um semicondutor), de operação similar. Usa-se em medidores de luminosidade e aparelhos de análise química (como fotocolorímetros).

3.3.2.4 Sensores de velocidade

Empregam-se nos controles e medidores de velocidade de motores dentro de máquinas industriais, eletrodomésticos como videocassete e CD, unidades de disquetes e Winchesters de computadores, na geração de eletricidade (garantindo a freqüência da CA), entre outros.

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3.3.2.4.1 Tacogerador

É um pequeno gerador elétrico de CC, com campo fornecido por imã. A tensão gerada, pela Lei de Faraday é proporcional à velocidade com que o fluxo magnético é cortado pelo enrolamento do rotor. Assim, o Tacogerador é um transdutor mecânico elétrico linear.

V = K n

K é uma constante que depende do campo do imã, do número de espiras e pólos e das dimensões do rotor; n é a rotação do eixo (por minuto, rpm, ou segundo, rps).

A polaridade da tensão gerada depende do sentido de rotação.

3.3.2.4.2 Interruptor de lâminas

Conhecido como reed-switch (em inglês), compõe-se de duas lâminas de ferro próximas, dentro de um pequeno envoltório de vidro. Ao se aproximar um imã ou solenóide as duas lâminas se encostam, fechando os contatos externos.

Instalando-se um imã na periferia de uma roda, que gira poucos mm em frente ao interruptor de lâminas, este fechará os contatos a cada volta. Se este for ligado a uma tensão contínua, gerará pulsações numa freqüência proporcional à rotação da roda.

Além de seu uso como sensor de velocidade, é encontrado em alarmes, indicando porta ou janela fechada (um imã é instalado nesta, e o reed-switch no batente), e em sensores de fim-de-curso, em máquinas industriais, gavetas de toca-discos CD e videocassete, etc.

Como não há possibilidade de um acesso direto às lâminas, para que se possa acionar o dispositivo, faz-se uso de um campo magnético externo. Este campo magnético atua sobre as lâminas que se magnetizam por indução e com isso se flexionam para fechar o circuito encostando uma na outra ou então fazendo uma comutação num sistema de três lâminas.

Para obter uma operação deste dispositivo com característica que permitam sua utilização com o máximo de confiabilidade, todas as partes devem obedecer a certos requisitos.

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As lâminas

Evidentemente o material com que são fabricadas as lâminas devem ter propriedades ferromagnéticas, para que possam sofrer uma magnetização sob a ação de um campo externo. O material usado é o ferro-níquel, uma liga de alta permeabilidade para que não haja perda do fluxo magnético. A retenção magnética deve ser o menor possível para evitar que o magnetismo remanescente prejudique o funcionamento do dispositivo quando o campo externo desaparece. A presença desta retenção fariam com que os contatos "grudassem" permanecendo o dispositivo ligado mesmo depois de retirado o campo externo de acionamento.

O coeficiente de dilatação da lâminas deve ser equivalente ao do vidro do encapsulamento para evitar problemas durante o processo de soldagem. Uma dilatação desigual com o aquecimento poderia resultar em micro-trincas no vidro que causariam a fuga do gás interno do dispositivo que, conforme veremos é de grande importância tanto no desempenho do dispositivo como na determinação de sua vida útil.

A superfície das lâminas deve ser totalmente limpa, isenta de gases que possam causar problemas de funcionamento.

Finalmente, a dureza da liga de ferro-níquel deve ser rigorosamente controlada.

O vidro

O vidro usado na construção dos reed-switches deve apresentar características especiais.

Uma delas é a alta resistividade, pois as lâminas fazem contato internamente a ampola e portanto este deve funcionar como um perfeito isolante.

Nas ampolas que possuem sistemas reversíveis, existe uma pequena pastilha de quartzo entre as lâminas NA e NF, para garantir a isolação neste ponto em que existe uma grande proximidade física entre eles. conforme a figura que segue.

É obvio que, pelas mesmas razões expostas, ao falarmos das lâminas o vidro deve ter um determinado coeficiente de dilatação. Para aumentar a capacidade de dissipação de calor do dispositivo, óxido de fero é acrescentado ao vidro, o que lhe dá a coloração esverdeada o que caracteriza este tipo de componente.

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Contatos

Mínima resistência ôhmica, capacidade de resistir ao faiscamento, são algumas das exigências para estes elementos dos reed-switches.

Estas características são resultantes de banhos eletrolíticos rigorosamente controlados. O material mais usado é a liga de Ródio/rutênio que tem um ponto de fusão de aproximadamente de 2000 oC e apresenta uma resistência de contato inicial que pode variar entre 50 e 200 miliohms dependendo do tipo de ampola.

As ampolas com contato NA de Ródio/rutênio, comutam, dependendo de seu tamanho potências de 10 a 15 watts.

Para comutação de potência mais elevadas, até 100 W com contatos NA, existem ampolas com contatos de tungstênio, que tem um ponto de fusão bem mais alto, de 3387 oC, mas com resistências de contato mais elevadas, da ordem de 500

3.3.2.4.3 Sensores ópticos

Empregam foto-diodos ou foto-transistor e uma fonte luminosa, lâmpada, LED ou laser. Há dois tipos básicos:

1- Sensor de reflexão

2- Interrupção de luz.

TIPO BARREIRA

OBJETO DETECTADO

FONTE DE LUZ SENSOR

TIPO REFLEXIVO

ELEMENTO TRANSMISSOR ESPELHO

ELEMENTO TRANSMISSOR

No sensor de reflexão um feixe luminoso atinge um disco com um furo ou marca de cor contrastante, que gira. O sensor recebe o feixe refletido, mas na passagem do furo a reflexão é interrompida (ou no caso de marca de cor clara a reflexão é maior), e é gerado um pulso pelo sensor.

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O sensor de interrupção de luz usa também um disco com furo, e a fonte de luz e o sensor ficam em lados opostos. Na passagem pelo furo, o feixe atinge o sensor, gerando um pulso.

A freqüência destes pulsos é igual à velocidade, em rps, nos dois tipos.

As vantagens destes sensores são o menor tamanho e custo, a maior durabilidade e a leitura à distância. É usado em sistemas de controle e tacômetros portáteis.

3.3.2.5 Sensores de vazão

Servem para medir o fluxo de líquidos em tubulações.

3.3.2.5.1 Sensor tipo pá rotativa

Se instalarmos uma turbina ou roda dentada numa tubulação, o fluxo fará esta girar, convertendo a vazão em velocidade, que pode ser medida como já visto.

3.3.2.5.2 Sensor de fluxo

A função destes equipamentos é detectar se uma tubulação apresenta ou não fluxo em seu interior, ou ainda acusar se houve aumento ou queda de vazão em relação a um valor pré-estabelecido. Utilizados como elementos de proteção, podem ligar ou desligar alarmes, bombas ou qualquer outro dispositivo de controle.

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3.3.2.5.3 Sensor por diferença de pressão

Quando uma tubulação se estrangula, pela redução do diâmetro, há uma queda de pressão, e a velocidade do fluído aumenta. Medindo-se a diferença de pressão através do desnível numa coluna de mercúrio, pode-se calcular a vazão.

Este processo é usado em medidores de vazão em processos industriais, não automáticos.

3.3.2.5.4 Medidor de vazão tipo deslocamento positivo

Medidor de vazão VDP utiliza duas engrenagens que são acionadas pelo fluido cuja vazão está sendo medida. Imãs insertados nas engrenagens sensibilizam um sensor externo, sem contato com o fluido, gerando pulsos de saída. Cada pulso representa um volume bem conhecido. A unidade eletrônica converte os pulsos em uma unidade de engenharia conhecida podendo ser mostrado a distância do display do indicador ou ser transmitido em sinal analógico de 4–20mA ou ainda interligado a um equipamento por comunicação serial RS485.

3.3.2.5.5 Medidor de vazão tipo turbina

O medidor de vazão tipo turbina consiste basicamente de um rotor, montado entre buchas, que gira com uma velocidade proporcional à velocidade do produto dentro do corpo do medidor. Um sensor eletromagnético detecta a velocidade de giro do rotor gerando um trem de pulsos, que serão condicionados pelo circuito eletrônico, podendo ser lido em vazão instantânea ou totalização nas unidades de engenharia ou fornecendo sinal de saída em 4 a 20 mA.

3.3.2.5.6 Sensor térmico

Quando um gás ou líquido flui sobre um corpo aquecido, retira calor deste, reduzindo a temperatura de forma proporcional à velocidade do fluído.

Se colocarmos um sensor de temperatura, como um NTC, aquecido a uma temperatura maior que a do fluído, podemos avaliar a vazão pela variação da resistência.

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Para obtermos um sinal que compense as variações na temperatura do fluído, usamos um sensor em Ponte de Wheatstone diferencial. Há dois NTC’s em contato com o fluído, mas um deles protegido do fluxo, numa cavidade, o qual faz a compensação de temperatura. A diferença de tensão indica a vazão.

Este sensor em ponte também é usado para medir diferenças de temperatura.

3.3.2.6 Sensores de Posição

Em aplicações em que se necessita monitorar a posição de uma peça, como tornos automáticos industriais, ou contagem de produtos, ou verificar a posição de um braço de um robô ou o alinhamento de uma antena parabólica com outra ou um satélite, usam-se sensores de posição.

Os sensores se dividem em posição linear ou angular. Também se dividem entre sensores de passagem, que indicam que foi atingida uma posição no movimento, os detectores de fim-de-curso e contadores, e sensores de posição que indicam a posição atual de uma peça, usados em medição e posicionamento.

3.3.2.6.1 Chaves fim-de-curso

São interruptores que são acionados pela própria peça monitorada. Há diversos tipos e tamanhos, conforme a aplicação.

Ex: Nas gavetas de toca-discos laser e videocassetes há chaves fim-de-curso que indicam que a gaveta está fechada, ou há fita. Estas informações são necessárias ao microprocessador, para o acionamento dos motores (e do LED laser).

Também se usam com motores, na limitação do movimento, como no caso de um plotter ou impressora, ou abertura / fechamento de um registro.

3.3.2.6.2 Sensores fim-de-curso magnético:

Quando se aplica um campo magnético num condutor, as cargas elétricas se distribuem de modo que as positivas ficam de um lado e as negativas do lado oposto da borda do condutor. No caso de um semicondutor o efeito é mais pronunciado. Surge então uma pequena tensão nas bordas do material. É o Efeito Hall.

Ele é a base do sensor magnético Hall. Atualmente são construídos sensores em circuito integrado na forma de um transistor.

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Este pode ser usado como sensor de posição se usado junto a um pequeno imã, colocado na peça. Quando esta é aproximada, o sensor atua, saturando o transistor Hall, fazendo a tensão entre coletor e emissor próxima de 0V.

3.3.2.6.3 Sensor com interruptor de lâminas

Como o anterior, mas usando este interruptor acionado pelo imã.

Obs: Os dois últimos também se usam como sensores de posição angular. Uma aplicação interessante é o motor C.C. sem escovas ("brush-less"), onde a comutação é eletrônica, feita quando o rotor, com imãs, passa por um sensor Hall, que envia um sinal ao C.I. controlador, invertendo os pólos do motor. É usado em videocassetes, CDP’s e unidades de disco de computadores, pela grande precisão e facilidade de controle da velocidade.

3.3.2.7 Sensores fotoelétricos (ópticos)

Os sensores fotoelétricos, também conhecidos por sensores ópticos, manipulam a luz de forma a detectar a presença do acionador, que na maioria das aplicações é o próprio produto. Baseiam-se na transmissão e recepção de luz infravermelha (invisível ao ser humano), que pode ser refletida ou interrompida por um objeto a ser detectado.

Os fotoelétricos são compostos por dois circuitos básicos: um responsável pela emissão do feixe de luz, denominado transmissor, e outro responsável pela recepção do feixe de luz, denominado receptor. O transmissor envia o feixe de luz através de um fotodiodo, que emite flashes, com alta potência e curta duração, para evitar que o receptor confunda a luz emitida pelo transmissor com a iluminação ambiente. O receptor é composto por um fototransistor sensível a luz, que em conjunto com um filtro sintonizado na mesma freqüência de pulsação dos flashes do transmissor, faz com que o receptor compreenda somente a luz vinda do transmissor.

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3.3.2.7.1 Sistema por barreira

O transmissor e o receptor estão em unidades distintas e devem ser dispostos um frente ao outro, de modo que o receptor possa constantemente receber a luz do transmissor. O acionamento da saída ocorrerá quando o objeto a ser detectado interromper o feixe de luz.

3.3.2.7.1.1 Distância sensora nominal (Sn)

A distância sensora nominal (Sn) para o sistema por barreira é especificada como sendo a máxima distância entre o transmissor e o receptor, o que não impede o conjunto de operar com distâncias menores.

3.3.2.7.1.2 Dimensões Mínimas do Objeto

Quando um objeto possui dimensões menores que as mínimas recomendadas, o feixe de luz contorna o objeto e atinge o receptor, que não acusa o acionamento. Nestes casos deve-se utilizar sensores com distância sensora menor e conseqüentemente permitem a detecção de objetos menores.

3.3.2.7.2 Sistema por difusão (fotosensor)

Neste sistema o transmissor e o receptor são montados na mesma unidade. Sendo que o acionamento da saída ocorre quando o objeto a ser detectado entra na região de sensibilidade e reflete para o receptor o feixe de luz emitido pelo transmissor.

3.3.2.7.2.1 Distância sensora nominal (Sn)

A distância sensora nominal no sistema por difusão é a máxima distância entre o sensor e o alvo padrão.

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3.3.2.7.2.2 Distância sensora efetiva (Su)

Valor influenciado pela industrialização e considera as variações causadas pela temperatura de operação:

0,9Sn _ Sr _ 1,1Sn

Su = _ 10% Sr

0,81Sn _ Su _ 1,21Sn

3.3.2.7.2.3 Distância sensora operacional (Sa)

Para os modelos tipo fotosensor existem vários fatores que influenciam o valor da distância sensora operacional (Sa), explicados pelas leis de reflexão de luz da física.

Sa = 0,81. Sn. F (cor, material, rugosidade, outros).

Abaixo, são apresentadas 2 tabelas que exemplificam os fatores de redução em função da cor e do material do objeto a ser detectado.

Nota: Em casos onde há a necessidade da determinação exata do fator de redução, deve-se fazer um teste prático, pois outros fatores podem influenciar a distância sensora, tais como: rugosidade, tonalidade, cor, dimensões, etc. Lembramos também que os fatores são acumulativos, como por exemplo: papelão (0,5) preto (0,5) gera um fator de 0,25.

3.3.2.7.2.4 Zona morta

É a área próxima ao sensor, onde não é possível a detecção do objeto, pois nesta região não existe um ângulo de reflexão da luz que chegue ao receptor. A zona morta normalmente é dada por: 10 a 20% de Sn.

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3.3.2.7.3 Sistema refletivo

Este sistema apresenta o transmissor e o receptor em uma única unidade. O feixe de luz chega ao receptor somente após ser refletido por um espelho prismático, e o acionamento da saída ocorrerá quando o objeto a ser detectado interromper este feixe.

3.3.2.7.3.1 Distância sensora nominal (Sn)

A distância sensora nominal (Sn) para o sistema refletivo é especificada como sendo a máxima distância entre o sensor e o espelho prismático, sendo possível montá-los com distância menor.

3.3.2.7.3.2 Espelho prismático

O espelho permite que o feixe de luz refletido para o receptor seja paralelo ao feixe transmitido pelo transmissor, devido as superfícies inclinadas a 45º, o que não acontece quando a luz é refletida diretamente por um objeto, onde a luz se espalha em vários ângulos. A distância sensora para os modelos refletivos é em função do tamanho (área de reflexão) e, o tipo de espelho prismático utilizado.

3.3.2.7.3.3 Detecção de transparentes

A detecção de objetos transparentes, tais como: garrafas de vidro, vidros planos, etc; podem ser detectados com a angulação do feixe em relação ao objeto, ou através de potenciômetros de ajuste de sensibilidade, mas sempre se aconselha um teste prático. A detecção de garrafas plásticas tipo PET, requerem sensores especiais para esta finalidade.

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3.3.2.7.3.4 Detecção de objetos brilhantes

Quando o sistema refletivo for utilizado na detecção de objetos brilhantes ou com superfícies polidas, tais como: engradados plásticos para vasilhames, etiquetas brilhantes, etc; cuidados especiais devem ser tomados, pois o objeto neste caso pode refletir o feixe de luz. Atuando assim, como se fosse o espelho prismático, ocasionando a não interrupção do feixe, confundindo o receptor que não aciona a saída, ocasionando uma falha de detecção. A fim de evitar que isto ocorra, aconselha-se utilizar um dos métodos:

3.3.2.7.3.4.1 Montagem angular

Consiste em montar o sistema sensor-espelho de forma que o feixe de luz forme um ângulo de 10o a 30o em relação ao eixo perpendicular ao objeto.

3.3.2.7.3.4.2 Filtro polarizado

Existem sensores com filtros polarizados incorporados, que dispensam o procedimento anterior. Estes filtros mecânicos servem para orientar a luz emitida, permitindo apenas a passagem desta luz na recepção; sendo diferente da luz refletida pelo objeto, que se espalha em todas as direções.

3.3.2.7.4 Imunidade à iluminação ambiente

Normalmente, os sensores ópticos possuem imunidade à iluminação ambiente, pois operam em freqüências diferentes. Mas podem ser afetados por uma fonte muito intensa, como por exemplo, uma lâmpada fluorescente de 40W a 15cm do sensor, ou um raio solar incidindo diretamente sobre as lentes.

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3.3.2.7.5 Meio de propagação

Entende-se como meio de propagação, o meio onde a luz do sensor deverá percorrer. A atmosfera, em alguns casos, pode estar poluída com partículas em suspensão, dificultando a passagem da luz. A tabela abaixo apresenta os fatores de atmosfera que devem ser acrescidos no cálculo da distância sensora operacional (Sa).

3.3.2.7.6 Aplicações dos sensores ópticos

Os sensores ópticos possuem uma ampla gama de modelos, dependendo da aplicação.

3.3.2.7.6.1 Sensores de contraste (detectores de marcas)

Atuam pelo mesmo principio das fotocélulas de reflexão difusa (chaves de proximidade) e são capazes de distinguir com precisão diferentes tonalidades de cor na escala do preto ao branco.

3.3.2.7.6.2 Sensores tipo forquilha (garfo)

Sistema unidirecional. Emissor e receptor montados em um mesmo módulo no formato de forquilha. Este símbolo também é utilizado para indicar emissor e receptor em corpos separados.

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3.3.2.7.6.3 Sensores de distância

Equipamentos que atuam pelo principio difuso ou retrorreflexivo, avaliando o feixe de luz refletido. Nesta operação, eles transformam o feixe de luz em distancia e fornecem uma saída.

3.3.2.7.6.4 Sensores de luminescência

Trabalham pelo mesmo principio das fotocélulas de reflexão difusa, e são capazes de distinguir marcas impressas de baixo contraste e pigmentação fluorescente em materiais onde o olho humano não pode detectar. Os sensores de luminescência emitem radiação ultravioleta e recebem luz na mesma freqüência.

3.3.2.7.6.5 Sensores de cor

Os sensores de cor operam pelo princípio tricromático. Emitem três cores básicas (vermelho, azul e verde) sobre os objetos a serem analisados e calculam o percentual de cada cor no raio refletido, comparando com os valores previamente

memorizados.

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3.3.2.7.6.6 Sensores de visão

Fotocélulas compostas por emissor e receptor de luz, instalados em uma única caixa de proteção que utilizam cabos de fibra óptica. Dependendo do tipo de cabo a ser utilizado podem atuar com configuração unidirecional, retrorreflexiva ou reflexão difusa. São recomendadas para instalações de difícil acesso e podem

identificar objetos de tamanhos bastante reduzidos e em alta temperatura.

3.3.2.7.6.7 Sensores de posição

Os sensores de posição são utilizados em aplicações com armazéns e transportadores onde se necessita de preciso posicionamento de componentes.

3.3.2.7.6.8 Sensores tipo grade (barreira) de luz

Trabalha com o principio de reflexão, que se resume em um refletor montado de forma oposta ao sensor fazendo a medição de produtos. Também utilizados para determinar a altura, largura ou captura de objetos irregulares.

As barreiras fotoelétricas são apropriadas para serem incorporadas em máquinas e equipamentos perigosos que podem ser interrompidos instantaneamente, através de um botão de

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emergência (ou similar) ou ainda desconectando-se a alimentação, através de um dispositivo chamado elemento de controle primário da máquina (MPCE).

Os sistemas não podem ser aplicados a máquinas ou equipamentos que não possam ser interrompidos em qualquer posição de seu ciclo de operação.

3.3.2.7.6.9 Sensor retrorreflexivo

Trabalha com o principio de reflexão e utiliza um refletor, geralmente de acrílico e formado por pequenos prismas, para refletir o feixe de luz sobre a célula sensora.

3.3.2.7.6.10 Sensor com cabo de fibra óptica

O feixe luz é conduzido por fibras ópticas. Geralmente é utilizado em áreas classificadas (ambientes com atmosfera explosiva).

3.3.2.8 Sensores de posição específica

3.3.2.8.1 Potenciômetro

Quando se aplica uma tensão nos extremos de um potenciômetro linear, a tensão entre o extremo inferior e o centro (eixo) é proporcional à posição linear (potenciômetro deslizante) ou angular (rotativo).

Nos sistemas de controle usam-se potenciômetros especiais, de alta linearidade e dimensões adequadas, de fio metálico em geral, com menor desgaste.

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3.3.2.9 Sensores Capacitivos

Os sensores de proximidade capacitivos são equipamentos eletrônicos capazes de detectar a presença ou aproximação de materiais orgânicos, plásticos, pós, líquidos, madeiras, papéis, metais, etc. O princípio de funcionamento baseia-se na geração de um campo elétrico, desenvolvido por um oscilador controlado por capacitor.

O capacitor é formado por duas placas metálicas, carregadas com cargas elétricas opostas, montadas na face sensora, de forma a projetar o campo elétrico para fora do sensor, formando assim um capacitor que possui como dielétrico o ar. Quando um material aproxima-se da face sensora, ou seja, do campo elétrico, o dielétrico do meio se altera, alterando também o dielétrico do capacitor frontal do sensor. Como o oscilador do sensor é controlado pelo capacitor frontal, quando aproximamos um material, a capacitância também se altera, provocando uma mudança no circuito oscilador. Esta variação é convertida em um sinal contínuo, que, comparado com um valor padrão, passa a atuar no estágio de saída.

3.3.2.9.1 Face sensora

É a superfície onde emerge o campo elétrico. É importante notar que os modelos não embutidos, com região sensora lateral, são sensíveis aos materiais a sua volta.

3.3.2.9.2 Distância sensora nominal (Sn)

É a distância sensora teórica, a qual utiliza um alvo padrão como acionador e não considera as variações causadas pela industrialização, temperatura de operação e tensão de alimentação. É a distância em que os sensores são especificados.

3.3.2.9.3 Distância sensora efetiva (Su)

Valor influenciado pela industrialização e considera as variações causadas pela temperatura de operação:

0,9Sn _ Sr _ 1,1Sn

Su = _ 10% Sr

0,81Sn _ Su _ 1,21Sn

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3.3.2.9.4 Distância sensora operacional (Sa)

É a distância que observamos na prática, sendo considerados os fatores de industrialização (81% Sn) e um fator que é proporcional ao dielétrico do material a ser detectado, pois o sensor capacitivo reduz sua distância quanto menor o dielétrico do acionador.

3.3.2.9.5 Material a ser detectado

A tabela abaixo indica o dielétrico dos principais materiais, para efeito de comparação; sendo indicado sempre um teste prático para determinação da distância sensora efetiva para o acionador utilizado.

3.3.2.9.6 Ajuste de sensibilidade

O ajuste de sensibilidade dos sensores capacitivos é protegido por um parafuso, que impede a penetração de líquidos e vapores no sensor. O ajuste de sensibilidade presta-se principalmente para diminuir a influência do acionamento lateral no sensor, diminuindo-se a distância sensora. Permite ainda que se detecte alguns materiais dentro de outros, como por exemplo: líquidos dentro de garrafas ou reservatórios com visores de vidro, pós dentro de embalagens, ou fluidos em canos ou mangueiras plásticas.

3.3.2.10 Sensores indutivos

Os sensores de proximidade indutivos são equipamentos eletrônicos capazes de detectar a aproximação de peças, componentes, elementos de máquinas, etc, em substituição às tradicionais chaves fim de curso. A detecção ocorre sem que haja o contato físico entre o acionador e o sensor, aumentando a vida útil do sensor por não possuir peças móveis sujeitas a desgastes mecânicos.

O princípio de funcionamento baseia-se na geração de um campo eletromagnético de alta freqüência, que é desenvolvido por uma bobina ressonante instalada na face sensora.

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A bobina faz parte de um circuito oscilador, que em condição normal (desacionada), gera um sinal senoidal. Quando um metal aproxima-se do campo, este por correntes de superfície (Foulcault), absorve a energia do campo, diminuindo a amplitude do sinal gerado no oscilador. A variação de amplitude deste sinal é convertida em uma variação contínua, que comparada com um valor padrão, passa a atuar no estágio de saída.

3.3.2.10.1 Face sensora

É a superfície onde emerge o campo eletromagnético.

3.3.2.10.2 Distância sensora (S)

É a distância em que se aproximando o acionador da face sensora, o sensor muda o estado da saída.

3.3.2.10.3 Distância de acionamento

A distância de acionamento é em função do tamanho da bobina. Assim, não podemos especificar a distância sensora e o tamanho do sensor simultaneamente.

3.3.2.10.4 Distância sensora nominal (Sn)

É a distância sensora teórica, a qual utiliza um alvo padrão como acionador e não considera as variações causadas pela industrialização, temperatura de operação e tensão de alimentação. É o valor em que os sensores de proximidade são especificados.

Como utiliza o alvo padrão metálico, a distância sensora nominal informa também a máxima distância que o sensor pode operar.

L=D (se 3xSn<D) ou

L=3xSn (se 3xSn>D)

D - diâmetro da área onde emerge o campo

eletromagnético

Sn - distância sensora nominal

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3.3.2.10.5 Distância sensora real (Sr)

Valor influenciado pela industrialização, especificado em temperatura ambiente (20oC) e tensão nominal, com desvio de 10%: 0,9Sn _ Sr _ 1,1Sn

3.3.2.10.6 Distância sensora efetiva (Su)

Valor influenciado pela temperatura de operação, possui um desvio máximo de 10% sobre a distância sensora real.

0,81Sn _ Su _ 1,21Sn

3.3.2.10.7 Distância sensora operacional (Sa)

É a distância em que seguramente pode-se operar, considerando-se todas as variações de industrialização, temperatura e tensão de alimentação.

0 _ Sa _ 0,81Sn

3.3.2.10.8 Material do acionador

A distância sensora operacional varia ainda com o tipo de metal, ou seja, é especificada para o ferro ou aço e necessita ser multiplicada por um fator de redução.

3.3.2.10.9 Histerese

É a diferença entre o ponto de acionamento (quando o alvo metálico aproxima-se da face sensora) e o ponto de desacionamento (quando o alvo afasta-se do sensor). Este valor é importante, pois garante uma diferença entre o ponto de acionamento e desacionamento, evitando que em uma possível vibração do sensor ou acionador, a saída oscile.

3.3.2.10.10Repetibilidade

Pode ser considerado como a precisão do ponto de acionamento. Este parâmetro quantifica a variação da distância sensora nominal com as variações de tempo, temperatura e tensão de alimentação. É calculado como a máxima variação da distância sensora, entre dois acionamentos consecutivos em um processo de 8 horas (+15oC < temp < +30oC) com _5%de derivação da tensão de operação, normalmente é expresso em mm.

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3.3.2.11 Configurações elétricas em corrente continua

Os sensores de proximidade possuem diferentes tipos de estágio de saída, o que chamamos de configuração elétrica do sensor. A configuração elétrica em corrente contínua é muito usual na área de automação de processos, e sempre deve ser a primeira opção durante o projeto.

3.3.2.11.1 Sensores de corrente contínua a 3 e 4 fios

Os sensores de proximidade em corrente contínua são alimentados por uma fonte em CC. Possuem no estágio de saída um transistor que tem como função chavear (ligar e desligar) a carga conectada ao sensor. Existe, ainda, dois tipos de transistor de saída, um que chaveia o terminal positivo da fonte de alimentação, conhecido como PNP; e o tipo que chaveia o negativo da fonte, conhecido como NPN.

3.3.2.11.1.1 Função de saída

3.3.2.11.1.1.1 Normalmente aberto - NA

Onde o transistor de saída está normalmente cortado, ou seja: com o sensor desatuado (sem o acionador na região de sensibilidade), a carga está desenergizada, pois o transistor de saída está aberto (cortado). A carga só será energizada quando o acionador entrar na região de sensibilidade do sensor.

3.3.2.11.1.1.2 Normalmente fechado - NF

Onde o transistor de saída está normalmente saturado, ou seja: com o sensor desatuado (sem o acionador na região de sensibilidade), a carga está energizada, pois o transistor de saída está fechado (saturado). A carga só será desenergizada quando o acionador entrar na região de sensibilidade do sensor.

3.3.2.11.1.1.3 Saída reversora

Em um mesmo sensor, podemos ter uma saída normalmente aberta e outra normalmente fechada, que permutam quando o sensor é acionado.

3.3.2.11.1.2 Corrente de chaveamento

Esta é uma das características mais importante dos sensores de corrente contínua, pois determina a potência da carga. É conceituada como a máxima corrente que pode ser comutada pelo transistor de saída sem danificá-lo. Se o sensor não possui um circuito de proteção contra curto circuito, qualquer sobrecarga danificará permanentemente o transistor de saída.

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Cuidado:

Na instalação e manutenção, pois uma ferramenta que encoste nos terminais danifica instantaneamente o sensor.

Lembre-se:

Válvulas solenóides, lâmpadas, possuem alta corrente de pico que pode danificar o sensor.

3.3.2.11.1.3 Tensão de alimentação

Normalmente, os sensores de proximidade indutivos apresentam uma faixa para a tensão de alimentação, onde o sensor pode operar em qualquer tensão dentro da faixa, ex: 10 a 30Vcc.

3.3.2.11.1.3.1 Queda de tensão

É o resíduo de tensão entre o coletor/emissor do transistor de saída, sendo um valor normalmente abaixo de 2V.

Cuidado:

Quando utilizar sensores do tipo NPN comutando portas TTL, verifique se o sensor possui queda de tensão menor que 0,5V, pois a queda de tensão pode ser interpretada como se o sensor estivesse acionado.

3.3.2.11.1.4 Resistência de saída

Os sensores indutivos normalmente são fornecidos com resistência de coletor no transistor de saída, esta serve para diminuir a impedância do circuito quando o transistor está cortado.

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3.3.2.11.1.5 Proteção contra inversão de polaridade

Todos os sensores de corrente contínua possuem proteção contra inversão de polaridade (troca do terminal positivo pelo negativo).

3.3.2.11.1.6 Proteção contra curto-circuito

Quase todos os sensores possuem proteção contra curto circuito e sobrecarga.

Existem três tipos de proteção disponíveis:

3.3.2.11.1.6.1 Proteção oscilante:

Esta proteção desliga o transistor de saída, quando a corrente de saída está acima do máximo permitido gerando um sinal pulsado sobre a carga.

3.3.2.11.1.6.2 Proteção térmica

Neste tipo de proteção usa um resistor térmico em conjunto com o transistor de saída, que em condição normal de operação apresenta baixa impedância (cerca de 1) e em caso de sobrecarga rapidamente eleva sua resistência, desenergizando a saída, protegendo o sensor. Após a sobrecarga o sensor necessita de alguns segundos para restabelecer a impedância do resistor térmico.

3.3.2.11.1.6.3 Proteção microprocessada

A sobrecarga e o curto circuito são testados rapidamente pelo microprocessador antes mesmo que qualquer dano possa ocorrer no transistor de saída, sendo sinalizado pelo led do sensor que pisca 2 vezes por segundo enquanto durar a anomalia.

É importante lembrar que mesmo os sensores com proteção podem ser danificados por pulsos de tensão quando a energia for maior que a máxima suportada.

3.3.2.11.2 Modelos em corrente contínua a 2 fios

Nesta versão, o estágio de saída possui apenas dois terminais, que devem ser ligados em série com a carga. Quando a carga está desenergizada, flui uma pequena corrente residual na carga, e quando a carga está energizada, surge uma queda de tensão no sensor. Isto porque o sensor é alimentado pela carga (ligada em série).

3.3.2.11.2.1 Tensão residual

Quando o sensor está acionado, aparece uma queda de tensão de aproximadamente 5V, que deve ser considerada para efeito da energização da carga, principalmente em circuitos eletrônicos e controladores programáveis (exemplo: com a alimentação de 24Vcc, o sensor fornece 19V a carga, que deve seguramente ser necessária para o acionamento da carga).

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3.3.2.11.2.2 Corrente residual

É a corrente que circula pela carga quando o sensor está desacionado, com valor de aproximadamente 2,5mA, necessária para alimentação do sensor. Deve-se certificar que cargas de alta impedância, como controladores, não sejam acionadas devido a corrente de fuga.

3.3.2.11.2.3 Carga mínima

O sensor a dois fios requer uma carga mínima, aproximadamente 5mA, para manter o sensor alimentado enquanto a carga estiver energizada. Deve-se tomar o cuidado de checar a corrente de consumo, principalmente de controladores lógicos, visando a compatibilidade entre os equipamentos.

3.3.2.11.3 Sensores de corrente contínua tipo Namur

Esta configuração é muito semelhante aos sensores de corrente contínua convencionais, diferenciando-se apenas por não possuir o estágio de saída, com o transistor de chaveamento. Sendo normalmente utilizada para sensores indutivos de pequenas dimensões, onde circuitos eletrônicos mais complexos e maiores não seriam possíveis de montar. Outra aplicação típica para os sensores Namur são as atmosferas potencialmente explosivas de Indústrias Químicas e Petroquímicas, pois não possuem estágio de saída comutando potências elevadas. Podem ser construídos segundo as Normas de Segurança Intrínseca, que prevêem a manipulação de baixa energia elétrica, evitando a detonação da atmosfera quer por faíscas elétricas ou pelo efeito térmico de superfícies aquecidas.

3.3.2.11.3.1 Princípio de funcionamento

Foram especialmente projetados segundo as especificações da Norma Técnica DIN19234, que prevê o sensor sem o estágio de saída. O circuito consome uma corrente de aproximadamente 3mA, quando está desacionado. Com a aproximação do alvo metálico que absorve energia do campo eletromagnético, o consumo de corrente cai para aproximadamente 1mA.

3.3.2.11.3.2 Amplificador externo

Como o sensor indutivo tipo Namur não possui amplificador interno, deve ser conectado ao amplificador externo que detectará a variação de corrente entre 3mA e 1mA, podendo acionar um transistor para comutação de cargas de potência.

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3.3.2.11.3.3 Barreira de segurança intrínseca

Os sensores Namur devem ser conectados com Repetidores Digitais Intrinsecamente Seguros (Barreiras de Segurança Intrínseca), que são os equipamentos capazes de limitar a energia elétrica enviada ao sensor, de forma a não existir energia armazenada no sensor capaz de detonar a atmosfera potencialmente explosiva.

Cuidado:

As Barreiras de Segurança Intrínseca podem apresentar-se como os amplificadores, que não são próprios para instalações intrinsecamente seguras e põem em risco a segurança da instalação.

3.3.2.11.4 Associação de sensores

Os sensores de proximidade com configuração elétrica em corrente contínua permitem a associação em série ou em paralelo, tomando-se os devidos cuidados.

3.3.2.11.4.1 Associação em série

Neste tipo de associação nota-se que a tensão residual pode chegar a valores significativos, portanto aconselha-se calcular a queda de tensão na carga:

Vc _ V - n . Vres

Vc - tensão mínima permissível

V - tensão de alimentação

Vres - tensão residual no sensor

n - número de sensores

Deve-se ainda analisar a corrente de chaveamento, que nos primeiros sensores pode chegar a valores acima do permitido.

I = Ic + (n - 1) . Icons < Im

I - corrente de chaveamento no 1o sensor

Ic - corrente de carga

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Icons - corrente de consumo do sensor

Im - máxima corrente de chaveamento permissível no 1o

sensor

n - número de sensores

Obs: Também é possível a conexão dos sensores com contatos mecânicos.

3.3.2.11.4.2 Associação em paralelo

Neste tipo de associação deve-se colocar um diodo em cada saída, para evitar que ao acionar um sensor, não acenda o led dos outros.

Obs: Também é possível a conexão dos sensores com contatos mecânicos.

3.3.2.12 Fonte de alimentação

A fonte de alimentação para sensores em corrente contínua é muito importante, pois dela depende a estabilidade de funcionamento e a vida útil do sensor. Uma boa fonte de alimentação deve possuir filtros que diminuem os efeitos dos ruídos elétricos (transitórios) gerados pelas cargas, que podem até danificar os sensores de proximidade e outros equipamentos eletrônicos, conectados a fonte. Desta forma, indicamos a utilização de fontes reguladas ou chaveadas, que apesar do custo inicial maior, propiciam maior confiabilidade na instalação.

3.3.2.12.1 Onda completa

Esta fonte não é adequada, pois o ripple é muito alto (ripple >10%) e existem os pontos próximos a t1, t2, em que a tensão é praticamente nula, além da tensão de pico ser muito maior que o valor médio.

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3.3.2.12.2 Retificada com filtro

Esta fonte pode ser adequada dependendo do ripple, que deve ser calculado com todas as cargas ligadas a fonte. Ideal para cargas inferiores a 300mA.

3.3.2.12.3 Fonte trifásica

Esta fonte apresenta ripple _5%sem o uso de capacitor de filtro e também pode ser aplicada com sensores desde que não existam muitas cargas indutivas.

3.3.2.12.4 Regulada

Esta fonte é a mais adequada para aplicação com sensores indutivos, pois a saída de tensão permanece constante independentemente das variações da rede elétrica.

3.3.2.12.5 Fontes chaveadas

As fontes chaveadas normalmente possuem a saída protegida contra curto circuito na carga, e completamente estabilizada independente das variações da rede elétrica.

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Devido ao sistema de retificação e oscilação, a fonte elimina os picos de tensão gerados pela rede, aumentando assim a vida útil dos sensores de proximidade e outros circuitos eletrônicos ligados a fonte.

3.3.2.12.6 Ripple

O ripple é a ondulação da tensão contínua, sendo uma componente CA, faz com que o sensor oscile a saída (mantendo o led meio aceso) e podendo causar danos irreparáveis ao sensor. Normalmente, os sensores suportam até 10% de ripple.

3.3.2.12.7 Ruídos de linha

A fonte de alimentação que servir a sensores de proximidade e a elementos geradores de ruídos tais como: válvulas solenóides, eletroímãs, etc; possuirá ruídos que poderão introduzir acionamentos indevidos, ou até mesmo danificar os sensores.

3.3.2.12.7.1 Exemplo de instalação desaconselhável

Nota: Em sistemas com muitas cargas indutivas, aconselha-se utilizar fontes separadas.

3.3.2.12.7.2 Exemplo com controlador programável

A fonte 1 é uma fonte regulada de baixa potência, somente para consumo dos cartões de entrada do controlador. Já a fonte 2 é de potência e não requer sofisticação, podendo ser simplesmente um retificador, o que normalmente é suficiente para cargas indutivas. É a queda de

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tensão que permanece no sensor quando a carga está energizada, torna-se importante com cargas de alta impedância. No sensor a 3 fios a queda de tensão é muito pequena (1Vca) e nos sensores a 2 fios a queda é maior (de 4 a 10Vca dependendo do fabricante), pois este resíduo de tensão mantém o sensor alimentado.

3.3.2.13 Sensores de corrente alternada

Os sensores de corrente alternada foram, verdadeiramente, desenvolvidos para a substituição das chaves fim de curso. Possuem o estágio de saída composto por um tiristor, próprio para chaveamento de corrente alternada, conectado exatamente como um contato mecânico.

3.3.2.13.1 Princípio de funcionamento

O sensor de corrente alternada a 2 fios possui no estágio de saída uma ponte retificadora em conjunto com um SCR, tornando o sensor apto a conduzir corrente não polarizada (alternada).

Quando o estágio de saída está desacionado, o tiristor permanece bloqueado e a carga desenergizada, sendo que uma pequena corrente de fuga flui através da carga, necessária para manter o sensor funcionando e insuficiente para causar queda de tensão significativa na carga.

Quando o estágio de saída está acionado, o tiristor de saída passa a conduzir, energizando a carga, restando apenas uma pequena queda de tensão no sensor, que não interfere no funcionamento e permite manter o sensor alimentado.

3.3.2.13.2 Modelos de 3 e 4 fios

Estes modelos utilizam tecnologia mais antiga, sendo muito semelhantes aos sensores de corrente contínua, pois possui dois fios para alimentação interna e um terceiro que é conectado a carga, podendo ser normalmente aberto, fechado ou reversível.

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3.3.2.13.3 Tensão de alimentação

Normalmente, os sensores de proximidade indutivos apresentam uma faixa para a tensão de alimentação, onde o sensor pode operar em qualquer tensão dentro da faixa, exemplo: 20 a 250 Vca.

3.3.2.13.4 Tensão residual

É a queda de tensão que permanece no sensor quando a carga está energizada, torna-se importante com cargas de alta impedância. No sensor a 3 fios a queda de tensão é muito pequena (1Vca) e nos sensores a 2 fios a queda é maior (de 4 a 10Vca dependendo do fabricante), pois este resíduo de tensão mantém o sensor alimentado.

3.3.2.13.5 Corrente máxima de chaveamento

É a máxima corrente que o sensor pode comutar sem danificar permanentemente o tiristor de saída. Normalmente os sensores são fabricados para 500mA.

3.3.2.13.6 Corrente de surto

É a máxima corrente de pico permitida no ligamento (na chamada) de um circuito indutivo (solenóides, chaves magnéticas, etc). Normalmente, é especificada com duração menor que 20ms e uma freqüência de acionamento menor que 1Hz, com valores típicos de 2A e 4A.

3.3.2.13.7 Corrente residual

É a corrente que circula pela carga quando o tiristor de saída está bloqueado e é necessária para alimentação interna do sensor. No caso do sensor a 2 fios, este valor normalmente é menor que 5mA; e no modelo a 3 fios é praticamente nulo.

Cuidado: em aplicações com controladores programáveis e sensores a 2 fios, verifique se a corrente residual não acionará o cartão de entrada, pois pode causar queda de tensão entendida como nível lógico “1".

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3.3.2.13.8 Corrente de carga mínima

Os sensores a 2 fios necessitam de uma corrente mínima, para manter o sensor alimentado quando a carga estiver acionada. Portanto, a carga deve consumir no mínimo 5mA, para evitar quedas de tensões elevadas quando o sensor está desacionado.

3.3.2.13.9 Corrente de consumo

Este parâmetro é aplicável somente a sensores a 3 fios, sendo medido com a carga desconectada, indicando assim, a corrente que realmente é consumida apenas para o funcionamento do sensor.

3.3.2.13.10 Proteções

Os sensores indutivos CA possuem um varistor que limita a tensão contra-eletromotriz, gerada na abertura das cargas indutivas. Quando a corrente de surto é acima do permitido pelo sensor, o varistor tende a limitar, provocando a queima de seus cristais, reduzindo assim a vida útil do sensor.

3.3.2.14 Cuidados na instalação

Aqui, estão relacionados os principais cuidados que o usuário deve observar durante a instalação e operação dos sensores eletrônicos de proximidade. A não observação destes itens pode provocar o mau funcionamento e até mesmo um dano permanente no sensor, com a conseqüente perda da garantia.

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3.3.2.14.1 Cuidados gerais

Abaixo estão relacionados os principais cuidados que devem ser observados durante a instalação do sensor.

3.3.2.14.1.1 Cabo de conexão

Evitar que o cabo de conexão do sensor seja submetido a qualquer tipo de esforço mecânico.

3.3.2.14.1.2 Oscilação

Como os sensores são impregnados com resina, é possível utilizá-los em máquinas e equipamentos com movimentos, mas devemos fixar o cabo junto ao sensor, através de braçadeiras ou suporte com parafuso, permitindo que somente o meio do cabo oscile, evitando desta forma, a quebra do cabo.

3.3.2.14.1.3 Suporte de fixação

Evitar que o sensor sofra impactos com outras partes ou peças, e não seja utilizado como apoio.

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3.3.2.14.1.4 Partes móveis

Durante a instalação, observar atentamente a distância sensora do sensor e sua posição, evitando desta forma, impactos com o acionador.

3.3.2.14.1.5 Porcas de Fixação

Evitar o aperto excessivo das porcas de fixação, não ultrapassando o torque máximo.

3.3.2.14.1.6 Produtos Químicos

Nas instalações em ambientes agressivos, especificar o sensor mais adequado para cada aplicação.

3.3.2.14.1.7 Condições ambientais

Evitar submeter o sensor a condições ambientais com temperatura de operação acima dos limites do sensor.

3.3.2.14.2 Sensores Capacitivos

Os sensores capacitivos são influenciados pela densidade do meio onde o sensor está instalado, portanto, deve-se tomar cuidados adicionais com poeira, umidade e acúmulo de detritos próximo ao sensor.

Outro ponto importante do sensor capacitivo é o potenciômetro de ajuste de sensibilidade, que deve ser precisamente calibrado e lacrado pelo parafuso de proteção.

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3.3.2.14.3 Sensor fotoelétrico

Os sensores fotoelétricos também estão sujeitos a poeira e umidade, portanto, deve-se promover periodicamente a limpeza dos espelhos e lentes.

Apesar do grau de proteção dos sensores ópticos permitir até respingos d’água, deve-se evitar o acúmulo de líquidos junto as lentes, pois poderá provocar um acionamento falso, quando interromper o feixe de luz.

3.3.2.14.4 Sensores de corrente contínua

Utilizar o sensor para acionar altas cargas indutivas, poderá danificar permanentemente o estágio de saída dos sensores sem proteção contra curto circuito, além de gerar altos picos de tensão na fonte.

3.3.2.14.4.1 Fonte de alimentação

Vide as recomendações do item 5 e evite utilizar a mesma fonte de alimentação para sensores de proximidade e circuitos de acionamento com altas cargas indutivas, principalmente se a fonte não for regulada.

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3.3.2.14.4.2 Cablagem

Conforme as recomendações das normas técnicas, deve-se evitar que os cabos de sensores de proximidade e instrumentos de medição e controle em geral utilizem os mesmos eletrodutos que os circuitos de acionamento.

Nota: apesar dos sensores possuírem filtros para evitar ruídos transitórios, se os cabos dos sensores ou da fonte de alimentação utilizarem as mesmas canaletas ou leitos de cabos de circuitos com motores, freios elétricos, contactores e disjuntores, etc; as tensões induzidas podem possuir energia suficiente para danificar permanentemente os sensores.

3.3.2.14.5 Sensores de corrente alternada

Não se deve utilizar lâmpadas incandescentes com os sensores de corrente alternada, pois a resistência do filamento quando frio provoca alto consumo de corrente, que pode danificar permanentemente o sensor. As cargas indutivas, tais como contactores, relés, solenóides, etc; devem ser bem especificados pois tanto a corrente de chaveamento como a corrente de surto podem danificar o sensor. Os cabos dos sensores de corrente alternada devem também, preferencialmente, utilizar canaletas e eletrodutos separados dos elementos de potência, evitando a indução de correntes parasitas.

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3.3.2.14.6 Capacitância do cabo

Os cabos dos sensores, geralmente, possuem cerca de 2 metros de comprimento. Quando necessário ampliar esta distância, o comprimento excessivo do cabo introduz uma capacitância parasita que pode causar danos aos sensores durante o chaveamento dos mesmos. Para minimizar este efeito, recomenda-se instalar uma indutância de cerca de 470 H em série com o cabo.

3.3.2.15 Sensores de nível

3.3.2.15.1 Chave de nível pendular tipo pêra

Um interruptor de mercúrio ou micro-switch protegido contra choques por uma camada de silicone, fixados em posição adequada dentro de um invólucro em polipropileno, é suspenso por seu próprio cabo elétrico. Quando o nível do líquido aumenta (caixa d’água ou tanque de produto cheio), toca na parte abaulada do regulador, este se inclina e neste momento o interruptor de mercúrio ou micro-switch abre um contato e fecha outro (SPDT), permitindo ou impedindo a passagem elétrica, ligando ou desligando bomba ou alarmes sonoros e visuais.

3.3.2.15.2 Chave de nível tipo bóia magnética

Uma bóia deslizando sobre uma haste vertical aciona por acoplamento magnético reed-switches, permitindo a passagem ou obstruindo o sinal elétrico.

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3.3.2.15.3 Chave de nível tipo deslocador

seu funcionamento baseia-se no princípio de Arquimedes. É composto por deslocadores fixados em um cabo que por sua vez está acoplado a uma mola ligada a haste de um núcleo magnético.

Na posição de repouso, (tanque, vazio), a mola está esticada pelo peso dos deslocadores, pois a única força exercida neles é da gravidade. Quando o nível sobe, começa a existir a força de empuxo no deslocador, fazendo que a mola se contraia, esta empurra o núcleo magnético até o ponto de acionamento.

O ímã ao se movimentar pressiona a alavanca do microrruptor, o qual abre ou fecha os contatos.

3.3.2.15.4 Chave de nível capacitiva

A sonda (haste ou cabo) e a parede metálica do reservatório formam um capacitor. Se a sonda está no ar (constante dielétrica = 1) a capacitância é pequena; se a sonda é, ao menos parcialmente, coberta com o material (constante dielétrica acima de 2), a capacitância aumenta e o relé é acionado.

3.3.2.15.5 Chave de nível condutiva

Os eletrodos (sensores) são dispostos nas alturas onde se deseja controlar os níveis do líquido, no reservatório. O líquido, atingindo o eletrodo terra e o eletrodo de atuação, fecha o circuito pela sua própria condutividade, acionando um circuito elétrico que por sua vez comuta o relé de saída. A sensibilidade do detector é ajustável em função da condutividade do líquido a ser controlado.

3.3.2.15.6 Chave de nível vibratória

Um oscilador piezo - elétrico excita a haste que passa a vibrar, e quando o material envolve a mesma, muda a freqüência de vibração acionando um relê. No momento que o material baixa libera a haste, esta volta a sua vibração normal e o relê abre.

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3.3.2.15.7 Chave de nível ultra-sônica

Chave de nível pelo principio de ultra-som é utilizada onde se necessita um controle prático e preciso de nível sem contato físico com o produto. Controla nível de líquidos, pastosos e sólidos. Corpo em aço inox 304 ou em PVC. Alcance de até 4 m para líquidos, com "trip" (contato) ajustável em qualquer ponto da faixa através de potenciômetro e LED indicador na parte traseira do equipamento.

3.3.2.15.8 Transmissor de nível a dois fios intrinsecamente seguro

Uma bóia magnética deslizante sobre uma haste vertical aciona por acoplamento magnético sensores eletrônicos que geram sinais de baixa energia. Estes sinais são amplificados e convertidos pela unidade eletrônica em sinal padrão de 4-20 mA para transmissão a longa distância.

3.3.2.15.9 Sensor de nível condutivo

Desenvolvidos para aplicações que envolvem o controle/detecção de nível de líquidos condutivos em tanques, reservatórios, poços profundos ou locais remotos, são de fácil instalação, não apresentam partes móveis e portanto, praticamente não necessitam de manutenção constante. Disponíveis em duas versões : haste rígida e flexível. Alarme de nível alto/intermediário/baixo em tanques ou poços artesianos, controle de dispositivos como bombas/válvulas e controle de nível em caldeiras ou vasos de pressão são aplicações típicas das chaves condutivas.

3.3.2.15.10Sensor de nível hidrostático

São utilizados em aplicações onde é necessário monitorar o nível de líquido continuamente, seja em tanques, reservatórios ou poços artesianos. Não possuem partes móveis e não são afetados por turbulência, espuma, gases/vapores ou por variações de determinadas características do fluido como constante dielétrica ou condutividade. Estão disponíveis em dois modelos : pendular e

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lateral. Entre as aplicações típicas encontram-se : medição de nível de tanques contendo água, líquidos viscosos, produtos químicos, alimentícios, etc., em poços profundos ou locais de difícil acesso e instalação.

3.3.2.15.11Sensor de nível capacitivo

Desenvolvidos para a medição e controle/detecção de nível, estes instrumentos não apresentam partes móveis e devido ao seu princípio de operação (RHF/capacitância), são extremamente versáteis, podendo ser utilizados com os mais variados produtos: líquidos condutivos ou não, viscosos, agressivos, materiais granulados, pós, polpas, entre outros. Disponíveis em modelos para condições críticas de temperatura e pressão ou aplicações pesadas como minérios, brita, entre outros.

3.3.2.15.12Medidor de interfaces

Medidor de interfaces, como o próprio nome diz, é um instrumento cuja função é monitorar continuamente o nível de material que se encontra assentado no fundo do tanque, que podem ser tanto abertos como fechados. É composto por um sensor e uma unidade eletrônica. Sua operação é baseada na emissão e recepção de pulsos de ultra-som que se propagam através do meio líquido sendo analisados e processados por um circuito eletrônico microprocessado . Dentre as várias aplicações destacam-se : medição do nível de lodo em sistemas de tratamento de efluentes (clarificadores primário e secundário), tanques de licor (industrias de papel e celulose), espessadores (mineração), etc.

3.3.2.16 Encoders

São sensores que atuam por transmissão de luz. Além dos já vistos, há os encoders (codificadores), que determinam a posição através de um disco ou trilho marcado.

Dividem-se em relativos, nos quais a posição é demarcada por contagem de pulsos transmitidos, acumulados ao longo do tempo, e absolutos, onde há um código digital gravado no disco ou trilho, lido por um conjunto de sensores ópticos (fonte de luz e sensor). Os códigos adotados são os de Gray, nos quais de um número para o seguinte só muda um bit, o que facilita a identificação e correção de erros.

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A demarcação do disco ou trilho é feita através de furo ou ranhuras, ou por pintura num disco plástico transparente, que podem ser feitos através de técnicas fotolitográficas, permitindo grande precisão e dimensões micrométricas.

A fonte de luz é geralmente o LED, e o sensor um fotodiodo ou fototransistor.

Estes sensores são muito precisos e práticos em sistemas digitais (encoder absoluto), e usam-se em robôs, máquinas-ferramenta, CNC e outros.

3.3.2.17 Transmissores via rádio

Sistema de transmissão de sinais via rádio proporciona ao usuário grande versatilidade, economia com condutores elétricos e conduítes além de ser fácil de instalar e exigir quase nenhuma manutenção. Este sistema é composto por um transmissor (próximo ao medidor de campo) e um receptor (em uma sala de controle), podendo estar distantes um do outro até 24 km (vista a vista - dependendo do modelo de antena utilizado). O transmissor envia um sinal analógico de 4-20 mA e dois sinais digitais (on-off) para o receptor. Sua operação baseia-se na tecnologia de espalhamento espectral (técnica de saltos em freqüência). Possui várias aplicações como monitoramento e controle de tanques ou reservatórios distantes, sistemas de tratamento de efluentes, irrigação, controle de bombas, entre outros.

3.3.2.18 Indicadores e controladores

São instrumentos projetados para indicar os valores das varáveis medidas e/ou controlá-las. Podem receber uma grande variedade de sinais ou sensores, convertendo-os em indicação visual, podendo transmitir o valor da variável através de um sinal analógico linear ou digital (RS), além de permitir efetuar o controle por meio de relês.

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3.4 ELEMENTOS FINAIS DE CONTROLE

Definição: Dispositivo que recebe o sinal do controlador, este é capaz de manipular uma variável através de uma conversão de energia fornecida por uma fonte independente. A variável em questão pode ser uma rotação, posição, vazão, temperatura, etc.

3.4.1 Válvulas de Controle

Definições: São Dispositivo capaz de regular a vazão de um fluído (líquido, gás ou vapor) que escoa através de um conduto fechado, por meio do posicionamento relativo de uma peça móvel que obtura a área livre de passagem do fluído, o deslocamento da peça móvel é promovido por um atuador motorizado, em resposta a um sinal externo de comando, permitindo abrir ou fechar totalmente a válvula ou mantê-la em qualquer posição de seu curso, proporcionalmente ao sinal de comando, a energia de atuação é fornecida por uma fonte independente.

3.4.1.1 Classificação das Válvulas de Controle

Classificam-se em duas categorias básicas, conforme o tipo de deslocamento da peça móvel: válvulas de deslocamento linear e válvulas de deslocamento rotativo.

3.4.1.1.1 Válvulas de deslocamento linear

Construção em que a peça móvel descreve um movimento retilíneo, acionada por uma haste deslizante As construções típicas são: válvula globo, diafragma, válvula gaveta, etc.

3.4.1.1.2 Válvula de deslocamento rotativo

Construção em que a peça móvel descreve um movimento de rotação acionada por um eixo girante: construções típicas são: válvula esfera, borboleta, excêntrica, etc.

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3.4.1.2 Componentes de Válvula de Controle

A válvula de controle é composta por dois conjuntos básicos: conjunto do corpo, que mantêm a peça móvel: e conjunto do atuador, que promove o deslocamento de peça móvel. Acessórios diversos podem ser incorporados para executar funções auxiliares específicas: posicionador, limitador de curso, bloqueio de segurança, etc.

3.4.1.2.1 Conjunto do corpo

Conjunto formado pelo corpo propriamente dito, conjunto de internos e conjunto do castelo; os internos incluem o elemento móvel vedante e um ou mais orifícios de passagem de fluxo.

Corpo de sede simples : Construção em que o corpo é dotado de um orifícios de passagem e um elemento vedante simples.

Corpo de sede dupla: Construção em que o corpo é dotado de dois orifícios de passagem e um elemento vedante duplo.

Corpo de duas vias: Construção em que o corpo é dotado de duas conexões de fluxo, uma entrada e uma saída; as conexões podem estar em planos paralelos, fornecendo fluxo de passagem reta, ou em planos ortogonais, fornecendo fluxo de passagem angular.

Corpo de três vias: Construção em que o corpo é dotado de três conexões de fluxo, sendo duas em plano paralelo e a terceira em plano ortogonal, podendo se duas conexões de entrada e uma de saída (fluxos convergente: válvula misturadora), ou uma conexão de entrada e duas de saída (fluxos divergentes: válvula distribuidora).

3.4.1.2.2 Conjunto do atuador

Conjunto formado pelo atuador propriamente dito pelo sistema de acoplamento mecânico entre este e o corpo da válvula; conforme o meio de motorização, o atuador é de tipo pneumático, elétrico, hidráulico, etc.

Atuador pneumático: Atuador acionado pela pressão de ar ou outro fluído gasoso aplicado sobre um diafragma flexível ou rolante, ou sobre um sistema de cilindro e pistão, podendo ou não ser dotado de mola, conforme a construção particular.

Atuador elétrico: Atuador acionado por motor elétrico reversível.

Atuador hidráulico: Atuador acionado por sistema de pressão hidráulica.

Atuador eletro-hidráulico: Atuador acionado por motor elétrico que comanda o sistema de pressão hidráulica.

3.4.1.3 Tipos de Válvulas de Controle

Conforme arranjo construtivo, diversos tipos de válvulas de controle são utilizados, cada qual dotado de características operacionais específicas.

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3.4.1.3.1 Válvulas globo

Válvula de deslocamento linear, corpo de duas vias, com formato globular de passagem reta com internos de sede simples ou de sede dupla.

3.4.1.3.2 Válvula angular.

Caso particular de válvula globo, de sede simples, corpo de duas vias, com conexões de entrada e saída em planos ortogonais(as linhas de fluxo de entrada e saída fazem ângulo de 90o).

Válvula de três vias: Caso particular de válvula globo, de sede dupla, corpo de três vias, com fluxos convergentes (válvulas misturadora) ou divergentes (válvula separadora).

Válvula de gaiola: Caso particular de válvula globo, com internos tipo gaiola de sede simples (corpo de duas vias)ou de sede dupla (corpo de três vias).

3.4.1.3.3 Válvula de diafragma.

Válvula de deslocamento linear, corpo de duas vias, de passagem reta, com o elemento vedante constituído por um diafragma flexível que promove a restrição variável à passagem do fluxo(patente Saunders).

3.4.1.3.4 Válvula esfera.

Válvula de descolamento rotativo, corpo de duas vias, de passagem reta, com internos de sede simples e elemento vedante constituído por uma calota ou segmento esférico acionado por eixo de rotação axial.

3.4.1.3.5 Válvula borboleta.

Válvula de deslocamento rotativo, corpo de duas vias, de passagem reta, com internos de sede simples e elemento vedante constituído por um disco ou lâmina de formato circular acionado por eixo de rotação axial.

3.4.1.4 Acessórios de uma Válvula de Controle

Como acessórios podemos definir, determinados dispositivos que são ligados às válvula, para obter determinadas adaptações com o sistema de controle ou sofisticações quanto à operação da controlabilidade.

Os principais tipos de acessórios utilizados são os posicionadores, válvulas solenóides, reguladores de ar, transdutores eletropneumáticos, volantes auxiliares manuais, etc.

Dentre todos, é sem dúvida alguma o posicionador o mais comumente utilizado, sendo que em alguns tipos de válvulas, realmente deixa de ser considerado como acessórios, passando a ser parte integrante da própria válvula. O posicionador pode ser pneumático ou eletropneumático.

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3.4.1.4.1 Posicionador Pneumático

Define-se como posicionador a um dispositivo que transmite a pressão de carga ao atuador, permitindo posicionar a haste de válvula no valor exato determinado pelo sinal de controle.

Posicionador pneumático montado numa válvula de controle tipo globo.

Um dos maiores enganos é o de julgar, precipitadamente que uma válvula de controle com posicionador venha a desempenhar a sua função de melhor forma. Isto pode, talvez acontecer porém a afirmação é duvidosa. A sua utilização nas válvulas, que não precisam obrigatoriamente de seu uso, deve ser criteriosa, pois às vezes o controle torna-se mais estável e com melhor desempenho sem a utilização do posicionador na válvula. Isto se deve ao fato de que, sendo o posicionador um elemento que contribui com uma constante de tempo adicional à malha de controle, torna-se um pouco mais difícil o ajuste global para um desempenho dinamicamente estável. Um posicionador opera adequadamente quando o seu tempo de resposta junto com a válvula é muito mais rápido que o do processo. Em outras palavras, a freqüência oscilatória do circuito de controle, respondendo a um distúrbio no processo, deve ser no mínimo 5 a 10 vezes menor que a largura da banda do controlador.

Certos sistemas lentos necessitam do uso de posicionadores nas válvulas. Tais sistemas seriam o controle da temperatura, controle de nível líquido, controle de vazão de gás e mistura. Em outros sistemas mais rápidos, tais como o controle de pressão de um líquido ou de vazão de líquido, um "booster" amplificador é normalmente utilizado com sensíveis vantagens.

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Esquema de uma válvula operando: (A) sem posicionador e (B) com posicionador.

3.4.1.4.1.1 Aplicações Recomendadas da Utilização do Posicionador.

São, basicamente os seguinte motivos da necessidade da utilização de um posicionador numa válvula de controle.

A) Para compensar a força gerada pelo atrito:

Nas aplicações em processos de alta pressão ou aplicações outras onde a gaxeta seja bastante apertada para evitar vazamentos, há o surgimento de um atrito considerável contra a haste, produzindo-se um histerese e tempo morto maior que o limite normalmente aceito. Nesses casos, aconselha-se a utilização de um posicionador para enviar maior volume de ar, compensado de atraso na resposta da válvula devido às excessivas forças de atrito nas gaxetas.

B) Para aumentar a velocidade de resposta da válvula:

Se uma válvula de controle for operada diretamente por um controlador pneumático, a velocidade de operação da válvula depende de: a) distância entre controlador e válvula, e diâmetro da tubulação dos sinal do controlador à válvula; b) volume do atuador , c) capacidade do relé do controlador.

Ao utilizarmos um posicionador na válvula, o sinal do controlador indo diretamente ao posicionador, e este não requer um volume da ar muito grande, evitaremos o transporte de grandes quantidades de ar entre o controlador e o posicionador. Isso faz aumentar a velocidade de resposta da válvula. Geralmente, o relé piloto do posicionador possui uma área de passagem maior que a do controlador e, portanto, o ar do posicionador para a válvula desloca-se mais rapidamente e em maior volume obtendo-se, assim, também, maior velocidade na resposta da válvula.

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C) Para permitir uma operação de faixa dividida ( "splitrange "):

As vezes é desejável operar uma válvula de controle, utilizando-se apenas de uma parte da faixa do sinal de saída do controlador. Isto pode ser realizado se especificarmos um posicionador para esta utilização particular. Um arranjo comum é o de ter uma válvula e um posicionador operando sobre 3 a 9 psig de sinal de saída do controlador, enquanto que outra válvula e posicionador opera sobre 9 a 15 psig de saída do mesmo controlador.

D) Para inverter a ação da válvula:

Um posicionador cuja pressão de ar de saída aumenta conforme aumenta o sinal de entrada, é denominado de posicionador de ação direta. Um posicionador cujo sinal de saída diminui conforme aumenta o sinal de entrada, é denominado de posicionador de ação inversa. A mudança de ação do posicionador é facilmente realizado no próprio campo.

E) Para modificar a característica de vazão da válvula:

A maioria dos posicionador são lineares, isto é, eles mudam a posição da haste da válvula linearmente em relação ao sinal de saída do controlador.

Contudo, alguns posicionadores possuem meios geralmente um excêntrico de mudar essa relação linear, e portanto, alteram característica de vazão da válvula.

Natureza do meio fluído: Se o fluído do processo tende a grudar ou aglomerar-se nas partes da válvula, provocando um aumento do atrito entre as partes móveis o uso do posicionador é recomendado para proporcionar força adicional necessária para vencer esses atritos.

Podemos concluir, do acima exposto que, basicamente, a utilização de um posicionador acoplado à válvula de controle nos assegura que, a posição do obturador de válvula seja sempre proporcional ao valor e pressão de saída do controlador, independente das forças de atrito na gaxeta, histerese do atuador a diafragma ou forças de desequilíbrio do fluído sobre o obturador da válvula.

Um posicionador contudo não pode corrigir um mau desempenho, quando:

I - A válvula de controle é super ou subdimensionada.

II - O controlador possui uma excessiva banda morta e histerese:

III - A resposta dinâmica do sistema completo de um controle é muito lenta para satisfazer os desejados requisitos do processo que está sendo controlado.

3.4.1.4.1.2 Limitações no Uso do Posicionador

As alterações e uso recomendados que foram mencionados no item 7.3. são considerados tradicionais. Contudo, recentes estudos e pesquisas têm indicado que, o uso de um posicionador pode prejudicar a qualidade do controle em processo rápidos, tais como: pressão e vazão de líquidos. Onde, necessita-se, por exemplo, de maiores pressões de ar, para efeito de fechamento da válvula ou de maior rapidez de operação, está recomendando-se a utilização do "booster" no lugar do posicionador.

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Para processos lentos, como a maioria dos sistemas térmicos, (nível de líquido e alguns processos de pressão de grande volume de gás), o posicionador deve melhorar a qualidade do controle.

3.4.2 Ações de Controle

3.4.2.1 Controle liga-desliga

O controlador compara o sinal de entrada com a realimentação, e se a saída supera a entrada, desliga o atuador, se a realimentação for menor, liga o atuador.

Ex.: Nos fornos elétricos e geladeiras, o calefator ou compressor é controlado por um termostato, que é um controlador liga-desliga com par bimetálico (um dos metais se dilata mais que o outro, vergando-se e abrindo o contato). Ao se desligar, o ambiente faz a temperatura mudar algum tempo depois e o bimetálico retorna à posição, fechando o contato e ligando o atuador.

As vantagens deste controlador são a simplicidade e o baixo custo, as desvantagens são a contínua oscilação da saída entre os limites de atuação do controlador, histerese, não garantindo precisão e podendo desgastar controlador e atuador pelo excesso de partidas.

3.4.2.2 Controle Proporcional

A saída é proporcional ao sinal de erro (diferença entre entrada e realimentação), de modo que o atuador opera continuamente, com potência variável. O controlador é simplesmente um amplificador.

Este sistema é ainda simples e de baixo custo, tendo uma precisão boa, mas nem sempre é rápido, e pode se tornar instável, se o ganho for muito alto. Instabilidade é a situação em que o controlador reage muito rápido, e a saída passa do valor na entrada sem que haja a reversão da tendência, o que pode levar à saturação do amplificador ou à oscilação contínua em torno do valor na entrada (geração de onda senoidal na saída, sem entrada).

Ex.: Muitos dos sistemas de controle de velocidade de motores são proporcionais, inclusive o controle de automóveis por um motorista.

Note que, sendo um amplificador do sinal de erro, sempre tem que haver um erro após o transitório, período inicial durante o qual o controlador reage intensamente, para manter acionado o atuador. É o erro de regime permanente, que é inversamente proporcional ao ganho do controlador. O regime permanente é a fase após o transitório, durante o qual a saída permanece quase estável (controlada).

Este erro limita a precisão do controle proporcional.

3.4.2.3 Controle Integral

Este controle utiliza um integrador como controlador. O integrador é um circuito que executa a operação matemática da integração, que pode ser descrita como o somatório dos produtos dos valores instantâneos da grandeza de entrada por pequenos intervalos de tempo, desde o instante inicial até o final (período de integração). Isto corresponde à área entre a curva da grandeza e o eixo do tempo, num gráfico.

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Ex.: Se a grandeza for constante, G, a integral desta entre um tempo t1 = 0 e um tempo t2 será igual a G t2, que corresponde à área, no gráfico da grandeza, de um retângulo naquele intervalo de tempo. Se fizermos um gráfico da integral desde o tempo t1 até t2, teremos uma reta desde 0 até G t2, pois a área (ou o somatório) irá aumentando à medida que o tempo passa.

O uso do integrador como controlador faz com que o sistema fique mais lento, pois a resposta dependerá da acumulação do sinal de erro na entrada, mas leva a um erro de regime nulo, pois não é necessário um sinal de entrada para haver saída do controlador, e acionamento do atuador após o período transitório. Assim o controle é muito preciso, embora mais lento.

3.4.2.4 Controle Proporcional e Integral:

É a combinação dos dois controles anteriores, realizada pela soma dos sinais vindos de um amplificador e um integrador.

Este controlador alia a vantagem do controle proporcional, resposta mais rápida, com a do integral, erro de regime nulo. É mais usado que os anteriores.

3.4.2.5 Controle Proporcional e Derivativo:

Combinação entre o controle proporcional e o derivativo, que se baseia no diferenciador, um circuito que executa a operação matemática derivada. Esta pode ser entendida como o cálculo da taxa (ou velocidade) de variação da grandeza de entrada, em relação ao tempo (ou outra grandeza). Isto se assemelha à média entre os valores da grandeza entre dois instantes, se estes instantes forem sucessivos (intervalo muito pequeno), esta média será a derivada da grandeza no instante inicial. Assim, a derivada indica a tendência de variação da grandeza.

O controle apenas derivativo não seria viável, pois não responderia ao sinal de erro, mas somente à sua tendência de variação.

Quando somada a saída proporcional do amplificador com a do diferenciador, ambos tendo o sinal de erro na entrada, temos o controlador proporcional e derivativo.

A vantagem deste controle é a velocidade de resposta, que se deve à imediata reação do diferenciador: inicialmente, o erro é grande, e o diferenciador fornece um sinal forte ao atuador, que provoca rápida variação na grandeza controlada, à medida que o erro vai diminuindo, o diferenciador apresenta uma saída menor (de acordo com a velocidade de variação na grandeza), reduzindo a ação do atuador, o que evita que se passe (ou passe demais) do valor desejado (entrada).

A desvantagem é que o diferenciador é um circuito muito susceptível a ruídos de alta freqüência, pois é um filtro passa-altas, o que pode levar a distúrbios durante o processo de controle.

3.4.2.6 Controle Proporcional, Integral e Derivativo:

É a combinação do anterior com o integral. Isto se faz somando os sinais de saída de um amplificador, um diferenciador e um integrador, todos eles com o sinal de erro aplicado na entrada.

Assim, temos um compromisso entre a velocidade de atuação, devida ao diferenciador, e erro de regime nulo (precisão), devido ao integrador.

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Este é o mais usado dos tipos de controle eletrônicos. Os parâmetros deste sistema podem ser alterados ajustando-se os potenciômetros (que alteram as constantes de integração e diferenciação), o que dá flexibilidade a estes sistemas analógicos somente superadas pelos digitais.

3.4.3 Válvulas Solenóides

São equipamentos que em funcionamento nos processos industriais, auxiliam em geral os mais variados dispositivos, nas suas seqüências de comando a distância.

3.4.3.1 Funcionamento

A válvula é aberta ou fechada pelo movimento do núcleo, que trabalha em oposição a uma mola, atraído pela bobina quando a mesma é energizada.

3.4.3.2 Tipos de Válvulas Solenóides

-Válvulas de duas vias;

-Válvulas de três vias;

-Válvulas de quatro vias e

-Válvula de rearme normal.

3.4.3.2.1 Válvulas de Duas Vias

Tem uma conexão de entrada e uma de saída. Proporcionam vedação total, abrem e fecham um orifício em função do comando elétrico.

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3.4.3.2.2 Válvulas de Três Vias

Têm três conexões e dois orifícios, um estará sempre fechado enquanto o outro estiver aberto e vice-versa.Estas válvulas podem ser usadas para aplicar ou exaurir pressão de uma válvula operada por motor a diafragma ou operada por cilindros de simples efeito, com retorno à mola.Têm aplicações para selecionar ou dirigir fluxos através de suas conexões.

3.4.3.2.3 Válvulas de Quatro Vias

São geralmente utilizadas para comando de cilindros de duplo efeito. Estas válvulas têm quatro conexões: uma de pressão, duas para cilindro e uma de exaustão.

Em uma posição da válvula, sempre em função do comando elétrico, a pressão é aplicada a um lado do cilindro e do outro lado é conectado a exaustão.

Na outra posição da válvula a pressão e exaustão, se invertem. As válvulas-solenóide de quatro vias são construídas com bobina única ou dupla, para atender a diferentes requisitos de comando e segurança.

3.4.3.2.4 Válvulas de Rearme Manual

A válvula de rearme deve ser operada manualmente.Ela retornará à posição original quando o solenóide for energizado ou desenergizado, dependendo da construção da válvula.

3.4.4 Servomecanismo

3.4.4.1 Servomotor

Os servoacionamentos são utilizados nas mais diversas aplicações industriais nas quais elevada dinâmica, controle de torque, precisão de velocidade e posicionamento são fatores decisivos para o aumento da qualidade e produtividade.

3.4.4.1.1 Principais Aplicações

Dosadoras;

Bobinadeiras;

Retrofitting;

Máquinas-ferramenta;

Máquinas de corte e solda e

Sistemas de posicionamento.

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3.4.4.2 Posicionador Linear

O posicionador linear é utilizado nas mais diversas aplicações industriais, onde movimentação linear com elevada dinâmica e precisão são exigidas.

3.4.4.2.1 Principais Aplicações

Reciprocador para pintura;

Alimentação de máquinas;

Movimentação de cargas;

Corte de chapas;

Corte de vidros;

Paletização e

Deposição de adesivos.

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4 CLP – CONTROLADOR DE LÓGICA PROGRAMÁVEL

4.3 INFORMAÇÕES GERAIS

4.3.1 Descrição

O primeiro CLP surgiu na indústria automobilística, até então, um usuário em potencial dos relés eletromagnéticos, utilizados para controlar operações seqüenciadas e repetitivas numa linha de montagem.

A primeira geração de CLPs utilizou componentes discretos como transistores e CIs com baixa escala de integração.

Este equipamento foi batizado nos Estados Unidos como PLC (Programable Logic Control), em português CLP (Controlador de Lógica Programável) e este termo é registrado pela Allen Bradley (fabricante de CLPs).

4.3.2 Definição Segundo a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas)

É um equipamento eletrônico digital com hardware e software compatíveis com aplicações industriais.

4.3.3 Definição Segundo a Nema (National Electrical Manufacturers Association)

Aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para o armazenamento interno de instruções para implementações específicas, tais como lógica, seqüenciamento, temporização, contagem e aritmética, para controlar, através de módulos de entradas e saídas, vários tipos de máquinas ou processos.

4.3.4 Características

Basicamente, um controlador programável apresenta as seguintes características: Hardware e/ou dispositivo de controle de fácil e rápida programação ou

reprogramação, com a mínima interrupção da produção. Capacidade de operação em ambiente industrial. Sinalizadores de estado e módulos tipo plug-in de fácil manutenção e substituição. Hardware ocupando espaço reduzido e apresentando baixo consumo de energia. Possibilidade de monitoração do estado e operação do processo ou sistema, através

da comunicação com computadores. Compatibilidade com diferentes tipos de sinais de entrada e saída. Capacidade de alimentar, de forma contínua ou chaveada, cargas que consomem

correntes de até 2 A. Hardware de controle que permite a expansão dos diversos tipos de módulos, de

acordo com a necessidade. Custo de compra e instalação competitivo em relação aos sistemas de controle

convencionais. Possibilidade de expansão da capacidade de memória. Conexão com outros CLPs através de rede de comunicação.

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4.3.5 Histórico

O controlador programável nasceu praticamente dentro da indústria automobilística americana, especificamente na Hydramatic Division da General Motors, em 1968, devido a grande dificuldade de se mudar a lógica de controle de painéis de comando a cada mudança na linha de montagem. Estas mudanças implicavam em altos gastos de tempo e dinheiro.

Sob a liderança do engenheiro Richard Morley, foi preparada uma especificação que refletia os sentimentos de muitos usuários de relés, não só da indústria automobilística como de toda a indústria manufatureira.

Eles procuravam um sistema com as seguintes características: um moderno sistema do estado sólido; a flexibilidade de um computador; um dispositivo que sobrevivesse nas mais diversas condições da indústria; fácil programação; fácil manutenção; reciclabilidade.

Nascia assim a indústria de controladores programáveis, hoje com um mercado mundial estimado em 4 bilhões de dólares anuais, que no Brasil é estimado em 50 milhões de dólares anuais.

4.3.6 Evolução

Desde o seu aparecimento até hoje, muita coisa evoluiu nos controladores lógicos. Esta evolução está ligada diretamente ao desenvolvimento tecnológico da informática em suas características de software e de hardware.

O que, no seu surgimento, era executado com componentes discretos, hoje se utiliza de microprocessadores e microcontroladores de última geração, usando técnicas de processamento paralelo, inteligência artificial, redes de comunicação, fieldbus, etc.

Até recentemente não havia nenhuma padronização entre fabricantes, apesar da maioria utilizar as mesmas normas construtivas. Porém, pelo menos em nível de software aplicativo, os controladores programáveis podem se tornar compatíveis com a adoção da norma IEC 1131-3, que prevê a padronização da linguagem de programação e sua portabilidade.

Outra novidade que está sendo incorporada pelos controladores programáveis é o fieldbus (barramento de campo), que surge como uma proposta de padronização de sinais em nível de chão-de-fábrica. Este barramento se propõe a diminuir sensivelmente o número de condutores usados para interligar os sistemas de controle aos sensores e atuadores, além de propiciar a distribuição da inteligência por todo o processo.

Hoje os CLPs oferecem um considerável número de benefícios para aplicações industriais, que podem ressaltar em economia que excede o custo do CLP e devem ser considerados quando da seleção de um dispositivo de controle industrial. As vantagens de sua utilização, comparados a outros dispositivos de controle industrial incluem:

Menor Ocupação de espaço; Potência elétrica requerida menor; Reutilização; Programável, se ocorrerem mudanças de requisitos de controle; Confiabilidade maior; Manutenção mais fácil; Maior flexibilidade, satisfazendo um maior número de aplicações; Permite a interface através de rede de comunicação com outros CLPs e

microcomputadores; Projeto do sistema mais rápido.

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Todas estas considerações mostram a evolução de tecnologia, tanto de hardware quanto de software, o que permite o seu acesso a um maior número de pessoas tanto nos projetos de aplicação de controladores programáveis quanto na sua programação.

4.3.7 Aplicações

O controlador programável existe para automatizar processos industriais, sejam de seqüenciamento, intertravamento, controle de processos, batelada, etc.

Este equipamento tem seu uso tanto na área de automação da manufatura, de processos contínuos, elétrica, predial, entre outras.

Praticamente não existem ramos de aplicações industriais onde não se possa aplicar os CLPs, entre elas tem-se:

Máquinas industriais (operatrizes, injetoras de plástico, têxteis, calçados); Equipamentos industriais para processos (siderurgia, papel e celulose,

petroquímica, química, alimentação, mineração, etc); Equipamentos para controle de energia (demanda, fator de carga); Controle de processos com realização de sinalização, intertravamento e controle

PID; Aquisição de dados de supervisão em: fábricas, prédios inteligentes, etc; Bancadas de teste automático de componentes industriais; Etc.

Com a tendência dos CLPs terem baixo custo, muita inteligência, facilidade de uso e massificação das aplicações, a utilização deste equipamento não será apenas nos processos mas também nos produtos. Poderemos encontrá-lo em produtos eletrodomésticos, eletrônicos, residências e veículos.

4.4 ESTRUTURA BÁSICA

O controlador programável tem sua estrutura baseada no hardware de um computador, tendo, portanto uma unidade central de processamento (UCP), interfaces de entrada e saída e memórias.

As principais diferenças em relação a um computador comum estão relacionadas à qualidade da fonte de alimentação, que possui características ótimas de filtragem e estabilização, interfaces de E/S imune a ruídos e um invólucro específico para aplicações industriais.

Tem também um terminal usado para programação do CLP.

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O diagrama de blocos a seguir, ilustra a estrutura básica de um controlador programável:

Dentre as partes integrantes desta estrutura temos: UCP Memória E/S (Entradas e Saídas) Terminal de Programação

4.4.1 Unidade Central de Processamento (UCP)

A Unidade Central de Processamento (UCP) é responsável pelo processamento do programa, isto é, coleta os dados dos cartões de entrada, efetua o processamento segundo o programa do usuário, armazenado na memória, e envia o sinal para os cartões de saída como resposta ao processamento.

Geralmente, cada CLP tem uma UCP, que pode controlar vários pontos de E/S (entradas e saídas) fisicamente compactadas a esta unidade - é a filosofia compacta de fabricação de CLPs, ou constituir uma unidade separada, conectada a módulos onde se situam cartões de entrada e saída, - esta é a filosofia modular de fabricação de CLPs.

Este processamento poderá ter estruturas diferentes para a execução de um programa, tais como:

Processamento cíclico; Processamento por interrupção; Processamento comandado por tempo; Processamento por evento.

Unidade Central de Processamento

(UCP)

MEMÓRIA

INTERFACE DE E/S

PROCESSADOR FONTE

DE ALIMENTAÇÃO

CARTÕES DE

ENTRADA

CARTÕES DE

SAÍDA

TERMINAL DE PROGRAMAÇÃO

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4.4.1.1 Processamento Cíclico

É a forma mais comum de execução que predomina em todas as UCPs conhecidas, e de onde vem o conceito de varredura, ou seja, as instruções de programa contidas na memória são lidas uma após a outra seqüencialmente do início ao fim, daí retornando ao início ciclicamente.

Um dado importante de uma UCP é o seu tempo de ciclo, ou seja, o tempo gasto para a execução de uma varredura. Este tempo está relacionado com o tamanho do programa do usuário (em média 10 ms a cada 1.000 instruções).

4.4.1.2 Processamento por Interrupção

Certas ocorrências no processo controlado não podem, algumas vezes, aguardar o ciclo completo de execução do programa. Neste caso, ao reconhecer uma ocorrência deste tipo, a UCP interrompe o ciclo normal de programa e executa um outro programa chamado de rotina de interrupção.

Esta interrupção pode ocorrer a qualquer instante da execução do ciclo de programa. Ao finalizar esta situação o programa voltará a ser executado do ponto onde ocorreu a interrupção.

Uma interrupção pode ser necessária , por exemplo, numa situação de emergência onde procedimentos referentes a esta situação devem ser adotados.

4.4.1.3 Processamento Comandado por Tempo

Da mesma forma que determinadas execuções não podem ser dependentes do ciclo normal de programa, algumas devem ser executadas a certos intervalos de tempo, às vezes muito curto, na ordem de 10 ms.

Este tipo de processamento também pode ser encarado como um tipo de interrupção, porém ocorre a intervalos regulares de tempo dentro do ciclo normal de programa.

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4.4.1.4 Processamento por Evento

Este é processado em eventos específicos, tais como no retorno de energia, falha na bateria e estouro do tempo de supervisão do ciclo da UCP.

Neste último, temos o chamado Watch Dog Time (WD), que normalmente ocorre como procedimento ao se detectar uma condição de estouro de tempo de ciclo da UCP, parando o processamento numa condição de falha e indicando ao operador através de sinal visual e, às vezes, sonoro.

4.4.2 Memória

O sistema de memória é uma parte de vital importância no processador de um controlador programável, pois armazena todas as instruções assim como o os dados necessários para executá-las.

Existem diferentes tipos de sistemas de memória. A escolha de um determinado tipo depende:

Do tipo de informação armazenada; Da forma como a informação será processada pela UCP.

As informações armazenadas num sistema de memória são chamadas palavras de memória, que são formadas sempre com o mesmo número de bits.

A capacidade de memória de um CP é definida em função do número de palavras de memória previstas para o sistema.

4.4.2.1 Mapa de Memória

A capacidade de memória de um CP pode ser representada por um mapa chamado mapa de memória.

8, 16, ou 32 bits

255

511

Decimal Octal Hexadecimal

ENDEREÇO DAS PALAVRAS DE MEMÓRIA

377 FF

777 1FF

1023 1777 3FF

2047

4095

3777 7FF

7777 FFF

819 17777 1FFF

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4.4.2.2 Arquitetura de memória de um CP

A arquitetura de memória de um controlador programável pode ser constituída por diferentes tipos de memória.

A memória do computador é onde se armazenam os dados que devem ser manipulados pelo computador (chamada memória de dados) e também onde está armazenado o programa do computador (memória de programa).

Aparentemente não existe uma diferença física entre as memórias de programa, apenas utilizam-se memórias fixas para armazenar dados fixos ou programas e memórias que podem ser alteradas pelo sistema para armazenar dados que podem variar de acordo com o programa. Existem diversos tipos de memórias que podem ser utilizadas pelo computador: fita magnética, disco magnético e até memória de semicondutor em forma de circuito integrado.

As memórias a semicondutores podem ser divididas em dois grupos diferentes:

- Memória ROM (read only memory) memória apenas de leitura.

- Memória RAM (random acess memory) memória de acesso aleatório.

MEMÓRIAS

ROM RAM

ROM MÁSCARA PROM EPROM EEPROM EAROM ESTÁTICA DINÂMICA

As memórias ROM são designadas como memória de programa por serem memórias que não podem ser alteradas em estado normal de funcionamento, porém têm a vantagem de não perderem as suas informações mesmo quando é desligada sua alimentação.

Tipo de Memória Descrição Observação

RAM DINÂMICA Memória de acesso aleatório

- Volátil

- Gravada pelo usuário

- Lenta

- Ocupa pouco espaço

- Menor custo

RAM

Memória de acesso aleatório

- Volátil

- Gravada pelo usuário

- Rápida

- Ocupa mais espaço

- Maior custo

ROM MÁSCARA Memória somente de leitura - Não Volátil

- Não permite apagamento

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- Gravada pelo fabricante

PROM Memória programável somente de leitura

- Não volátil

- Não permite apagamento

- Gravada pelo usuário

EPROM Memória programável/

apagável somente de leitura

- Não Volátil

- Apagamento por ultravioleta

- Gravada pelo usuário

EPROM

EEPROM

FLASH EPROM

Memória programável/

apagável somente de leitura

- Não Volátil

- Apagável eletricamente

- Gravada pelo usuário

4.4.2.3 Estrutura

Independente dos tipos de memórias utilizadas, o mapa de memória de um controlador programável pode ser dividido em cinco áreas principais:

Memória executiva Memória do sistema Memória de status dos cartões de E/S ou Imagem Memória de dados Memória do usuário

MEMÓRIA EXECUTIVA

MEMÓRIA DO SISTEMA

MEMÓRIA DE STATUS

MEMÓRIA DE DADOS

MEMÓRIA DO USUÁRIO

4.4.2.3.1 Memória Executiva

É formada por memórias do tipo ROM ou PROM e em seu conteúdo está armazenado o sistema operacional responsável por todas as operações que são realizadas no CLP.

O usuário não tem acesso a esta área de memória.

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4.4.2.3.2 Memória do Sistema

Esta área é formada por memórias tipo RAM, pois terá o seu conteúdo constantemente alterado pelo sistema operacional.

Armazena resultados e/ou operações intermediárias, geradas pelo sistema, quando necessário. Pode ser considerada como um tipo de rascunho.

Não pode ser acessada nem alterada pelo usuário.

4.4.2.3.3 Memória de Status de E/S ou Memória Imagem

A memória de status dos módulos de E/S são do tipo RAM. A UCP, após ter efetuado a leitura dos estados de todas as entradas, armazena essas informações na área denominada status das entradas ou imagem das entradas. Após o processamento dessas informações, os resultados serão armazenados na área denominada status das saídas ou imagem das saídas.

4.4.2.3.4 Memória de Dados

As memórias de dados são do tipo RAM, e armazenam valores do processamento das instruções utilizadas pelo programa do usuário.

Funções de temporização, contagem, aritméticas e especiais, necessitam de uma área de memória para armazenamento de dados, como:

Valores pré-selecionados ou acumulados de contagem e temporização; Resultados ou variáveis de operações aritméticas; Resultados ou dados diversificados a serem utilizados por funções de

manipulação de dados.

4.4.2.3.5 Memória do Usuário

A UCP efetuará a leitura das instruções contidas nesta área a fim de executar o programa do usuário, de acordo com os procedimentos predeterminados pelo sistema operacional.

As memórias destinadas ao usuário podem ser do tipo: RAM RAM/EPROM RAM/EEPROM

Tipo de Memória Descrição

RAM

A maioria do CLPs utiliza memórias RAM para armazenar o programa d usuário assim como os dados internos do sistema. Geralmente associada a baterias internas que evitarão a perda das informações em caso de queda da alimentação.

RAM/EPROM

O usuário desenvolve o programa e efetua testes em RAM. Uma vez checado o programa, este é transferido para EPROM.

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RAM/EEPROM

Esta configuração de memória do usuário permite que, uma vez definido o programa, este seja copiado em EEPROM. Uma vez efetuada a cópia, o CLP poderá operar tanto em RAM como em EEPROM. Para qualquer modificação bastará um comando via software, e este tipo de memória será apagada e gravada eletricamente.

4.5 DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA

Os dispositivos de entrada e saída são os circuitos responsáveis pela interação entre o homem e a máquina. São os dispositivos por onde o homem pode introduzir informações na máquina ou por onde a máquina pode enviar informações ao homem. Como dispositivos de entrada pode-se citar os seguintes exemplos: leitor de fitas magnéticas, leitor de disco magnético, leitor de cartão perfurado, leitor de fita perfurada, teclado, painel de chaves, conversor A/D, mouse, scaner, etc. Estes dispositivos tem por função a transformação de dados em sinais elétricos codificados para a unidade central de processamento.

Como dispositivos de saída pode-se citar os seguintes exemplos: gravador de fitas magnéticas, gravador de discos magnéticos, perfurador de cartão, perfurador de fita, impressora, vídeo, display, conversor D/A, canal de som, etc. Todos eles têm por função a transformação de sinais elétricos codificados pela máquina em dados que possam ser manipulados posteriormente ou dados que são imediatamente entendidos pelo homem.

Estes dispositivos são conectados à unidade central de processamento por intermédio de "portas" que são interfaces de comunicação dos dispositivos de entrada e saída.

A estrutura de E/S (entradas e saídas) é encarregada de filtrar os vários sinais recebidos ou enviados para os componentes externos do sistema de controle. Estes componentes ou dispositivos no campo podem ser botões, chaves de fim de curso, contatos de relés, sensores analógicos, termopares, chaves de seleção, sensores indutivos, lâmpadas sinalizadoras, display de LEDs, bobinas de válvulas direcionais elétricas, bobinas de relés, bobinas de contactores de motores, etc.

Em ambientes industriais, estes sinais de E/S podem conter ruído elétrico, que pode causar operação falha da UCP se o ruído alcançar seus circuitos. Desta forma, a estrutura de E/S protege a UCP deste tipo de ruído, assegurando informações confiáveis. A fonte de alimentação das E/S pode também se constituir de uma única unidade ou de uma série de fontes, que podem estar localizadas no próprio compartimento de E/S ou constituir uma unidade à parte.

Os dispositivos do campo são normalmente selecionados, fornecidos e instalados pelo usuário final do sistema do CLP. Assim, o tipo de E/S é determinado, geralmente, pelo nível de tensão (e corrente, nas saídas) destes dispositivos. Os circuitos de E/S são tipicamente fornecidas pelos fabricantes de CLPs em módulos, cada um com 4, 8, 16 ou mais circuitos.

Além disso, a alimentação para estes dispositivos no campo deve ser fornecida externamente ao CLP, uma vez que a fonte de alimentação do CLPs é projetada para operar somente com a parte interna da estrutura de E/S e não dispositivos externos.

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4.5.1 Características das Entradas e Saídas - E/S

A saída digital basicamente pode ser de quatro tipos: transistor, triac, contato seco e TTL podendo ser escolhido um ou mais tipos. A entrada digital pode se apresentar de várias formas, dependendo da especificação do cliente, contato seco, 24 VCC, 110 VCA, 220 VCA, etc.

A saída e a entrada analógicas podem se apresentar em forma de corrente (4 a 20 mA, 0 a 10 mA, 0 a 50 mA), ou tensão (1 a 5 Vcc, 0 a 10 VCC, -10 a 10 VCC etc). Em alguns casos é possível alterar o range através de software.

4.5.1.1 Módulos de Entrada

Os módulos de entrada são interfaces entre os sensores localizados no campo e a lógica de controle de um controlador programável.

Estes módulos são constituídos de cartões eletrônicos, cada qual com capacidade para receber em certo número de variáveis.

Pode ser encontrado uma variedade muito grande de tipos de cartões, para atender as mais variadas aplicações nos ambientes industriais. Mas apesar desta grande variedade, os elementos que informam a condição de grandeza aos cartões, são do tipo:

ELEMENTO DISCRETO: Trabalha com dois níveis definidos; ELEMENTO ANALÓGICO: Trabalha dentro de uma faixa de valores.

4.5.1.1.1 Elementos Discretos

A entrada digital com fonte externa é o tipo mais utilizado. Também, neste caso a característica da fonte de alimentação externa dependerá da especificação do módulo de entrada. As chaves que acionam as entradas situam-se no campo.

BOTÃO

CHAVE

PRESSOSTATO

FLUXOSTATO

TERMOSTATO

FIM DE CURSO

TECLADO

CHAVE BCD

FOTOCÉLULA

OUTROS

CARTÕES

DISCRETOS

UCP

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As entradas dos CLPs têm alta impedância e por isso não podem ser acionadas diretamente por um triac, como é o caso do acionamento por sensores a dois fios para CA, em razão disso é necessário, quando da utilização deste tipo de dispositivo de campo, o acréscimo de uma derivação para a corrente de manutenção do tiristor. Essa derivação consta de um circuito resistivo-capacitivo em paralelo com a entrada acionada pelo triac, cujos valores podem ser encontrados nos manuais do CLP, como visto abaixo.

Se for ser utilizado um sensor capacitivo, indutivo, óptico ou indutivo magnético, saída à transistor com alimentação de 8 a 30 VCC, basta especificar um cartão de entrada 24 VCC comum negativo ou positivo dependendo do tipo de sensor, e a saída do sensor será ligada diretamente na entrada digital do CLP.

A entrada digital do tipo contato seco fica limitada aos dispositivos que apresentam como saída a abertura ou fechamento de um contato. É bom lembrar que em alguns casos uma

fonte

ENTRADA 1

ENTRADA 2

COMUM

PSH

CAMPO

FONTE C.A.

ENTRADA 1

COMUM

CAMPO

sensor indutivo 2 fios

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saída do sensor do tipo transistor também pode ser usada, esta informação consta no manual de ligação dos módulos de entrada.

4.5.1.1.2 Elementos Analógicos

C.A. - Cartão Analógico

A entrada analógica em tensão é implementada diretamente no transmissor como mostra o diagrama.

A entrada analógica em corrente necessita de um shunt para a conversão do valor de corrente em tensão, como mostra o diagrama O valor do resistor shunt dependerá da faixa de

TRANSMISSORES

UCP

C.A.

C.A.

C.A.

C.A.

C.A.

C.A.

TACO GERADOR

TERMOPAR

TERMO RESISTÊNCIA

SENSOR DE POSIÇÃO

OUTROS

fonte

ENTRADA 1 ENTRADA 2

COMUM

P

CAMPO

T

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saída do transmissor e da faixa de entrada do ponto analógico. Para tal cálculo utiliza-se a lei de ohm ( R = V / I).

4.5.1.2 Tratamento de Sinal de Entrada

O tratamento que deve sofrer um sinal de entrada, varia em função de sua natureza, isto é, um cartão do tipo digital que recebe sinal alternado, se difere do tratamento de um cartão digital que recebe sinal contínuo e assim nos demais tipos de sinais.

A seguir é mostrado um diagrama onde estão colocados os principais componentes de um cartão de entrada digital de tensão alternada :

B.C. - Bornes de conexão: Permite a interligação entre o sensor e o cartão, geralmente se utiliza sistema “plug-in”.

C.C. - Conversor e Condicionador: Converte em DC o sinal AC, e rebaixa o nível de tensão até atingir valores compatíveis com o restante do circuito.

I.E. - Indicador de Estado: Proporcionar indicação visual do estado funcional das entradas.

I.El. - Isolação Elétrica: Proporcionar isolação elétrica entre os sinais vindos e que serão entregues ao processador.

I.M. - Interface/Multiplexação: Informar ao processador o estado de cada variável de entrada.

B.C.

C.C.

I.E.

I.El.

I.M.

UCP

Elementos Discretos

fonte

ENTRADA 1

ENTRADA 2

COMUM

PT

CAMPO

T

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4.5.1.3 Módulos de Saída

Os módulos de saída são elementos que fazem a interface entre o processador e os elementos atuadores.

Estes módulos são constituídos de cartões eletrônicos, com capacidade de enviar sinal para os atuadores, resultante do processamento da lógica de controle.

Os cartões de saída irão atuar basicamente dois tipos: ATUADORES DISCRETOS: Pode assumir dois estados definidos. ATUADORES ANALÓGICOS: Trabalha dentro de uma faixa de valores.

4.5.1.3.1 Atuadores Discretos

De acordo com o tipo de elemento de comando da corrente das saídas, estas apresentam características que as diferem como as seguintes:

Saída a TRANSÍSTOR: promove comutações mais velozes, mas só comporta cargas de tensão contínua;

Saída a TRIAC: tem maior vida útil que o tipo a contato seco, mas só pode acionar cargas de tensão alternada;

Saída a CONTATO SECO: pode acionar cargas alimentadas por tensão tanto contínua quanto alternada.

A ligação dos circuitos de entrada e ou saída é relativamente simples, dependendo apenas do tipo em questão.

A seguir vêm-se os diagramas de ligação dos vários tipos.

As saídas digitais independentes possuem a vantagem de poder acionar no mesmo módulo cargas de diferentes fontes sem o risco de interligá-las. Apresentam a desvantagem de consumir mais cabos.

VÁLVULA SOLENÓIDE

CONTATOR

SINALIZADOR

RELÉ

SIRENE

DISPLAY

OUTROS

UCP

CARTÕES

DISCRETOS

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As saídas digitais com ponto comum possuem a vantagem de economia de cabo.

Se neste tipo de saída for necessário acionar cargas com fontes incompatíveis entre si, será necessária a utilização de relés cujas bobinas se energizem com as saídas do CLP e cujos contatos comandem tais cargas.

4.5.1.3.2 Atuadores Analógicos

POSICIONADOR

CONVERSOR

INDICADOR

VÁLVULA PROPORCIONAL

ATUADOR ELÉTRICO

OUTROS

UCP

CARTÕES

ANALÓGICOS

carga

carga

fonte

saída 1

saída 2

SAÍDAS DIGITAIS COM PONTO COMUM

comum

CAMPO

carga

carga

fonte

fonte

saída 1

saída

SAÍDAS DIGITAIS INDEPENDENTE

CAMPO

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A saída analógica em corrente ou tensão é implementada diretamente no dispositivo em questão. É bom lembrar a questão da compatibilidade dos sinais, saída em tensão só pode ser ligada no dispositivo que recebe tensão e saída em corrente pode ser ligada em dispositivo que recebe corrente ou tensão, dependendo da utilização ou não do shunt de saída.

4.5.1.4 Tratamento de Sinal de Saída

Existem vários tipos de cartões de saída que se adaptam à grande variedade de atuadores existentes. Por este motivo, o sinal de saída gerado de acordo com a lógica de controle, deve ser condicionado para atender o tipo da grandeza que acionará o atuador.

A seguir é mostrado um diagrama onde estão colocados os principais componentes de um cartão de saída digital de corrente contínua:

I.M. - Interface/Multiplexação: Interpreta os sinais vindos da UCP através do barramento de dados, para os pontos de saída, correspondente a cada cartão.

M.S. - Memorizador de Sinal: Armazena os sinais que já foram multiplexados pelo bloco anterior.

I.E. - Isolação Elétrica: Proporciona isolação elétrica entre os sinais vindos do processador e os dispositivos de campo.

E.S. - Estágio de Saída: Transforma os sinais lógicos de baixa potência, em sinais capazes de operar os diversos tipos de dispositivos de campo.

B.L. - Bornes de Ligação: Permite a ligação entre o cartão e o elemento atuador, e utiliza também o sistema “plug-in”.

E.S.

B.L.

I.El.

M.S.

I.M.

UCP

SAÍDA 1

SAÍDA 2

COMUM

POSICIONADOR ATUADOR

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4.5.2 Terminal de Programação

O terminal de programação é um dispositivo (periférico) que conectado temporariamente ao CLP, permite introduzir o programa do usuário e configuração do sistema. Pode ser um equipamento dedicado, ou seja, um terminal que só tem utilidade como programador de um determinado fabricante de CLP, ou um software que transforma um computador pessoal em um programador.

Neste periférico, através de uma linguagem, na maioria das vezes, de fácil entendimento e utilização, será feita a codificação das informações vindas do usuário numa linguagem que possa ser entendida pelo processador de um CLP. Dependendo do tipo de Terminal de Programação (TP), poderão ser realizadas funções como:

Elaboração do programa do usuário; Análise do conteúdo dos endereços de memória; Introdução de novas instruções; Modificação de instruções já existentes; Monitoração do programa do usuário; Cópia do programa do usuário em disco ou impressora.

Os terminais de programação podem ser classificados em três tipos: Terminal Dedicado Portátil; Terminal Dedicado TRC; Terminal não Dedicado;

4.5.2.1 Terminal Portátil Dedicado

Os terminais de programação portáteis, geralmente são compostos por teclas que são utilizadas para introduzir o programa do usuário. Os dados e instruções são apresentados num display que fornece sua indicação, assim como a posição da memória endereçada.

A maioria dos programadores portáteis são conectados diretamente ao CP através de uma interface de comunicação (serial). Pode-se utilizar a fonte interna do CP ou possuir alimentação própria através de bateria.

Com o advento dos computadores pessoais portáteis (Lap-Top), estes terminais estão perdendo sua função, já que se podem executar todas as funções de programação em ambiente mais amigável, com todas as vantagens de equipamento portátil.

4.5.2.2 Terminal Dedicado TRC

No caso do Terminal de programação dedicado tem-se como grandes desvantagens seu custo elevado e sua baixa taxa de utilização, já que sua maior utilização se dá na fase de projeto e implantação da lógica de controle.

Estes terminais são compostos por um teclado, para introdução de dados/instruções e um monitor (TRC - tubos de raios catódicos) que tem a função de apresentar as informações e condições do processo a ser controlado.

Como no caso dos terminais portáteis, com o advento da utilização de computadores pessoais, este tipo de terminal está caindo em desuso.

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4.5.2.3 Terminal Não Dedicado - PC

A utilização de um computador pessoal (PC) como terminal de programação é possível através da utilização de um software aplicativo dedicado a esta função.

Neste tipo de terminal, tem-se a vantagem da utilização de um micro de uso geral realizando o papel do programador do CLP. Os custos deste hardware (PC) e software são bem menores do que um terminal dedicado além da grande vantagem de ter, após o período de implantação e eventuais manutenções, o PC disponível para outras aplicações comuns a um computador pessoal.

Outra grande vantagem é a utilização de softwares cada vez mais interativos com o usuário, utilizando todo o potencial e recursos de software e hardware disponíveis neste tipo de computador.

4.6 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE UM CLP

Um controlador lógico programável, tem seu funcionamento baseado num sistema de microcomputador onde se tem uma estrutura de software que realiza continuamente ciclos de varredura.

4.6.1 Estados de Operação

Basicamente a UCP de um controlador programável possui dois estados de operação : Programação Execução

A UCP pode assumir também o estado de erro, que aponta falhas de operação e execução do programa.

4.6.1.1 Programação

Neste estado o CP não executa programa, isto é, não assume nenhuma lógica de controle, ficando preparado para ser configurado ou receber novos programas ou até modificações de programas já instalados. Este tipo de programação é chamada off-line (fora de linha).

4.6.1.2 Execução

Estado em que o CP assume a função de execução do programa do usuário. Neste estado, alguns controladores, podem sofrer modificações de programa. Este tipo de programação é chamada on-line (em linha).

4.6.2 Funcionamento

Ao ser energizado, estando o CP no estado de execução, o mesmo cumpre uma rotina de inicialização gravada em seu sistema operacional. Esta rotina realiza as seguintes tarefas:

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Limpeza da memória imagem, para operandos não retentivos; Teste de memória RAM; Teste de executabilidade do programa.

Após a execução desta rotina, a UCP passa a fazer uma varredura (ciclo) constante, isto é, uma leitura seqüencial das instruções em loop (laço).

Entrando no loop, o primeiro passo a ser executado é a leitura dos pontos de entrada. Com a leitura do último ponto, irá ocorrer, a transferência de todos os valores para a chamada memória ou tabela imagem das entradas.

Após a gravação dos valores na tabela imagem, o processador inicia a execução do programa do usuário de acordo com as instruções armazenadas na memória.

Terminando o processamento do programa, os valores obtidos neste processamento, serão transferidos para a chamada memória ou tabela imagem das saídas, como também a transferência de valores de outros operandos, como resultados aritméticos, contagens, etc.

Ao término da atualização da tabela imagem, será feita a transferência dos valores da tabela imagem das saídas, para os cartões de saída, fechando o loop. Neste momento é iniciado um novo loop.

Para a verificação do funcionamento da UCP, é estipulado um tempo de processamento, cabendo a um circuito chamado de Watch Dog Time supervisioná-lo. Ocorrendo a ultrapassagem deste tempo máximo, o funcionamento da UCP será interrompido, sendo assumido um estado de erro.

O termo varredura ou scan, são usados para um dar nome a um ciclo completo de operação (loop).

O tempo gasto para a execução do ciclo completo é chamado Tempo de Varredura, e depende do tamanho do programa do usuário, e a quantidade de pontos de entrada e saída.

Page 145: apostila automação

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Fluxograma de funcionamento de um CLP

START PARTIDA

- Limpeza de memória - Teste de RAM - Teste de Execução

OK

Tempo de Varredura

OK

Atualização da Tabela Imagem das

Entradas

Execução do Programa do Usuário

Atualização da Tabela Imagem das

Saídas

STOP PARADA

Leitura dos Cartões de

Entrada

Transferência da Tabela para

a Saída

Não

Não

Sim

Sim

Page 146: apostila automação

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Ciclo de Operação de um CLP

o - 00 o - 01 o - 02 o - 03 o - 04 o - 05 o - 06 o - 07

1 0

1

Memória Imagem

E N T R A D A S

S A Í D A S

IN 00

IN 03

OUT

Cartão de Saída

o - 00 o - 01 o - 02 o - 03 o - 04 o - 05 o - 06 o - 07

Cartão de Entrada

Page 147: apostila automação

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4.7 LINGUAGEM DE PROGRAMAÇÃO

Na execução de tarefas ou resolução de problemas com dispositivos microprocessados, é necessária a utilização de uma linguagem de programação, através da qual o usuário se comunica com a máquina.

A linguagem de programação é uma ferramenta necessária para gerar o programa, que vai coordenar e seqüenciar as operações que o microprocessador deve executar.

4.7.1 Classificação

Linguagem de baixo nível Linguagem de alto nível

4.7.1.1 Linguagem de Baixo Nível

4.7.1.1.1 Linguagem de Máquina

É a linguagem corrente de um microprocessador ou microcontrolador, onde as instruções são escritas em código binário (bits 0 e 1). Para minimizar as dificuldades de programação usando este código, pode-se utilizar também o código hexadecimal.

Código Binário

Endereço Conteúdo

0000000000000000 00111110

0000000000000001 10000000

0000000000000010 11010011

0000000000000011 00011111

0000000000000100 00100001

0000000000000101 00000000

0000000000000111 01111110

0000000000001000 00100011

0000000000001001 10000110

0000000000001010 00111111

0000000000001011 00000001

0000000000001111 11011010

0000000000010000 00000000

0000000000010001 11011010

Page 148: apostila automação

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Código Hexadecimal

Endereço Conteúdo

0000 3E

0001 80

0002 D3

0003 1F

0004 21

0005 00

0006 10

0007 7E

0008 23

0009 86

000A 27

000B D3

000C 17

000D 3F

Cada item do programa, chama-se linha ou passo, representa uma instrução ou dado a ser operacionalizado.

4.7.1.1.2 Linguagem Assembler

Na linguagem assembler o programa é escrito com instruções abreviadas chamadas mnemônicos.

Endereço Conteúdo

0000 MVI A,80H

0002 OUT 1FH

0004 LXI ,1000H

0007 MOV A,M

0008 INX H

0009 ADD M

000A DAA

000B OUT 17H

000D MVI A,1H

000F JC 0031H

0012 XRA A

0013 OUT 0FH

0015 HLT

Page 149: apostila automação

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Cada microprocessador ou microcontrolador possui estruturas internas diferentes, portanto seus conjuntos de registros e instruções também são diferentes.

4.7.1.2 Linguagem de Alto Nível

É uma linguagem próxima da linguagem corrente utilizada na comunicação de pessoas.

4.7.1.2.1 Compiladores e Interpretadores

Quando um microcomputador utiliza uma linguagem de alto nível, é necessário a utilização de compiladores e interpretadores para traduzirem este programa para a linguagem de máquina.

4.7.1.2.2 Vantagem

Elaboração de programa em tempo menor, não necessitando conhecimento da arquitetura do microprocessador.

4.7.1.2.3 Desvantagem

Tempo de processamento maior do que em sistemas desenvolvidos em linguagens de baixo nível.

Exemplos de linguagens de alto nível

Pascal C Fortran Cobol Etc.

4.8 PROGRAMAÇÃO DE CONTROLADORES PROGRAMÁVEIS

Normalmente podemos programar um controlador através de um software que possibilita a sua apresentação ao usuário em quatro formas diferentes:

Diagrama de contatos (Ladder diagram); Diagrama de blocos lógicos (lógica booleana); Lista de instruções; Texto estruturado; Linguagem seqüencial (Grafcet);

COMPILADORES OU

INTERPRETADOR

PROGRAMA

1111 0000 0101 0100

Page 150: apostila automação

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Linguagem corrente.

Alguns CLPs, possibilitam a apresentação do programa do usuário em uma ou mais formas.

4.8.1 Diagrama de Contatos (Ladder)

Também conhecida como: Diagrama de relés; Diagrama escada; Diagrama “ladder”.

Esta forma gráfica de apresentação está muito próxima a normalmente usada em diagrama elétricos.

Exemplo:

4.8.2 Diagrama de Blocos Lógicos

Mesma linguagem utilizada em lógica digital, onde sua representação gráfica é feita através das chamadas portas lógicas.

Exemplo:

>=1

&

&

>=1

I 0.0

Q 0.0

Q 0.2

I 0.6

I 0.2

I 0.4

Q 0.0

Q 0.2

As portas lógicas são identificadas pelos símbolos que são colocados no interior dos

quadros.

& Função E

>=1 Função OU

Page 151: apostila automação

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31 Função OU – pelo uma das entradas em nível lógico 1 3n Função OU – pelo n das entradas em nível lógico 1

>n/2 Função OU – mais da metade das entradas em nível lógico 1

=1 Ou Exclusivo somente uma entrada tiver nível lógico 1

=m Somente m das entradas tiverem nível lógico 1

2k+1 Um número ímpar de entradas tiverem nível lógico 1

2k Um número par de entradas tiverem nível lógico 1

= Função coincidência – nenhuma ou todas as entradas tiverem nível lógico 1

A natureza do sinal de saída correspondente deve ser escrita dentro de um retângulo:

S ação memorizada (set)

NS não memorizada

DY ação dinâmica (impulso)

tc tempo de controle

tw tempo de espera

4.8.3 Lista de Instrução

Linguagem semelhante à utilizada na elaboração de programas para computadores.

Exemplo:

: A I 1.5

: A I 1.6

: O

: A I 1.4

: A I 1.3

: = Q 3.0

( I 1.5 . I 1.6 ) + ( I 1.4 . I 1.3 ) = Q 3.0

4.8.4 Texto Estruturado – ST

O programa é desenvolvido em alguma linguagem de programação de médio ou alto nível. Por exemplo: Pascal; C; C++; Delphi; etc.

Page 152: apostila automação

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4.8.5 Linguagem Seqüencial – SFC

O sistema SFC conhecido como GRAPH 5 e, atualmente, muito conhecido como Grafcet, permite programar o CLP gráfica e diretamente em blocos de comandos seqüenciais.

Um passo elementar é representado por um retângulo. Os diferentes passos são unidos estruturalmente por linhas de atuação vertical. Uma transição se representa traçando uma linha perpendicular à linha de atuação entre dois passos. Cada passo corresponde a um conjunto de operações e cada transição a um conjunto de condições.

4.8.6 Linguagem Corrente

É semelhante ao basic, que é uma linguagem popular de programação, e uma linguagem de programação de alto nível. Comandos típicos podem ser "fechar válvula A" ou "desligar bomba B", "ligar motor", "desligar solenóide",

4.8.7 Análise das Linguagens de Programação

Com o objetivo de ajudar na escolha de um sistema que melhor se adapte as necessidades de cada usuário, pode-se analisar as características das linguagens programação disponíveis de CLPs.

Esta análise se deterá nos seguintes pontos:

Quanto à forma de programação; Quanto à forma de representação; Documentação; Conjunto de Instruções.

4.8.7.1 Quanto a Forma de Programação

Programação Linear - programa escrito escrita em único bloco Programação Estruturada - Estrutura de programação que permite:

Organização; Desenvolvimento de bibliotecas de rotinas utilitárias para utilização em

vários programas; Facilidade de manutenção; Simplicidade de documentação e entendimento por outras pessoas além do

autor do software. Permite dividir o programa segundo critérios funcionais, operacionais ou

geográficos.

4.8.7.2 Quanto a Forma de Representação

Diagrama de Contatos; Diagrama de Blocos; Lista de Instruções.

Page 153: apostila automação

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Estes já citados anteriormente.

4.8.7.3 Documentação

A documentação é mais um recurso do editor de programa que de linguagem de programação. De qualquer forma, uma abordagem neste sentido torna-se cada vez mais importante, tendo em vista que um grande número de profissionais estão envolvidos no projeto de um sistema de automação que se utiliza de CLPs, desde sua concepção até a manutenção.

Quanto mais rica em comentários, melhor a documentação que normalmente se divide em vários níveis.

4.8.7.4 Conjunto de Instruções

É o conjunto de funções que definem o funcionamento e aplicações de um CLP.

Podem servir para mera substituição de comandos a relés: Funções Lógicas; Memorização; Temporização; Contagem.

Como também manipulação de variáveis analógicas: Movimentação de dados; Funções aritméticas.

Se funções complexas de algoritmos, comunicação de dados, interfaces homem-máquina, podem ser necessárias:

Saltos controlados; Indexação de instruções; Conversão de dados; PID; Seqüenciadores; Aritmética com ponto flutuante; Etc.

4.9 NORMALIZAÇÃO

Existe a tendência de utilização de um padrão de linguagem de programação onde será possível a intercambiabilidade de programas entre modelos de CLPs e até de fabricantes diferentes.

Esta padronização está de acordo com a norma IEC 1131-3. Na verdade este tipo de padronização é possível utilizando-se o conceito de linguagem de alto nível, onde através de um chamado compilador, pode-se adaptar um programa para a linguagem de máquina de qualquer tipo de microprocessador, isto é, um programa padrão, pode servir tanto para o CLP de um fabricante A como de um fabricante B.

Page 154: apostila automação

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A norma IEC 1131-3 prevê três linguagens de programação e duas formas de apresentação. As linguagens são:

Ladder Diagram - programação como esquemas de relés. Boolean Blocks - blocos lógicos representando portas “E”, “OU”, “Negação”,

“Ou exclusivo”, etc. Structured Control Language (SCL) - linguagem que vem substituir todas as

linguagens declarativas tais como linguagem de instruções, BASIC estruturado e inglês estruturado. Esta linguagem é novidade no mercado internacional e é baseada no Pascal.

As formas de representação são: Programação convencional; Seqüencial Function Chart (SFC) - evolução do graphcet francês.

A grande vantagem de se ter o software normalizado é que em se conhecendo um conhece-se todos, economizando em treinamento e garantindo que, por mais que um fornecedor deixe o mercado, nunca se ficará sem condições de crescer ou repor equipamentos.

4.10 PROGRAMAÇÃO EM LADDER

O diagrama ladder utiliza lógica de relé, com contatos (ou chaves) e bobinas, e por isso é a linguagem de programação de CLP mais simples de ser assimilada por quem já tenha conhecimento de circuitos de comando elétrico.

Compõe-se de vários circuitos dispostos horizontalmente, com a bobina na extremidade direita, alimentados por duas barras verticais laterais. Por esse formato é que recebe o nome de ladder que significa escada, em inglês.

Cada uma das linhas horizontais é uma sentença lógica onde os contatos são as entradas das sentenças, as bobinas são as saídas e a associação dos contatos é a lógica.

São os seguintes os símbolos:

No ladder cada operando (nome genérico dos contatos e bobinas no ladder) é identificado com um endereço da memória à qual se associa no CLP. Esse endereço aparece no

CONTATO NORMALMENTE ABERTO CONTATO NORMALMENTE FECHADO BOBINA

Page 155: apostila automação

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ladder com um nome simbólico, para facilitar a programação, arbitrariamente escolhido pelo fabricante, como os exemplos vistos a seguir.

Tabela de alguns CLPs X endereçamento

FABRICANTE MODELO .D. D. A. A. BIT AUX.

PALAVRA PALAVRA DO

SISTEMA

CONTADOR / TEMPORIZADOR

GEFANUC 90-70

90-30

90-20

90-MICRO

I1

A

I...

Q1

A

%Q...

AI

A

%AI...

AQ1

A

%AQ...

%M1

a

%M...

%T1

a

%T...

%R1

a

%R...

%S %Rx

x

x+1

x+2

PARA CADA

ALLEN BRADLEY

SLC-500

:SLOT. PONTO

I:1/0

a

I:...

SLOT. PONTO

:1/0

a

O:...

SLOT. PONTO

:3.0

a

I:3....

SLOT. PONTO

:3.0

a

O:3....

B3:0/0

a

B3:...

N7:0

a

N7:...

S:

R6:0

a

R6:...

T4:0

A

T4:...

C5:0

A

C5:...

ALTUS AL500 R0

A

R...

60

A

R...

A0

a

A...

M0

a

M...

- M0

PARA CADA

ALTUS PICOLLO

E0.0

a

%E...

S2.0

a

%S...

M M %A0.0

a

%A...

%M0

a

%M...

%M0

PARA CADA

FESTO FPC101

FPC103

0.0

a

I...

O0.0

a

O...

II0

a

II3

OU

IU0

a

IU3

OU0

e

OU1

F0.0

a

F15.15

R0

a

R64

FW0

a

FW15

T0

a

T31

C0

a

C15

Page 156: apostila automação

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Outros tipos de endereçamento; 125/04 ( 1 = entrada, 2 = gaveta, 5 = número do cartão ou módulo, 04 = número do ponto ), 013/01 ( 0 = saída, 1 = número da gaveta, 3 = número do módulo, 01 = número do ponto ).

Nesta apostila os endereços serão identificados como:

E - para entrada digital;

EA - para entrada analógica;

S - para saída digital;

SA - para saída analógica.

A - para bobina auxiliar

O estado de cada operando é representado em um bit correspondente na memória

imagem: este bit assume nível 1 se o operando estiver acionado e 0 quando desacionado.

As bobinas acionam os seus endereços.

Enquanto uma bobina com endereço de saída estiver acionada, um par de terminais no módulo de saída será mantido em condição de condução elétrica.

Os contatos se acionam pelo endereço que os identifica.

Os contatos endereçados como entrada se acionam enquanto seu respectivo par de terminais no módulo de entrada é acionado: fecham-se se forem NA e abrem-se se forem NF.

Com relação ao que foi exposto acima sobre os contatos endereçados como entrada, os que tiverem por finalidade acionar ou energizar uma bobina deverão ser do mesmo tipo do contato externo que aciona seu respectivo ponto no módulo de entrada.

Já os que forem usados para desacionar ou desenergizar uma bobina devem ser de tipo contrário do contato externo que os aciona. Abaixo vê-se um quadro elucidativo a esse respeito.

Se a chave externa for o contato no ladder deve ser

Para ligar NA NA

NF NF

Para desligar NA NF

NF NA

Page 157: apostila automação

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ALTERAÇÕES DO PROGRAMA

Percebe-se, pois que pode ser usada chave externa de qualquer tipo, desde que no ladder se utilize o contato de tipo conveniente. Mesmo assim, por questão de segurança, não se deve utilizar chave externa NF para ligar nem NA para desligar.

4.10.1 Desenvolvimento do Programa Ladder

Após a definição da operação de um processo onde são geradas as necessidades de seqüenciamento e/ou intertravamento, esses dados e informações são passados sob forma de diagrama lógico, diagrama funcional ou matriz de causas e efeitos e a partir daí o programa é estruturado.

Abaixo se vêem os passos para a automação de um processo ou equipamento.

A lógica de diagrama de contatos do CLP assemelha-se à de relés. Para que um relê seja energizado, necessita de uma continuidade elétrica, estabelecida por uma corrente elétrica.

INICIO

DEFINIÇÃO

PONTOS DE E/S OPERANDOS

ELABORAÇÃO DO PROGRAMA USUÁRIO

TESTE DO PROGRAMA

USUÁRIO

INSTALAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS E LIBERAÇÃO PARA USO

FIM

FUNCIONA? NÃO

SIM

Page 158: apostila automação

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K1

CH1

-+ALIMENTAÇÀO

Ao ser fechada a CH1, a bobina K1 será energizada, pois será estabelecida uma continuidade entre a fonte e os terminais da bobina.

O programa equivalente do circuito anterior, na linguagem ladder, será o seguinte.

E1 S1

Analisando os módulos de entrada e saída do CLP, quando o dispositivo ligado à entrada digital E1 fechar, este acionará o contato E1, que estabelecerá uma continuidade de forma a acionar a bobina S1, conseqüentemente, o dispositivo ligado à saída digital S1 será acionado.

Uma prática indispensável é a elaboração das tabelas de alocação dos dispositivos de entrada/saída. Esta tabela é constituída do nome do elemento de entrada/saída, sua localização e seu endereço de entrada/saída no CLP. Exemplo:

DISPOSITIVO LOCALIZAÇÃO ENDEREÇO

PSL - 100 Topo do tanque pressurizado 2 E1

TT - 400 Saída do misturador EA1

FS Saída de óleo do aquecedor E2

SV Ao lado da válvula FV400 S1

O NF é um contado de negação ou inversor, como pode ser visto no exemplo abaixo que é similar ao programa anterior substituindo o contato NA por um NF.

Page 159: apostila automação

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E1 S1

Analisando os módulos de entrada e saída, quando o dispositivo ligado a entrada digital E1 abrir, este desacionará o contato E1, este por ser NF estabelecerá uma continuidade de forma a acionar a bobina S1, conseqüentemente, o dispositivo ligado à saída digital S1 será acionado. A seguir temos o gráfico lógico referente aos dois programas apresentados anteriormente.

1

0

ESTADO LÓGICO

1

0

E1

S1

T

T

CIRCUITO UTILIZANDO E1 NORMALMENTE ABERTO

1

0

ESTADO LÓGICO

1

0

E1

S1

T

T

CIRCUITO UTILIZANDO E1 NORMALMENTE FECHADO

4.10.1.1 Associação de Contatos no Ladder

No ladder se associam contatos para criar as lógicas E e OU com a saída.

Os contatos em série executam a lógica E, pois a bobina só será acionada quando todos os contatos estiverem fechados

A saída S1 será acionada quando:

E1 estiver acionada E

E2 estiver não acionada E

E3 estiver acionada

Em álgebra booleana S=E1* E2* E3

E1 E2 E3 S1

Page 160: apostila automação

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A lógica OU é conseguida com a associação paralela, acionando a saída desde que pelo menos um dos ramos paralelos estejam fechados

A saída S1 será acionada se

E1 for acionada OU

E2 não for acionada OU

E3 for acionada. O que equivale a lógica booleana.

S1=E1+E2+E3

Com associações mistas criam-se condições mais complexas como a do exemplo a seguir

Neste caso a saída é acionada quando

E3 for acionada & E1 for acionada

OU

E3 for acionada & E2 não for acionada

Em lógica booleana S1=E3 * (E1 + E2)

4.10.1.2 Instruções

Na UCP o programa residente possui diversos tipos de blocos de funções. Na listagem a seguir apresentamos alguns dos mais comuns:

Contador; Temporização de energização; Temporização de desenergização; Adição de registros;

E1

E

E

S1

Page 161: apostila automação

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Multiplicação de registros; Divisão de registros; Extração de raiz quadrada; Bloco OU lógico de duas tabelas; Bloco E lógico de duas tabelas; Ou exclusivo lógico de duas tabelas; Deslocar bits através de uma tabela-direita; Deslocar bits através de uma tabela-esquerda; Mover tabela para nova localização; Mover dados para memória EEPROM; Mover inverso da tabela para nova localização; Mover complemento para uma nova localização; Mover valor absoluto para uma nova localização; Comparar valor de dois registros; Ir para outra seqüência na memória; Executar sub-rotina na memória; Converter A/D e localizar em um endereço; Converter D/A um dado localizado em um endereço; Executar algoritmo PID; Etc.

4.10.1.3 Instruções Básicas

As instruções básicas são representadas por blocos funcionais introduzidos na linha de programação em lógica ladder. Estes blocos funcionais podem se apresentar de formas diferentes de um CLP para outro, mas a filosofia de funcionamento é invariável. Estes blocos auxiliam ou complementam o controle do equipamento, introduzindo na lógica ladder instruções como de temporização, contagem, soma, divisão, subtração, multiplicação, PID, conversão BCD/Decimal, conversão Decimal/BCD, raiz quadrada, etc.

4.10.1.3.1 Funcionamento dos Principais Blocos

S1E2

BLOCOFUNCIONAL

O bloco funcional possui pontos de entrada ( localizados à esquerda ) e pontos de saída (localizados à direita do bloco), também possui campos de entrada de informações como; número do registro, memória, ponto de entrada analógico, bit de saída, bit de entrada, ponto de saída analógico, constantes, etc.

As instruções seguintes serão explicadas supondo um byte (oito bits). A análise para uma word (dezesseis bits) é exatamente a mesma.

Page 162: apostila automação

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4.10.1.3.2 Instrução de Temporização

O temporizador conta o intervalo de tempo transcorrido a partir da sua habilitação até este se igualar ao tempo pré-estabelecido. Quando a temporização estiver completa esta instrução eleva a nível 1 um bit próprio na memória de dados e aciona o operando a ela associado.

S1E2

TEMPORIZADORT1 = 30 SEG

Segundo exemplo, quando E1 for acionada, o temporizador será habilitado e imediatamente após 30 segundos a saída S1 será acionada. Quando E1 for desacionada, o temporizador será desabilitado, ou desenergizado, desacionando a saída S1. Em alguns casos, esta instrução apresenta duas entradas uma de habilitação da contagem e outra para zeramento ou reset da saída.

Para cada temporizador destina-se um endereço de memória de dados onde o valor prefixado será armazenado.

Na memória de dados do CLP, o temporizador ocupa três bytes para o controle. O primeiro byte reservado para o dado prefixado, o segundo byte reservado para a temporização e o terceiro byte reservado para os bits de controle da instrução temporizador.

1o byte = valor prefixado de 30 seg.

2o byte = tempo transcorrido

3o byte = bits de controle D.E. ( bit de entrada) e D.S. ( bit de saída ).

Os temporizadores podem ser TON ( temporiza no acionamento ) e TOFF ( temporiza no desacionamento).

4.10.1.3.3 Instrução de Contagem

O contador conta o número de eventos que ocorre e deposita essa contagem em um byte reservado. Quando a contagem estiver completa, ou seja , igual ao valor prefixado, esta instrução energiza um bit de contagem completa. A instrução contador é utilizada para energizar ou desenergizar um dispositivo quando a contagem estiver completa.

C ON T A D ORC 1

PU LSO S=50

E1

E2

S1

Para cada contador destina-se um endereço de memória de dados onde o valor prefixado será armazenado.

Page 163: apostila automação

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Na memória de dados do CLP, o contador ocupa três bytes para o controle. O primeiro byte reservado para o dado prefixado, o segundo byte reservado para a contagem e o terceiro byte reservado para os bits de controle da instrução contador.

1o byte = valor prefixado de 50

2o byte = contagem

3o byte = bits de controle D.E. ( bit de entrada), D.S. ( bit de saída ) e D.R. ( bit de reset).

EVENTO

BIT DEENERGIZAÇÃO

D.E.

BIT DECONTAGEMCOMPLETA

D.S.

BIT DEZERAMENTO

D.R.

T

T

T

T

1

0

1

0

1

0

1

0

4.10.1.3.4 Instrução Mover

A instrução mover transfere dados de um endereço de memória para outro endereço de memória, manipula dados de endereço para endereço, permitindo que o programa execute diferentes funções com o mesmo dado.

MOVERD1 ===>D2

E1 S1

Abaixo temos cinco endereços da memória de dados do CLP. Observe que o dado de D1 é distinto de D2.

B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0

D1 0 0 0 0 1 1 1 1

D2 0 0 1 1 0 0 0 0

D3 0 0 0 0 1 0 0 0

Page 164: apostila automação

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CEDUP Hermann Hering – Blumenau Engº Deonisio L. Lobo 163

D4 1 1 1 0 0 1 0 0

D5 1 0 0 0 0 1 1 1

Supondo que a instrução mover tenha sido acionada e que a movimentação será de D1 para D2.

B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0

D1 0 0 0 0 1 1 1 1

D2 0 0 0 0 1 1 1 1

D3 0 0 0 0 1 0 0 0

D4 1 1 1 0 0 1 0 0

D5 1 0 0 0 0 1 1 1

Observe que o conteúdo de D2 foi alterado. No momento em que a instrução mover for desacionada, o dado de D2 permanecerá o mesmo.

Enquanto E1 estiver acionada o dado será movido uma vez a cada ciclo de varredura, portanto E1 deve ser acionado e desacionado rapidamente.

Temos o gráfico que ilustra antes e depois do acionamento de E1 para a instrução mover.

T

T

T

1

0

0

0

ENTRADA

MEMÓRIADE

DADOS

MEMÓRIADE

DADOS

D1 = 00001111 D1 = 00001111

D2 = 00001111D2 = 00110000

4.10.1.3.5 Instrução Comparar

A instrução comparar verifica se o dado de um endereço é igual, maior, menor, maior/igual ou menor/igual que o dado de um outro endereço, permitindo que o programa execute diferentes funções baseadas em um dado de referência.

Page 165: apostila automação

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C O M P A R A RD 1 > D 2

E 1 S 1

C O M P A R A RD 1 < D 2

E 1 S 2

No exemplo, quando a entrada E1 for acionada as duas instruções de comparação serão acionadas, se D1 for maior que D2 o bit de saída S1 será acionado, se D1 for menor que D2 o bit de saída S2 será acionado. A comparação só existirá se a entrada E1 estiver acionada, caso contrário as duas saídas S1 e S2 serão desacionadas.

T

T

T

1

0

1

0

1

0

ENTRADA E1

SAÍDA S1

SAÍDA S2

D1=35D2=10

D1=35D2=35

D1=35D2=45

T0 T1 T2 T3 T4

Observe o gráfico acima, entre T0 e T1 a entrada E1 está desativada, logo não há comparação e as saídas S1 e S2 são nulas. Entre T1 e T2 o dado D1 se encontra com valor maior que D2, logo a instrução de comparação ativa a saída S1. Entre T2 a T3 o dado D1 é igual a D2, como não há instrução de igualdade as saídas estarão desativadas. Entre T3 a T4 o dado D1 é menor que D2, logo a saída S2 será ativada, a partir de T4 a entrada E1 foi desacionada, portanto as comparações são desativadas e as saídas irão para estado lógico “0”.

A mesma análise é válida para a instrução igual a, maior igual a e menor igual a.

Page 166: apostila automação

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4.10.1.4 Instruções Matemáticas

4.10.1.4.1 Instrução Soma

Permite somar valores na memória quando habilitado. Nesta instrução podem-se usar os conteúdos de um contador, temporizador, byte da memória imagem, byte da memória de dados.

SOMAD1+D2=D3

E1 S1

Nesta instrução de programa, quando E1 for acionada, a soma do dado 1 com o dado 2 será depositado no dado 3, portanto o conteúdo do dado 3 não deverá ter importância. Caso o conteúdo do dado 3 seja importante, o mesmo deve ser movido para um outro endereço ou o resultado da soma depositado em outro endereço.

Enquanto E1 estiver acionado o dado D1 será somado com D2 e depositado no dado D3 a cada ciclo de varredura, portanto E1 deve ser acionado e desacionado rapidamente.

Abaixo temos cinco endereços da memória de dados do CLP.

B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0

D1 0 0 0 1 1 0 1 0

D2 0 0 0 0 1 1 1 1

D3 0 0 0 0 1 0 0 0

D4 1 1 1 0 0 1 0 0

D5 1 0 0 0 0 1 1 1

Supondo que a instrução somar tenha sido acionada e que a soma será de D1 e D2 em D3.

D1 equivale em decimal a 26 e D2 a 15, a soma resultará 41 no D3.

B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0

D1 0 0 0 1 1 0 1 0

D2 0 0 0 0 1 1 1 1

D3 0 0 1 0 1 0 0 1

D4 1 1 1 0 0 1 0 0

D5 1 0 0 0 0 1 1 1

Page 167: apostila automação

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Observe que o conteúdo de D3 foi alterado, no momento em que a instrução soma for desacionada, os dados de D1 e D2 permanecerão os mesmos.

T

T

1

0

ENTRADA

MEMÓRIADE

DADOS

D1 = 00011010D2 = 00001111D3 = 00001000

D1 = 00011010D2 = 00001111D3 = 00101001

A saída S1 será acionada quando a soma for concluída.

Caso o resultado da soma não ultrapasse o limite máximo (overflow), a saída S1 será acionada. Em alguns casos o bit um, do byte de controle da instrução soma, assume valor lógico “1”, determinando o estouro da capacidade. Através deste bit é possível se determinar quando a soma ultrapassou ou não o valor máximo.

4.10.1.4.2 Instrução Subtração

Permite subtrair valores na memória quando habilitado. Nesta instrução podem-se usar os conteúdo de um contador, temporizador, byte da memória imagem, byte da memória de dados.

SUBTRAÇÃOD1-D2=D3

E1 S1

Nesta instrução de programa, quando E1 for acionada, a subtração do dado 1 com o dado 2 será depositado no dado 3, portanto o conteúdo do dado 3 não deverá ter importância. Caso o conteúdo do dado 3 seja importante, o mesmo deve ser movido para um outro endereço ou o resultado da soma depositado em outro endereço.

Page 168: apostila automação

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Enquanto E1 estiver acionado o dado D1 será subtraído do dado D2 e depositado no dado D3 a cada ciclo de varredura, portanto E1 deve ser acionado e desacionado rapidamente.

Abaixo vêm-se cinco endereços da memória de dados do CLP.

B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0

D1 0 0 0 1 1 0 1 0

D2 0 0 0 0 1 1 1 1

D3 0 0 0 0 0 0 0 0

D4 1 1 1 0 0 1 0 0

D5 1 0 0 0 0 1 1 1

Supondo que a instrução subtração tenha sido acionada e que a subtração será de D1 menos D2 em D3.

D1 equivale em decimal a 26 e D2 a 15, a subtração resultará 9 no D3.

B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0

D1 0 0 0 1 1 0 1 0

D2 0 0 0 0 1 1 1 1

D3 0 0 0 0 1 0 0 1

D4 1 1 1 0 0 1 0 0

D5 1 0 0 0 0 1 1 1

Observe que o conteúdo de D3 foi alterado, no momento em que a instrução soma for desacionada, os dados de D1 e D2 permanecerão os mesmos.

T

1

0

ENTRADA

MEMÓRIADE

DADOS

D1 = 00011010D2 = 00001111D3 = 00000000

D1 = 00011010D2 = 00001111D3 = 00001001

Caso o resultado da subtração possua sinal negativo (underflow), a saída S1 será acionada. Em alguns casos o bit um, do byte de controle da instrução subtração, assume valor lógico “1”. Através deste bit e possível de se determinar quando a subtração resultou positiva ou negativa.

Page 169: apostila automação

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4.10.1.4.3 Instrução Multiplicação

Permite multiplicar valores na memória se a condição for verdadeira.

MULTIPLICAÇÃOD1 . D2 = D3

E1 S1

Observe os cinco endereços do mapa de memória apresentado.

B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0

D1 0 0 0 1 1 0 1 0

D2 0 0 0 0 0 1 1 1

D3 0 0 0 0 0 0 0 0

D4 1 1 1 0 0 1 0 0

D5 1 0 0 0 0 1 1 1

Supondo que a instrução multiplicação tenha sido acionada por E1 e que a multiplicação será de D1 por D2 em D3.

D1 equivale em decimal a 26 e D2 a 7, a multiplicação resultará 182 no D3.

B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0

D1 0 0 0 1 1 0 1 0

D2 0 0 0 0 0 1 1 1

D3 1 0 1 1 0 1 1 0

D4 1 1 1 0 0 1 0 0

D5 1 0 0 0 0 1 1 1

Quando a entrada E1 for acionada, a multiplicação do dado D1 pelo dado D2 será depositada no conteúdo do dado D3.

Page 170: apostila automação

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4.10.1.4.4 Instrução Divisão

Permite dividir valores na memória quando habilitado.

DIVISÃOD1 / D2 = D3 , D4

E1 S1

Observe os cinco endereços do mapa de memória apresentado.

B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0

D1 0 0 1 1 0 0 1 0

D2 0 0 0 0 0 1 0 0

D3 0 0 0 0 0 0 0 0

D4 1 1 1 0 0 1 0 0

D5 1 0 0 0 0 1 1 1

Supondo que a instrução divisão tenha sido acionada por E1 e que a divisão será de D1 por D2 em D3, D4.

D1 equivale em decimal a 50 e D2 a 4, a divisão resultará 12,5 no D3, D4.

B7 B6 B5 B4 B3 B3 B2 B1

D1 0 0 1 1 0 0 1 0

D2 0 0 0 0 0 1 0 0

D3 0 0 0 0 1 1 0 0

D4 0 0 0 0 0 1 0 1

D5 1 0 0 0 0 1 1 1

Quando a entrada E1 for acionada, a divisão do dado D1 pelo dado D2 será depositada no conteúdo do dado D3, D4.

Page 171: apostila automação

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4.10.1.5 Instruções Lógicas

Estas instruções destinam-se à comparação lógica entre bytes. São recursos disponíveis para os programadores, podendo serem empregadas na análise de byte e diagnose de dados.

4.10.1.5.1 Instrução AND

Permite executar função AND com valores da memória quando habilitada .

ANDD1 . D2 = D3

E1 S1

Observe os cinco endereços do mapa de memória apresentado.

B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0

D1 0 1 0 1 1 0 1 0

D2 0 1 0 0 0 1 1 1

D3 0 0 0 0 0 0 0 0

D4 1 1 1 0 0 1 0 0

D5 1 0 0 0 0 1 1 1

Supondo que a instrução AND tenha sido acionada por E1 e que a instrução será de D1 and D2 em D3.

Observe a tabela verdade abaixo e verifique o resultado da analise AND entre os dois bytes D1 e D2.

E1 E2 SAÍDA

0 0 0

0 1 0

1 0 0

1 1 1

E1 e E2 são as entradas e SAÍDA é o resultado.

Page 172: apostila automação

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B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0

D1 0 1 0 1 1 0 1 0

D2 0 1 0 0 0 1 1 1

D3 0 1 0 0 0 0 1 0

D4 1 1 1 0 0 1 0 0

D5 1 0 0 0 0 1 1 1

Quando a entrada E1 for acionada, a instrução do dado D1 and dado D2 será depositada no conteúdo do dado D3.

4.10.1.5.2 Instrução OR

Permite executar função OU com valores da memória quando habilitada analisar valores na memória quando habilitada.

ORD1 + D2 = D3

E1 S1

Observe os cinco endereços do mapa de memória apresentado.

B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0

D1 0 1 0 1 1 0 1 0

D2 0 1 0 0 0 1 1 1

D3 0 0 0 0 0 0 0 0

D4 1 1 1 0 0 1 0 0

D5 1 0 0 0 0 1 1 1

Supondo que a instrução OR tenha sido acionada por E1 e que a instrução será de D1 or D2 em D3.

Observe a tabela verdade abaixo e verifique o resultado da analise OR entre os dois bytes D1 e D2.

Page 173: apostila automação

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E1 E2 SAÍDA

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 1

E1 e E2 são as entradas e SAÍDA é o resultado.

B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0

D1 0 1 0 1 1 0 1 0

D2 0 1 0 0 0 1 1 1

D3 0 1 0 1 1 1 1 1

D4 1 1 1 0 0 1 0 0

D5 1 0 0 0 0 1 1 1

Quando a entrada E1 for acionada, a instrução do dado D1 or dado D2 será depositada no conteúdo do dado D3.

4.10.1.5.3 Instrução XOR

Permite executar função ou exclusivo com valores da memória quando habilitada.

XORD1 + D2 = D3

E1 S1

Observe os cinco endereços do mapa de memória apresentado.

B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0

D1 0 1 0 1 1 0 1 0

D2 0 1 0 0 0 1 1 1

D3 0 0 0 0 0 0 0 0

D4 1 1 1 0 0 1 0 0

D5 1 0 0 0 0 1 1 1

Page 174: apostila automação

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Comunicação Industrial

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Supondo que a instrução XOR (ou exclusivo) tenha sido acionada por E1 e que a instrução será de D1 xor D2 em D3.

Observe a tabela verdade abaixo e verifique o resultado da análise xor entre os dois bytes D1 e D2.

E1 E2 SAÍDA

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 0

E1 e E2 são as entradas e SAÍDA é o resultado.

B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0

D1 0 1 0 1 1 0 1 0

D2 0 1 0 0 0 1 1 1

D3 0 0 0 1 1 1 0 1

D4 1 1 1 0 0 1 0 0

D5 1 0 0 0 0 1 1 1

Quando a entrada E1 for acionada, a instrução do dado D1 xor dado D2 será depositada no conteúdo do dado D3.

Obviamente estas são apenas algumas instruções que a programação ladder dispões. Uma série de outros recursos são disponíveis em função da capacidade do CLP em questão.

As instruções apresentadas servirão como base para o entendimento das instruções de programação ladder de qualquer CLP, para tal conte e não dispense o auxílio do manual ou help on-line quando disponível no software de programação.

A utilização do software de programação é uma questão de estudo e pesquisa, uma vez que o layout de tela e comandos não são padronizados.

Page 175: apostila automação

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4.11 NOÇÕES DE BLOCOS I/O REMOTOS

O KU n it

M onitor

1

2

In

O ut

Seria l

S hield

E nabled

I/O G E F a nuc

IU SNEG

G N D

C u rren t S o urceO utp ut

1 15 V 5 0/60 H z.2 5A M ax

a4 44 8 9

O u tpu t1

O utp ut2

O utp ut3

O utp ut4

O utp ut5

O utp ut6

H

N

N C

BS M

IO U T

R T N

G N D

IO U T

R T N

G N D

IO U T

R T N

G N D

IO U T

R T N

G N D

V O UT

IO U T

R T N

JM P

G N D

V O UT

IO U T

R T N

JM P

G N D

BS M

O ut 1

O ut 2

O ut 3

O ut 4

O ut 5

O ut 6

50 m A/P t M a x

A instalação de um sistema automático com o uso de I/O locais, requer um gasto considerável de cabeamento, borneiras, caixas de passagem, bandejas, projeto e mão-de-obra para a instalação. Os blocos I/O remotos possibilitam uma redução drástica destes gastos, uma vez que todos os sinais não serão encaminhados para o rack do CLP e sim para pontos de entradas e saídas que ficarão localizados no campo.

Este módulos de I/O são inteligentes, independentes e configuráveis. Interligados entre si através de um barramento de campo, e este a um controlador de barramento que fica localizado no rack do CLP.

A seguir tem-se a exemplificação da ligação dos blocos I/O remotos.

Page 176: apostila automação

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PONTO REMOTO

A

SC

NNER

CONTROLADORADE

BARRAMENTO

CPUa42453

BARRAMENTO DECOMUNICAÇÃO

MONITORPORTÁTIL

BLOCOS DE I/O

PS

Um barramento pode atender a:

Blocos I/O, que fornecem uma interface para uma grande variedade de dispositivos discretos, analógicos e para fins especiais. Os blocos são módulos independentes com recursos avançados de diagnóstico e muitos recursos configuráveis por software.

Pontos Remotos, racks de I/O cuja interface com o barramento é feita através de Módulos de Scanner de I/O Remotos. Cada ponto remoto pode incluir qualquer combinação de módulos discretos e analógicos de I/O.

Monitor Portátil, que pode ser usado como um dispositivo portátil ou montado de maneira permanente. Um IHM fornece uma conveniente interface de operador para a configuração de blocos, monitoração de dados e diagnóstico.

Um barramento permite aprimorar o controle de I/O através do uso de comandos de comunicação no programa. O barramento também pode ser usado inteiramente para o controle de I/O, com múltiplos dispositivos de I/O e sem comunicação adicional. Pode ainda ser dedicado à comunicação da CPU, com múltiplas CPUs e sem dispositivos de I/O. Sistemas mais complexos também podem ser desenvolvidos, com CPUs duplas e uma ou mais CPUs adicionais para a monitoração de dados.

4.12 EQUACIONAMENTO DE SISTEMAS

O método de como equacionar ou resolver os problemas de comando de sistemas é fundamental para o responsável pela automação. Ele é bem simples e de fácil compreensão. É empregado sempre que o número de variáveis é elevado ou o comando envolve várias operações. Envolve as seguintes etapas:

1- Apresentação do problema. 2- Esclarecimento e análise. 3- Algoritmo. 4- Representação gráfica. 5- Esquema funcional. 6- Circuitos de comando.

Page 177: apostila automação

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4.12.1 Apresentação e Análise do Problema

A etapa de apresentação do problema consiste na descrição do processo ou sistema que se quer automatizar, feita numa linguagem simples e compreensível. A esta, por conseqüência, sucede-se uma etapa de análise que consiste em esclarecer e analisar o problema. Nesse instante, a descrição do processo é refinada, podendo resultar até em uma melhoria não só da apresentação como também do processo, eliminando passos desnecessários e adicionando os indispensáveis.

Exemplo: Trocar um pneu furado do carro. (este não é exatamente um problema relacionado com automação industrial, mas é bem conhecido e possibilitará explicar melhor o método).

4.12.1.1 Apresentação

Com a ajuda de um macaco, levantar o carro, desapertar os parafusos do pneu furado e trocá-lo por outro bom.

4.12.1.2 Análise

Após um estudo pormenorizado do problema ou do sistema a automatizar, define-se o seguinte:

Dar um leve desaperto nos parafusos. Levantar o carro com o macaco. Certificar-se de que o carro está freado. Soltar os parafusos. Verificar se tem estepe. Trocar o pneu furado pelo estepe. Apertar os parafusos. Arriar o carro. Dar o aperto final nos parafusos.

Page 178: apostila automação

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4.12.2 Descrição das Tarefas e Representação Gráfica

Descrever as operações de um sistema é, em sua essência, descrever todas as tarefas que o mesmo deve realizar.

4.12.2.1 Algoritmo

O algoritmo é uma descrição passo a passo do processo e na seqüência certa de execução. É, basicamente, o que foi visto na primeira etapa, porém com maior preocupação na seqüência dos eventos e no detalhamento do sistema a automatizar. Com relação ao exemplo citado, pode-se definir o seguinte algoritmo:

1- Frear o carro. 2- Verificar se possui estepe e se está em bom estado. 3- Em caso negativo, procurar um borracheiro. 4- Em caso afirmativo, pegar as ferramentas e o estepe. 5- Dar um leve desaperto nos parafusos. 6- Levantar o carro. 7- Soltar os parafusos. 8- Trocar o pneu. 9- Apertar os parafusos. 10- Baixar o macaco. 11- Dar o aperto final nos parafusos. 12- Guardar as ferramentas e o pneu furado. 13- Fim.

4.12.2.2 Fluxograma Analítico

A representação gráfica do algoritmo é o fluxograma analítico que mostra, de modo mais claro, a seqüência de operações de um comando.

4.12.2.2.1 Simbologia utilizada na elaboração de um fluxograma analítico

Este bloco é utilizado nas operações de modo geral, em que se representa um evento definido. Internamente ao bloco se descreve a natureza do evento.

Bloco de entrada e saída em que se representam as sinais de entrada no sistema de controle, ou saída para o exterior.

Page 179: apostila automação

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Este bloco é utilizado sempre que há intervenção do operador no processo. Internamente se descreve a natureza da intervenção.

É o sinal de sub-rotina, ou seja, um desvio da rotina principal para executar determinado controle e simplificar o fluxograma principal. No seu interior descreve-se a sub-rotina.

Terminal em que se indicam o início e o fim de um programa.

Bloco de decisão por meio do qual se indicam condições para executar o desvio.

Loop de decisão no qual o programa só prossegue quando satisfeita a condição expressa interiormente.

Conector utilizado para fracionar o fluxograma, no qual se indica internamente a mesma notação para duas ou mais conexões.

Conector de página no qual são indicados os pontos de ligação entre duas páginas.

Comentário ou notas. Símbolo colocado ao lado dos outros blocos para tornar o fluxograma mais claro.

Page 180: apostila automação

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Comunicação Industrial

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4.12.3 Esquema Funcional

A premissa para se resolver racionalmente uma tarefa de comando é uma representação lógica e inequívoca da mesma.

O esquema funcional é a representação gráfica das condições de comando e controle que pode ser apresentado de duas formas: diagrama de blocos lógicos ou na forma de fluxograma do processo. A representação deve ter características que permitam traduzi-la em um circuito de comando elétrico.

4.12.3.1 Fluxograma do Processo

O esquema funcional na forma de diagrama de blocos lógicos, muitas, vezes, se torna difícil de entender, quando o sistema de comando e controle envolve várias operações que se realizam em uma determinada seqüência. O fluxograma do processo é o esquema de funcionamento por meio do qual se representam as condições do sistema de uma forma mais compacta, em que o sistema é dividido em eventos ou passos.

O número “n” representa a posição do evento.

Dentro do retângulo “X” indica-se a função desse evento de uma forma clara e curta.

As condições de liberação do passo ou entradas são indicadas textualmente e resumidas.

As ordens de saída da etapa são colocadas em retângulos à direita do passo.

Quando as ordens à direita forem condição para a liberação de outros passos, devem ser numeradas.

Caso seja necessário colocar alguma condição adicional às entradas, pode-se utilizar os mesmos símbolos usados em diagramas de blocos lógicos.

Memórias, temporizadores, contadores, etc., são representados como na simbologia em diagrama de blocos lógicos.

Page 181: apostila automação

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5 REDES NA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL (FIELDBUS)

5.3 REDES DE COMUNICAÇÃO INDUSTRIAL

A Automação não é uma técnica atual, ela passou por vários processos de modernização até chegar ao que é hoje.

Depois do advento dos CLPs e dos computadores de processo, oS “estados da arte” em automação industrial são atualmente as redes de automação, mais conhecidas como “Fieldbus”.

Em todo campo da moderna tecnologia de automação, novos modos de equipar máquinas e plantas estão sendo desenvolvidos. A enorme competitividade e o custo são fatores que pesam fortemente em todas as áreas de produção e processos de engenharia, necessitando uma exploração potencial mais racional. Deste ponto de vista a fiação paralela convencional de sensores e atuadores em uma máquina ou processo passa a ser inflexível devido à grande exigência relacionada à quantidade de dados e ao tempo de transmissão. Uma solução para este problema é a rede serial com seus componentes, chamado de barramento de campo ou “Fieldbus”.

Fieldbus é um termo genérico para sistemas de comunicação serial industrial e representa um sistema de comunicação digital bidirecional que interliga equipamentos inteligentes de campo com sistema de controle ou equipamentos localizados na sala de controle.

Toda máquina ou processo industrial necessita de um “cérebro”, ou seja, um equipamento que vai comandar o funcionamento da mesma.

Hoje em dia, o equipamento que mais se utiliza é o CLP (Controlador Lógico Programável), que nada mais é do que um computador-dedicado padrão industrial, cuja programação é intuitiva para pessoas com formação na área elétrica. Há ainda aplicações que empregam o PC como elemento controlador de um sistema, por exemplo o controle de uma máquina, e também existem sistemas mais sofisticados como os SDCDs (Sistema Digital com Controle Distribuído) que normalmente são utilizados em plantas químicas, petroquímicas e siderúgicas.

Todos esses sistemas possuem algo em comum que é a ligação física com o dispositivo de campo, isto é, precisa existir algum componente no sistema que tenha a função de fazer a ligação do elemento controlador com os sinais de entrada e saída de campo (I/O). Por exemplo: sensores, chaves fim-de-curso, válvulas, motores, variáveis analógicas provenientes de transdutores de temperatura, etc...

p l c

PLC

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Figura 5.1 Ligação paralela.

Quando alguma máquina ou processo é automatizado utilizando uma arquitetura dessas, chamamos esse sistema de centralizado, pois todos os dispositivos no campo estão ligados fio-a-fio nesse painel, formando uma ligação paralela, como está ilustrado na figura 5.1.

5.1.1 Automação Centralizada

A automação centralizada foi a primeira a ser utilizada na indústria. Com o passar dos anos a automação foi evoluindo juntamente com o número de pontos de uma aplicação (entende-se como número de pontos o número de elementos de entrada e saída que uma aplicação possui). Para uma automação centralizada isto começa a representar um problema, pois aumentando o número de pontos aumenta-se também:

- O tamanho do painel elétrico;

- O número de fios e muticabos entrando no painel;

- Erros nas ligações dos fios;

- O espaço físico onde os painéis estão instalados;

Com tudo isso, aumentam também os custos da automação como um todo.

Na figura 5.2 vemos um diagrama que representa um sistema centralizado, podemos observar que todos os elementos de campo estão ligados diretamente no CLP.

Figura 5.2. Sistema centralizado.

5.1.2 Automação Descentralizada

Para contornar este problema tiveram a idéia de descentralizar as placas de entrada e saída de um CLP (figura 5.3), isto é, tirar do rack do CLP as placas que causam a maior concentração de pontos do sistema, permanecendo apenas a fonte, a CPU e também uma placa responsável por converter os dados que provém serialmente do campo e disponibilizá-los para CLPs. Aí estava nascendo o “Fieldbus”, um sistema serial para a troca de dados entre o campo e o CLP.

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Só ocorria um problema até então: existiam vários fabricantes de CLPs e milhares de fabricantes de dispositivos de entrada e saída, e todos eles tinham que se comunicar uns com os outros.

Deveria existir um padrão de comunicação entre esses equipamentos, pois, imaginem que cada fabricante de CLP estipulasse seu próprio padrão de Fieldbus, todos os fabricantes de I/Os teriam que adotar esse padrão caso quisessem que seu produto se comunicasse com um sistema que utiliza esse tipo de CLP, e isso se tornaria inviável.

Figura 5.3. Sistema descentralizado.

5.1.3 Em Busca de Uma Padronização

Dada a necessidade de adotar um padrão internacional de Fieldbus, algumas organizações internacionais decidiram pesquisar sobre esse assunto, entre elas:

- Instrument Society of América (ISA);

- Profibus (German National Standard);

- FIP (French National Standard);

Essa associação formou o IEC/ISA SP50 Fieldbus Committee.

O padrão a ser desenvolvido deveria integrar uma enorme variedade de instrumentos de controle, IHMs, Acionadores de motores, CLPs, e deveria também prover a comunicação entre vários dispositivos simultaneamente, e estabelecer um protocolo padrão para suportar todos esses dispositivos.

A desanimadora tarefa foi tentada por muitos, mas se movia muito lentamente, e além disso, muitas outras empresas no mundo tinham sua própria idéia sobre a padronização. Com uma diversidade tão grande de idéias, produtos e métodos de implementação, a meta de padronização não foi alcançada de imediato.

Em 1992, surgiram dois grupos, cada grupo com as maiores empresas portadoras de tecnologia da época, que emergiram na dianteira do mercado com a solução para o Fieldbus. O ISP (Interoperable Systems Project) e o WorldFIP (Factory Instrumentation Protocol) ambos compartilhando diferentes visões de como deveria ser implementado o Fieldbus, eles reivindicaram que seus produtos teriam conformidade com o padrão ISA SP50 quando ele fosse formalizado.

O comitê SP50 decidiu concentrar a solução sobre o Fieldbus em 4 camadas:

Camada Física: define o meio elétrico da transmissão dos dados.

bus

PLC

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Camada de Dados: define a lógica da comunicação, o formato dos frames e os métodos de detecção de erros.

Camada de Aplicação: define o formato das mensagens no qual todos os dispositivos que estiverem conectados na rede possam entender e prover recursos para o controle de dados na rede, suportando com isso a camada do usuário.

Camada de Usuário: conecta partes individuais de plantas de processo. É implementada utilizando funções de controle de alto nível.

Enquanto essas associações estavam “brigando” por definir um padrão, outras associações estavam lançando suas próprias redes de automação. Podemos tomar como exemplo o Interbus que é uma rede aberta cujo lançamento foi em 1987 e sua certificação pela norma DIN 19258 veio em 1995, porém era uma certificação alemã e não uma certificação internacional.

Em setembro de 1994, o WorldFIP e o ISP juntaram suas forças e foi criado o Fieldbus Foundation (FF), em uma tentativa de aumentar a velocidade do processo de padronização do Fieldbus.

Finalmente, em 2000 foi definido um padrão, ou melhor, 7 padrões de redes para automação industrial, a norma é a IEC 61158, que é composta pelas redes:

- ControlNet

- Profibus

- Interbus

- T-Net

- WorldFIP

- SwiftNet

- Fieldbus Foundation.

5.1.4 Níveis de Automação

A Automação não está presente apenas nos elementos finais de campo, mas também em todos os níveis de uma empresa. Podemos ver na figura 5.4 os níveis de automação presentes em uma indústria.

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Figura 5.4. Níveis de Automação Industrial.

No princípio, o Fieldbus atendia somente ao nível mais baixo da pirâmide com o intuito de substituir a comunicação paralela de dados por um simples cabo de comunicação serial, entretanto, com o aumento da tecnologia de automação ele também subiu ao nível de sistema interligando vários CLPs em rede e fazendo também troca de dados com softwares supervisórios.

Para cada nível de aplicação precisa-se ter um desempenho diferente. Por exemplo, em uma rede no nível de sensor/atuador espera-se:

Tempos de resposta extremamente baixos, pois uma rápida atuação de um elemento é vital ao processo;

Poucos dados a serem transmitidos;

Conforme os níveis forem atingindo o topo da pirâmide o volume de dados tende a aumentar, porém os tempos envolvidos deixam de ser críticos ao sistema. Mas para qualquer nível uma rede Fieldbus deve apresentar:

Alta confiabilidade na transmissão dos dados;

Alta imunidade contra interferências eletromagnéticas;

Ótimo diagnóstico de localização de falhas, pois um processo parado envolve perda na produção, e isso acarreta em perda de dinheiro;

Facilidade de expansão;

O “Fieldbus” não é apenas uma substituição do sinal de transmissão analógico de 4 a 20 mA por um digital, interligando os instrumentos de campo a sala de controle. Algumas vantagens desta nova tecnologia são:

Redução no custo de fiação, instalação, operação e manutenção de plantas industriais;

Informação imediata sobre diagnóstico de falhas nos equipamentos de campo. Os problemas podem ser detectados antes deles se tornarem sérios, reduzindo assim o tempo de inatividade da planta;

Distribuição das funções de controle nos equipamentos de campo - instrumentos de medição e elementos de controle final. Serão dispensados os equipamentos dedicados para tarefas de controle;

Aumento da robustez do sistema, visto que dados digitais são mais confiáveis que analógicos;

Melhoria na precisão do sistema de controle, visto que conversões D/A e A/D não são mais necessárias. Consequentemente a eficiência da planta será aperfeiçoada.

Redução do tempo de máquina parada.

Ampliações e modificações simplificadas.

Aumento da produtividade.

Aumento da flexibilidade.

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Alguns segmentos onde são utilizados Fieldbus:

- Segmento automotivo:

Estamparia, onde as chapas de ferro do veículo são prensadas e cortadas;

Soldagem da carroceria;

Pintura do veículo;

Etapa de montagem final;

Transporte de veículos.

-Indústria alimentícia e de bebidas:

Processos e máquinas em geral;

Transporte de alimento e bebidas;

Paletizadoras e despaletizadoras.

- Indústria química e petroquímica:

Armazenagem e controle de matérias-prima;

Controle de tanques;

Fluxo dos componentes químicos;

Controle de caldeiras;

Utilidades.

- Indústria farmacêutica:

- Indústria Eletro-eletrônica;

- Saneamento e distribuição de energia;

- Entre muitos outros segmentos.

5.1.5 Tipos de Fieldbus

Há vários tipos de Fieldbus sendo que alguns são mais simples e outros mais complexos. Alguns tipos podem ser aplicados para longas distâncias enquanto outros somente servem para distâncias curtas. Algusn representam sistemas abertos podendo trabalhar com equiapmentos de diferentes fabricantes enquanto que outros são sistemas proprietários (fechados) e consistem de equipamentos fornecidos por um único fabricante.

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5.1.5.1 Sistemas Fechados

Sysmac (Omron)

JETWay-R (Jetter)

Pneubus (Norgren)

Link Bus (Allen Bradley)

Melsec (Mitsubishi)

5.1.5.2 Sistemas Abertos

Device-Net

Interbus-S

Profibus FMS

Profibus DP

AS-Interface

5.1.6 Comunicação Serial

A transmissão serial de dados é o método mais comum para transmitir dados. Os dados são formados por seqüências de “0” e “1” que representam os estados “ligado” e “desligado” e são chamados de bit. Um bit representa a menor quantidade de informação possível. Os dados são enviados em um fluxo, um bit de cada vez, através de um canal. Os bits são reunidos para formar palavras e as palavras formam as mensagens.

5.1.7 Topologias das Redes

A Topologia da Rede se refere às formas geométricas de construção possíveis para um barramento. Dependendo do tipo de barramento, algumas destas configurações são possíveis:

Estrela

Linha

Linha com derivações

Linha em anel

Anel

Árvore

5.1.7.1 Topologia em Estrela

Múltiplas linhas partem radialmente do controlador central (figura 5.5).

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Figura 5.5. Toplogia em estrela.

5.1.7.2 Topologia em Linha

Um cabo simples passa através de todos os nós (figura 5.6).

Figura 5.6. Topologia em linha.

5.1.7.3 Topologia em Linha com Derivações

Topologia em linha onde outros cabos derivam do cabo principal. Cada derivação possui apenas um nó (figura 5.7).

Figura 5.7. Topologia em linha com derivações.

5.1.7.4 Topologia em Linha em Anel

Topologia em linha que utiliza cabo de 5 vias. Um cabo envia o sinal enquanto o outro recebe. O quarto cabo é o terra e o quinto a blindagem (figura 5.8).

bus

bus

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Figura 5.8. Topologia em linha em anel.

5.1.7.5 Topologia em Anel

Um cabo passando por todos os nós e fechando um loop completo retornando ao controlador. Cada nó repete a mensagem recebida.

Figura 5.9. Topologia em anel.

5.1.7.6 Topologia em Árvore

É uma topologia que apresenta múltiplas derivações tanto do cabo principal como das derivações.

Figura 5.10. Topologia em árvore.

5.1.8 Nós e I/O

Cada módulo de um barramento possui um único endereço e é chamado de nó. Um nó consiste de um dos seguintes elementos:

bus

bus

bus

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Um módulo de saídas remotas (simples ou múltiplas);

Um módulo de entradas remotas(simples ou múltiplas);

Um componente específico para barramento (entrada ou saída);

Um grupo de componentes específicos para barramento(entrada ou saída);

Os nós podem estar em qualquer posição ou seqüência.

5.1.9 Comunicação

A comunicação é a transferência de informações de um ponto para outro. Para se estabelecer uma comunicação é preciso ter um transmissor, um receptor e um meio pelo qual os dados irão trafegar.

Um nó envia mensagens para o controlador e recebe dele em uma seqüência de estados de “0” e “1” do barramento chamados de bits. Eles são transmitidos em centenas de milhares de bits por segundo e isto é chamado de “Taxa de Transmissão” (Baud Rate). Todos os módulos em um sistema trabalham em uma mesma taxa de transmissão e podem ser acessados e responder muitas vezes a cada segundo.

Porém não estamos nos referindo somente aos CLPs, mas também a todos os equipamentos eletroeletrônicos, pneumáticos e hidráulicos utilizados em uma automação industrial. Com essa grande variedade de equipamentos e fabricantes é preciso seguir alguma padronização para a troca de dados, e vale e a pena ressaltar que, nesse ponto do texto, não estamos abordando a padronização de um sistema Fieldbus como um todo, mas sim, níveis mais básicos que envolvem uma comunicação como, por exemplo, os níveis dos sinais elétricos em um cabo de interligação entre dois equipamentos.

Há um modelo de comunicação desenvolvido pela ISO (International Standards Organization) chamado OSI (Open Systems Interconnection), com a ajuda do qual podemos ter uma boa idéia de como um Fieldbus é estruturado.

5.1.10 Modelo de Referência - ISO/OSI

Esse modelo foi idealizado para estruturar redes e aplicativos em computadores, mas analogamente a uma rede Fieldbus, ele também efetua troca de dados e podemos aproveitar alguns de seus preceitos para uma melhor compreensão e divisão dos componentes que envolvem a troca de dados em um sistema Fieldbus. De acordo com esse modelo, os processamentos de uma comunicação devem ser estruturados em até sete camadas ou níveis, como podemos ver na figura 5.11.

As camadas do modelo OSI seguem as seguintes regras:

O caminho da comunicação do “usuário” até o meio de transmissão passa através de sete camadas estabelecidas;

Cada camada tem uma função específica dentro do modelo;

As camadas possuem bibliotecas de serviços que podem ser utilizadas pelas camadas superiores, sendo que estas para efetuar uma comunicação, enviam um pacote com dados contendo a requisição do serviço que este deseja da camada inferior;

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Figura 5.11. As sete camadas do modelo de comunicação OSI.

Essas regras permitem que uma tarefa complicada como é a “comunicação” possa ser dividida em pequenas e gerenciáveis tarefas, e com isso é possível a troca de conteúdo de uma camada somente em caso de necessidade, sem alterar as demais.

Não é necessário para um sistema de comunicação implementar as sete camadas do modelo, ou seja, pode-se deixar camadas “vazias”.

5.1.11 O Caminho dos Dados Entre Dois Equipamentos

A figura 5.12 ilustra como dois sistemas abertos trocam dados de acordo com o modelo OSI.

O equipamento A insere os dados na camada de aplicação do sistema A. Esses dados são passados de uma camada para outra.

Na última delas, que é o nível físico, os dados são efetivamente transferidos para o nível físico do sistema B. A partir desta, os dados são transferidos camada por camada até estes estarem disponíveis para o equipamento B.

Com a implementação das camadas é possível assegurar a validade dos dados, o correto envio dos dados para o endereço de destino – “equipamento B” – (supondo que existam mais de dois participantes na rede), o controle dos processos de comunicação, e também a implementação de serviços fáceis para o usuário, por exemplo: o acesso aos dados de entradas analógicas do equipamento B a partir do equipamento A.

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Figura 5.12. Troca de dados entre dois sistemas utilizando o modelo OSI.

5.1.12 Camadas no Modelo OSI

5.1.12.1 Física

Na camada física, uma seqüência de bits representa os dados que estão sendo transmitidos pelo canal de comunicação.

Deve ser assegurado nesta camada que o nível lógico do bit, os 0s e 1s, sejam reconhecidos pelo receptor exatamente como o transmissor os enviou. É possível codificar esses níveis lógicos de diversas formas: níveis de tensões, presença ou não de luz, entre outros.

Principal tarefa

A correta transmissão de uma seqüência de bits.

Principais pontos

Qual meio de transmissão?

O que é nível lógico 0 ou 1?

Qual a velocidade da transmissão?

É possível a comunicação nos dois sentidos ao mesmo tempo?

Como a conexão é feita e como é a terminação?

Quantos terminais de conexão existem nos conectores, e eles são usados para quê?

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A transmissão pode se proceder através de diferentes meios de transmissão, por exemplo: cabo de cobre trançado, cabo coaxial, fibras ópticas, infravermelho.

5.1.12.2 Enlace

A camada de enlace passa para a camada física, além dos dados, também uma informação para a segurança dos mesmos.

São incluídos nos dados códigos de proteção e redundância dos mesmos formando, com isso, um pacote de dados. Esses códigos podem ser métodos simples de reconhecimento de erros (checksum) ou códigos de correção de erros (exemplo: Hamming codes).

Principal tarefa

Proteção dos dados.

Principais pontos

Criação de pacotes de dados;

Marcação dos pacotes de dados;

Códigos de detecção de erros;

Códigos de correção de erros;

Repetição do pacote de dados em caso de erros;

Reconhecimento de uma transmissão correta;

Controle do fluxo de dados.

Haverá problemas se todo o pacote de dados for destruído, uma vez que a mensagem de erro que será gerada também poderá ser danificada no retorno.

A camada enlace deverá assegurar também que o receptor pode aceitar o pacote de dados por completo e passá-los adiante em tempo determinado. Controle dos fluxos de dados e até buffers de dados podem ser implementados para isso.

5.1.12.3 Rede

Nesta camada é controlado o acesso a um determinado equipamento através, por exemplo, de um endereço.

Há basicamente dois tipos de comunicação que uma variedade de redes pode implementar: ponto-a-ponto e comunicação broadcast.

Para comunicação ponto-a-ponto, a tarefa da camada é selecionar e estabelecer rotas entre o equipamento transmissor e o equipamento receptor.

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Comunicações do tipo broadcast são mensagens que são enviadas a mais de um participante na rede e esse tipo de mensagem tem que ser tratado de uma forma especial para não haver mais de um equipamento acessando um único canal de comunicação simultaneamente.

O protocolo mais conhecido para essa camada é o IP (Internet Protocol).

Principal tarefa

Selecionar rotas entre os elementos participantes da comunicação.

Principais pontos

Dependência total da topologia da rede (veremos adiante);

Canais de comunicação ponto-a-ponto;

Canais de comunicação broadcast;

Endereçamento;

Coordenação dos pacotes de dados a serem transmitidos;

Oferta de serviços para utilização destes canais.

5.1.12.4 Transporte

A camada de transporte aceita dados da camada de seção e passa para a camada de rede um pacote de dados cujo tamanho possa ser transmitido. Um pacote de dados da camada de seção é quebrado em diversos e pequenos pacotes para serem trnsmitidos sem sobrecarregar a rede e chegando ao destino sejam remontados formando o bloco original dos dados.

Essa não é uma tarefa fácil, pois uma vez que os pacotes são quebrados, eles podem trafegar pela rede por diversos caminhos e, com isso, chegarão ao destino em tempos diferentes, isso quer dizer “fora de ordem”, e como trafegam por caminhos diferentes, pode ser que alguns deles tenham que ser retransmitidos devido a erros e outros não, atrasando ainda mais a montagem do pacote final.

O protocolo mais conhecido para essa camada é o TCP (Transmission Control Protocol).

Principal tarefa

Preparação dos dados para a camada de rede.

Principais pontos

Quebra os dados em pequenos pacotes de transmissão para reagrupá-los no lado destino;

Transmite os pacotinhos por diversos caminhos;

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5.1.12.5 Seção

É nessa seção que se faz um controle global da comunicação. Comunicações com propósitos específicos são iniciadas e terminadas, e esta também provê uma série de serviços para as camadas posteriores.

Principal tarefa

Disponibiliza serviços para as camadas de apresentação e aplicação.

Principais pontos

Obtenção de acesso a outros sistemas e equipamentos;

Sincronização e restabelecimento da comunicação a partir do ponto onde parou.

5.1.12.6 Apresentação

Uma vez que vários equipamentos e sistemas estejam disponíveis para a troca de dados, é útil que uma camada possa fazer determinados tipo de conversões, tais como conversão de fontes, diferentes representações de números (decimal, hexadecimal, binário), etc., e também é nessa camada que é realizada a criptografia dos dados para autenticidade e sigilo dos mesmos .

Principal tarefa

Conversão na estrutura de dados.

Principais pontos

Conversão de fontes e sistemas de numeração;

Compressão dos dados a fim de diminuir o volume deles a serem trnsmitidos;

Criptografia dos dados.

5.1.12.7 Aplicação

Ao contrário das outras camadas, esta disponibiliza serviços para o usuário. Como os dados são transmitidos ou recebidos, eles são transparentes para o usuário.

Principal tarefa

Disponibilizar serviços aos usuários finais.

Principais pontos

Transmissão de arquivos e gerenciamento de diretórios;

Leitura e escrita de dados entre equipamentos de automação;

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Controle da velocidade de um motor na rede;

Monitoração remota de dados.

Como foi dito anteriormente, nem toda a rede de comunicação necessita dos sete níveis do modelo OSI para ser implementada. A maioria das redes Fieldbus precisa somente de três níveis: nível 1- Físico, nível 2- Enlace e o nível 7 – aplicação. Podemos citar como exemplo as redes Interbus e Profibus.

5.1.13 Meios de Transmissão

A transmissão dos dados em uma rede Fieldbus pode trafegar por vários canais de comunicação. Podemos citar alguns, como:

Fibra óptica – esta é utilizada em meio industrial não pela sua capacidade de alcançar grandes distâncias sem a perda do sinal, mas sim, para isolar eletricamente os equipamentos e também para proteger a integridade dos dados contra interferências eletromagnéticas.

Slip- Ring – também chamado coletor rotativo, este equipamento é empregado quando que temos que transmitir os dados em nós que ficam em partes rotativas de uma máquina, por exemplo.

Guia de ondas – possui a mesma filosofia do slip-ring, porém para máquinas com deslocamentos lineares;

Infravermelho – é utilizado onde não há possibilidade de passar nenhum tipo de cabo ou em ambientes onde a temperatura é muito alta.

Cabo de cobre – é o meio de transmissão mais utilizado dentre todos os citados.

Todos esses meios de transmissão mencionados acima são meios de transmissão serial e não paralela, porque a transmissão serial elimina a quantidade de cabos condutores, que é justamente a filosofia do Fieldbus.

5.1.14 Sistema Mestre-Simples Multi-Escravo

Em um sistema de um mestre e muitos escravos, o controlador é que inicia a interação com cada nó. Cada nó é acessado em seqüência e o controlador espera pela resposta antes de acessar o nó seguinte. Cada mudanças de estado da informação será transferida dentro de um ciclo.

Figura 5.13. Sistema de um mestre e muitos escravos.

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5.1.15 Multi-mestre Multi-escravo

Um sistema multi-mestre multi-escravo permite que nós e mestres enviem mensagens sempre que necessitarem. Softwares anti-colisão evitam que dois ou mais nós tentem enviar mensagens ao mesmo tempo.

Figura 5.14. Sistema de muitos mestres e muitos escravos.

5.1.16 Gateways (portas)

Um gateway é um dispositivo que converte um tipo de protocolo em outro para permitir a comunicação entre redes de tipos diferentes.

Figura 5.15. Gateways

5.1.17 Protocolo

Um protocolo de um determinado tipo de barramento é um conjunto de regras que determinam a estrutura e o tamanho das mensagens e a ordem na qual elas serão montadas.

5.1.18 Mensagem

Cada tipo de barramento Fieldbus possui um protocolo diferente. Abaixo, vê-se um exemplo de uma mensagem que poderia ser montada com as seguintes partes: código de início de mensagem / código do endereço de origem / código do endereço de destino / código da instrução / código do dado da instrução / somatório (checksum) / código de fim da mensagem.

PROFI BUS DP

AS-I

Gateway/ Controller

Gateway/ Controller

AS-I

PLC

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Figura 5.16. Exemplo de mensagem de Fieldbus.

5.1.19 Velocidade

A combinação de taxa de transmissão, comprimento da mensagem, número de nós no sistema e programa de comunicação determinarão a velocidade de um barramento de Fieldbus.

Sistemas complexos necessitam de estruturas de mensagens longas para transmitir informações complexas. Mensagens simples neste sistema serão transmitidas com muito mais bits do que seriam em um sistema mais simples. Então fica evidente que sistemas mais simples com baixas taxas de transmissão podem ser consideravelmente mais rápidos que um sistema complexo com altas taxas de transmissão.

5.4 REDE AS-I (INTERFACE ATUADOR-SENSOR) - A SOLUÇÃO PARA

PEQUENAS AUTOMAÇÕES

“Rede AS-i”: a rede ideal para pequenas aplicações em automação industrial, onde não existe a necessidade de utilização de painéis elétricos, isto é, onde todos os módulos de I/O ou são IP54 ou IP67, assegurando uma isolação do módulo ao meio externo. Sua fácil conexão, alimentação e dados no mesmo cabo, aliados a um rápido tempo de atualização garantem o sucesso desta rede em suas aplicações.

A rede “Actuator/ Sensor interface” também conhecida como rede AS-i, é um sistema fieldbus para o nível mais baixo de uma automação industrial. Um cabo de bus que tradicionalmente é blindado, na rede AS-i é substituído por um simples cabo elétrico, como veremos mais a frente. Esse cabo é chamado de AS-i.

Utilizando um cabo AS-i e um mestre AS-i, as entradas e saídas digitais podem ser controladas por módulos especiais chamados de módulos AS-i.

Para a rede AS-i existe hoje uma variedade enorme de fornecedores de produtos e equipamentos e a tendência é aumentar ainda mais.

A rede AS-i está na base da pirâmide de automação industrial. A rede AS-i é caracterizada pelos seguintes fatores:

“AS-interface” é otimizada para a conexão de sensores e atuadores digitais. O cabo AS-i é usado para troca de dados entre os módulos de I/O e o mestre da rede, e também provê alimentação para os sensores e atuadores;

Conexão simples e econômica: com a técnica de conexão por “vampiro”, a rede AS-i se torna a rede mais simples de utilizar do mercado. Com o cabo AS-i podemos fazer as mais diversas topologias de rede;

0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0

start source dest instr data end

0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0

checksum

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Tempos de resposta muito curtos: o mestre da rede necessita somente de 5 ms para efetuar a troca de dados entre todas as estações;

As estações As-i podem ser sensores ou atuadores diretos, ou ainda módulos de até 4 entradas e 4 saídas digitais com conectores padrão M8 ou M12;

Na rede AS-i podem ser controlados até 124 sensores e atuadores.

5.2.1 Componentes de Uma Rede AS-i

5.2.1.1 Mestre AS-i

O mestre AS-i é o elemento principal da rede, pois é ele que controla e determina o tráfego de dados entre o controlador e os I/Os.

Como mestre, podemos ter:

Placas para CLPs como das famílias da Siemens S5 (CP2430, CP2433) e S7 (CP342-2);

Placas para PC como são os casos da Phoenix Contact e da Siemens;

Gateways para o interfaceamento de redes fieldbus de nível superior para a rede AS-i. Por exemplo: Interbus para AS-i ou Profibus –DP para AS-i.

5.2.1.2 Módulos AS-i

O conceito de módulo é definido quando algum elemento é conectado à rede e esse elemento controla I/Os, mas os módulos AS-i podem ser divididos em duas categorias:

Módulos ATIVOS: são módulos que possuem os chips AS-i integrado; e através de módulos ativos sensores e atuadores convencionais podem ser utilizados;

Módulos PASSIVOS: são módulos que apenas distribuem os sinais do cabo AS-i, fazendo com isso que os sensores e atuadores a ele ligados devam possuir o chip AS-i integrado.

5.2.1.3 Cabo AS-i

Par paralelo de 2 vias de seção 1,5 mm², em isolamento do tipo chato para conexão sem parafusos ou redondo com conexão por conectores. Existe um cabo amarelo para transferência de dados e potência e um cabo preto utilizado somente para potência. O cabo amarelo pode ser utilizado para transferir potência somente para sensores pois os atuadores costumam apresentar potência além dos limites do cabo.

Quando se utiliza o cabo chato, não é necessário cortar o cabo para fazer a conexão. Basta colocar na posição no módulo e fechar. O módulo possui mordentes (piercing) que perfuram o isolamento do cabo e fazem a conexão. Ao ser retirado o módulo, os orifícios se fecham e selam o local contra a entrada de umidade.

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Figura 5.17. Cabos para redes AS-i.

5.2.1.4 Fonte AS-i

A fonte para rede AS-i fica conectada diretamente no cabo AS-i e ela fornece para todos os participantes da rede a alimentação necessária ao funcionamento do sistema. Caso uma fonte não seja suficiente para alimentar todo os sistema, é possível a colocação de mais fontes no mesmo cabo. Em particular para os atuadores, pode se fazer necessário outro cabo para a alimentação dos módulos, visto que eles consomem muito mais corrente.

Figura 5.18. Fontes AS-i.

5.2.1.5 Dispositivo de Programação AS-i

Cada módulo de I/O deve ser programado para um endereço, e este endereço o identifica como participante da rede e , dependendo da versão da rede AS-i (falaremos mais adiante), existe um número máximo de participantes. Este dispositivo de programação é responsável pelo endereçamento de cada módulo da rede.

Fonte AS-I para o cabo de sinal

(amarelo)

Fonte 24 Vcc para o cabo de potência (preto)

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Na figura 5.19 vemos como todos esses componentes são conectados.

Figura 5.19. Sistema AS-i.

5.2.2 Algumas características importantes do sistema

Mestre-Escravo

A rede AS-i é uma rede de um único mestre, o que quer dizer que existe somente um único elemento da rede capaz de gerenciar a troca de dados entre os módulos.

Endereçamento eletrônico de cada módulo AS-i

Como foi citado acima, cada módulo da rede AS-i deve ser programado para um endereço e é com base nesse endereço que o mestre localiza cada escravo da rede. O endereço fica permanentemente no módulo até que seja reprogramado. Todos os módulos AS-i ainda não programados vêm de fábrica com o endereço 0 (zero).

Confiabilidade e flexibilidade

O método de transmissão utilizado (modulação por corrente) garante uma alta confiabilidade da rede. O mestre monitora a tensão do cabo, bem como a transferência dos dados. E este detecta erros e falhas dos módulos escravos e envia mensagens de diagnóstico para o CLP. E com isso, o CLP pode tomar alguma providência com a relação a esses fatos.

Cada telegrama é conferido pelo receptor por possíveis falhas na transmissão. Isso é feito conferindo o bit de paridade e outras variáveis do sistema.

Através desses checks é possível a detecção de não apenas uma, mas de várias falhas simultâneas no barramento.

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E, caso haja alguma falha de transmissão, é pedido para o transmissor repetir o pacote dos dados e essa operação dura somente 150 microssegundos.

A rede AS-i pode ser utilizada até mesmo em ambientes com alto índice de interferência eletromagnética como, por exemplo, perto de máquinas de solda ou inversores de freqüências.

A adição e retirada de módulos da rede funcionando não impede que os outros módulos continuem em operação.

Um cabo para dados e alimentação

Um único cabo de borracha com 2 fios de 1,5 mm² é o cabo AS-i. Blindagem ou par trançado não são necessárias. Dados e alimentação são transmitidos pelo mesmo cabo. A potência transmitida depende da fonte de alimentação empregada. Para evitar erros de montagem, o cabo AS-i possui um formato especial onde não é possível encaixá-lo no módulo na posição errada, evitando com isso inversão de polaridade.

Esse cabo é constituído de borracha, a técnica de conexão é simples e eficiente.

O conector do módulo possui duas lâminas e, quando elas são prensadas no cabo, este fura a borracha perfazendo o contato elétrico, mas o interessante é que em uma possível retirada do módulo a borracha se fecha, fazendo com isso que o ponto onde ele estava possa ser utilizado novamente, e evitando também a infiltração de umidade ou água no local (figura 5.18):

A corrente máxima nesse cabo é de 8 A.

Cabo com proteção IP67.

Comprimentos máximos de 100m e 500m utilizando repetidor.

Várias topologias de redes

Para se fazer conexões em árvore ou em outras estruturas existem módulos especiais para esse fim. Esses módulos não possuem “inteligência” nenhuma, são apenas conectores elétricos. Uma rede AS-i pode utilizar topologia em linha, árvore, estrela, etc.

5.2.3 Alguns números

“Cycle time” máximo de 5 ms (versão AS-i 2.0)

A rede AS-i utiliza-se de mensagens com tamanho fixo. Métodos complicados de gerenciamento de pacotes de dados não são necessários. O mestre realiza um polling (seqüência) entre todos os participantes da rede e nos módulos de entrada digital estes lêem os dados de entrada; nos módulos de saída digital, estes escrevem os valores a serem enviados ao campo.

Número máximo de módulos escravos

Detalharemos mais à frente a diferença entre as versões da rede AS-i. Mas podemos dizer que na primeira versão o número máximo de módulos é de 31, e na versão mais nova é de 62 módulos.

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Número máximo de pontos I/O

Na primeira versão da rede AS-i cada módulo é capaz de enviar 4 sinais digitais e receber também 4 sinais digitais, isso quer dizer que como temos no máximo 31 módulos temos na rede AS-i versão antiga o número máximo de 248 pontos (124 entradas e 124 saídas) no mesmo cabo AS-i.

5.2.4 Versões da Rede AS-i

A rede AS-i foi criando várias versões ao longo do tempo, e hoje estamos na versão 2.1, mas até um passado muito próximo a versão era 2.0. Vejamos na tabela 5.1 as diferenças.

TABELA 5.1

Características AS-i 2.0 AS-i 2.1

Número máximo de módulos I/O 31 62

Variáveis de processo analógicas integradas ao mestre da rede Não Sim

LED de indicação de diagnóstico local no módulo Não Sim

Número máximo de I/O 124 I +124 O 248 I + 186 O

Tempo de ciclo na capacidade máxima de módulos de I/O 5 ms 10 ms

Compatibilidades:

Todos os módulos I/O antigos podem se comunicar com a nova versão de mestre da rede, sem nenhuma limitação.

Podemos em aplicações antigas utilizar módulos na versão AS-i 2.1.

Observação:

Na versão 2.0 da rede AS-i também era possível a obtenção de valores analógicos, porém este recurso era muito trabalhoso e o resultado não era dos melhores. Era preciso ter um Bloco de Função dentro do CLP para a multiplexação dos valores analógicos nos módulos ou até mesmo cada módulo analógico utilizava-se de 2 ou 3 chips AS-i para, com isso, ter um canal maior de dados.

Já na versão 2.1, o tratamento do sinal analógico passa a ser feito diretamente pelo mestre AS-i.

A rede AS-i é, hoje em dia, a mais utilizada onde precisamos ligar poucos pontos em módulos IP67, pois alis a facilidade na montagem e custo dos equipamentos. Podemos dizer ainda que ela, junto com a rede Interbus- Loop, são as redes mais baratas do mercado.

5.5 REDE MODBUS

O Modbus, além de ter a maior gama de produtos que conversam neste protocolo, é o mais utilizado em aplicações que envolvem uma eficiente troca de dados entre dispositivos, e também onde se faz necessário uma simples implementação do seu protocolo, pois não abrange um desenvolvimento de hardware, como as outras redes Fieldbuses que vimos até aqui.

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Veja algumas características desta rede bastante utilizada não somente em automação Industrial, mas também em vários outros segmentos do mercado.

O protocolo Modbusy foi desenvolvido pela empresa Modicon em 1978 como um simples meio de troca de dados entre controladores e sensores, utilizando uma porta de comunicação serial em RS-232. Uma vez que o padrão foi estabelecido pela indústria, o Modbus foi desenvolvido em outros produtos para automação industrial, e hoje em dia, é o protocolo mais implementado em produtos para Automação Industrial.

Modbus é marca registrada da empresa Schneider Electric. Entretanto, ela abriu a especificação do protocolo e suas formas de implementação para qualquer um que queira utilizar este eficiente protocolo de comunicação, portanto é um protocolo extremamente aberto.

O Modbus é empregado para a comunicação mestre-escravo entre equipamentos inteligentes e sensores e instrumentos, e também para monitorar equipamentos de campo utilizando PCs e IHMs.

Ele é ideal em aplicações onde se faz necessária a comunicação via rádio-modem onde facilmente pode ser implementado o protocolo Modbusy, sendo esta aplicação muito usada em empresas de saneamento e subestações de óleo e gás. Mas o protocolo Modbusy não é apenas um protocolo para ser utilizado na indústria, ele pode ser usado também em: automação predial, transporte, energia, entre outros.

O Modbus é um protocolo que se encontra na camada de aplicação, posicionada na camada 7 do modelo OSI, que provê a troca de dados no modelo Cliente/Servidor entre equipamentos conectados em diferentes tipos de redes e Fieldbuses.

5.3.1 Descrição do Protocolo

O protocolo Modbus é definido como um simples protocolo de unidade de dados (Simple Protocol Data Unit – PDU) independentemente do meio físico ou de outras camadas de comunicação. O desenvolvimento do protocolo Modbus em redes específicas ou em Fieldbuses, pode ser implementado adicionando-se alguns campos na Unidade de Dados da Aplicação (Application Data Unit – ADU).

Figura 5.20. Unidade de dados da aplicação.

5.3.2 Frame do Protocolo Modbus

O protocolo Modbus toma sempre por base que o Client (Mestre) é que inicializa uma transmissão de dados. A função indica para o Server (escravo) que tipo de ação ele deve tomar.

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A função é codificada para um byte. Os códigos válidos para a função são 1 ... 255 em decimal (128 – 255 reservado para aplicações especiais). Quando a mensagem é enviada do Client para o Server, o código da função diz para o Server qual a ação que ele deve tomar. Códigos de subfunções são adicionados a somente alguns códigos de função para definir múltiplas ações.

O campo de dados da mensagem enviada do Client para o Server contém informações adicionais que este último utiliza para realizar as ações determinadas pelo código da função. Esse campo pode conter itens como endereços discretos ou registros, quantidade de dados a serem manipulados, a contagem dos bytes no campo. O campo de dados pode também não conter alguma informação em determinados tipos de requisição, isto é, o Server não precisa destes dados para processar algum tipo de solicitação do Client, e o próprio número da função já especifica a ação a ser tomada pelo Server.

Se não surgir nenhum tipo de erro na transmissão da requisição do Client para o Server, este deverá ter em seu campo de dados os dados solicitados pelo Client. Caso ocorra algum erro na requisição da função, o campo de dados conterá o código de erro correspondente que retornará ao Client para este determinar a próxima ação a ser tomada.

Por exemplo: O Client quer ler o status de alguns módulos de entradas ou saídas digitais.

Quando o Server responde para o Client, é utilizado no campo código de dados um código de erro que indica o tipo de erro ocorrido, este procedimento é chamado de “exception response” .

Também em caso de erro, o Server retorna para o Client no campo do código da função ou código que foi solicitado com o seu bit mais significativo setado para o nível lógico 1.

No caso de uma resposta normal, o Server simplesmente copia o código da função que foi solicitada pelo Client.

5.3.2.1 Código de funções públicas

São funções bem definidas,

Garantidas para serem únicas,

Validadas pela comunidade modbus.org,

Documentação pública,

Possuem testes de certificação,

São documentadas em MB IETF RFC,

Incluem funções já definidas e áreas reservadas para expansões futuras.

5.3.2.2 Código de funções definidos pelo usuário

Existem duas faixas de códigos de funções definidas pelo usuário: 65 até 72 e de 100 até 110, em decimal.

O usuário pode escolher qualquer posição destas áreas e implementar nela a função desejada sem nenhum tipo de autorização do modbus.org.

Não existem garantias de que as funções são únicas.

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Se o usuário quiser que a sua função se torne pública, ele deve iniciar junto ao modbus.org uma RFC para assim ter a possibilidade da incorporação da sua função na área pública.

5.3.2.3 Códigos de função reservados

Alguns códigos de função são utilizados por algumas empresas fazendo parte da sua linha de produtos e, com isso, não estão disponíveis para uso público.

O protocolo Modbus utiliza dois tipos de verificação de erros, o mais básico deles é o de cada frame serial onde o bit de paridade indica a inversão dos estados dos bits e o CRC (Cyclic Redundancy Check), que é um check que é implementado na mensagem inteira ocupando dois bytes no final de cada telegrama. O CRC nada mais é do que um algoritmo lógico em que seu resultado tem por base todos os bytes do telegrama.

5.3.3 O Modbus TCP/IP

O Modbus/Tcp é um protocolo de comunicação que permite que equipamentos industriais, tais como CLPs, Computadores, IHMs, inversores de freqüência e Sensores comuniquem-se através da rede Ethernet.

Ele foi desenvolvido pela empresa Schneider Automation no começo da década de 90 como uma variante do mundialmente conhecido protocolo Modbus, que foi implementado em quase todos os produtos inteligentes de automação industrial.

A especificação do protocolo Modbus/TCP está publicada no site da empresa Schneider com o intuito de que os fornecedores de equipamentos de automação industrial utilizem estes protocolos em seus produtos, e com isso diminuam os problemas de interoperabilidade entre equipamentos de automação na rede Ethernet.

Podemos resumir as principais vantagens do protocolo modbus/TCP:

É escalonável em complexidade, isto é , um dispositivo de simples propósito só se faz necessário à implementação de dois tipos de mensagens.

É simples de configurar eliminando necessidades de ferramentas complexas de configuração para adicionar uma nova estação na rede.

O protocolo não é fechado em hardware, isto é, qualquer computador ou sistema microprocessado em Ethernet TCP/IP podem utilizar a rede Modbus.

É um protocolo de alta performance, limitado apenas pela capacidade do computador em manipular as informações da rede Ethernet. Taxas de transmissão da ordem de 1000 por segundo são facilmente tratados por uma estação, com isso redes podem ser facilmente projetadas para garantir tempos de atualização na faixa de milissegundos.

Pode ser utilizado por um amplo número de equipamentos com base já instalada com o protocolo serial Modbus, bastando para isso um conversor Ethernet para padrão Serial, sendo que este equipamento não precisa de nenhuma configuração.

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5.3.3.1 Como implementar em um equipamento o protocolo Modbusy TCP/IP?

Para implementação do protocolo Modbus TCP/IP, você deverá fazer o download de toda a documentação disponível na Internet. Elas são Modbusy TCP/IP “Especificação do Protocolo (Protocol Specification)” e o Modbusy TCP/IP “Guia de Implementação” (Implementation Guide). Você também terá que entender o básico de implementação de drivers usando TCP/IP. Para testar seu driver você precisará de no mínimo dois equipamentos, um mestre e um escravo para a troca de dados. Isto pode consistir de 2 PCs conversando um com outro, utilizando placas de rede Ethernet; ou um PC conversando com um equipamento Modbus já implementado em um computador embutido no equipamento “embedded”. Uma vez que o dispositivo foi desenvolvido, para você poder garantir sua interoperabilidade de funcionamento com outros equipamentos Modbus, será necessário sua certificação em um laboratório credenciado pela associação Modbusy.

5.3.4 RS-485 – O Meio Físico Mais Comum na Indústria em Modbus

Em um cabo de cobre pode haver vários tipos de codificação para a transmissão de sinais. Assim, foram criados alguns padrões para garantir a conectividade entre equipamentos elétricos que são utilizados em todas as áreas de Eletrônica e também em Automação Industrial.

Esses padrões foram normalizados pela EIA (Electronics Industry Association) e consistem em padronizações elétricas mecânicas e funcionais. Citaremos aqui o padrão mais empregado em redes Fieldbus, que é o RS-485. Normalmente é chamado de RS-485, mas seu nome oficial é EIA-485.

O padrão de transmissão de dados no que chamamos forma diferencial, é ideal para a transmissão de dados em altas taxas de transmissão, em longas distâncias e até mesmo em condições de interferência eletromagnética (dentro dos limites estipulados pela norma).

Podemos visualizar uma transmissão diferencial na figura 5.21.

A transmissão diferencial anula os efeitos de variação de terra e ruídos em uma linha de transmissão, pois estes aparecem em modo comum na linha de transmissão, explicando melhor: um amplificador operacional em modo diferencial verifica a diferença das tensões nos seus terminais de entrada. Como o cabo é trançado, ao haver algum tipo de indução eletromagnética nele, esta induz igualmente nos dois condutores, elevando a tensão por igual na entrada do amplificador diferencial; porém como ele verifica a diferença das tensões nas suas entradas, não haverá alteração na tensão resultante. Exemplo: condição normal entrada A = +5V e entrada B = -5V tensão resultante é A-B = +5 -(-5) = 10V, vamos supor que um ruído induziu +2V nos condutores, então entrada A = 7V e entrada B = -3V tensão resultante é A-B = +7 –(-3) = 10V, com isso podemos provar que uma transmissão serial é ideal para uma rede Fieldbus.

As principais características do protocolo RS-485 são:

Transmissão diferencial.

Funcionamento com uma simples fonte de +5Vdc.

Permite até 32 estações na rede.

Velocidade de transmissão de até 10Mbps (com distância de até 12m).

Distância de até 1200m (com velocidade até 100Kbps).

As portas de comunicação não são queimadas se a linha entrar em curto-circuito.

Não necessita de um sinal de referência entre os nós.

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Figura 5.21. Topologia em linha utilizando padrão RS-485 (diferencial).

Resistores de terminação devem estar em paralelo com a linha de transmissão de dados nas extremidades da rede, o valor desses resistores é de 100, todavia podem ser empregadas outras técnicas de terminação segundo a norma NA-903/EIA.

O intuito desses resistores envolve teorias mais detalhadas, mas podemos dizer que, com a inclusão dos resistores, melhora-se a qualidade do sinal.

Distância máxima de transmissão é de 400m.

O shield (malha elétrica do cabo) deve ser conectado às duas pontas com uma boa condutividade utilizando uma boa área de contato.

É recomendável que o cabo de dados da rede Modbus esteja separado de cabos de baixa tensão.

Além do meio físico RS-485, as Fibras Ópticas também são muito utilizadas em Modbus e os modelos delas são:

Fibra óptica polimérica: entre as fibras ópticas é a mais utilizada, por ser a mais fácil de se trabalhar, a mais flexível em ambiente industrial e a mais barata, sua distância máxima depende do módulo em questão, existem módulos para 50 metros e módulos para 70 metros;

Fibra óptica HCS: é uma fibra polimérica com o núcleo de vidro, sendo a segunda mais utilizada com Interbus, pois permite uma distância maior (até 370 metros) e sua conectorização é fácil de fazer, dispensando empresas para a sua confecção. Seu custo é um pouco maior que o da fibra polimérica e menor que o da fibra de vidro. Com essa fibra é necessário um maior cuidado para se trabalhar, pois seu núcleo é de vidro, facilmente quebrável;

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Fibra de vidro multimodo: quando temos grandes distâncias envolvidas, elas são empregadas. Seu custo é o mais caro das três, porém, é a que alcança a maior distância, aproximadamente 3300 metros entre módulos. Requer o máximo de cuidado no manuseio e sua conectorização depende de empresas especializadas para fazê-la.

Lembramos que o uso de fibra óptica em meio industrial é empregado na maioria das aplicações onde temos um alto índice de interferências eletromagnéticas ou quando precisamos isolar dois módulos eletricamente, e não somente pela distância envolvida ou por uma suposta melhoria de performance (a taxa de transmissão é fixa, independentemente do cabo utilizado).

5.6 REDE DEVICENET

A Tecnologia da Informação (TI) está ditando o crescimento da Automação Industrial. Está mudando paradigmas, estruturas e layouts de comunicação como um todo em uma empresa. Do chão de fábrica até os computadores dos escritórios e gerências.

A rede DeviceNet é uma rede fieldbus que se destina a um dos quatro níveis de comunicação existentes em uma fábrica. Estes níveis são:

Actuator/Sensor Level

Os sinais de sensores e atuadores são transmitidos nesse nível. A implementação deste nível é relativamente barata e seus elementos têm que ser de fácil instalação, e é altamente recomendável que nessa rede os dados trafeguem junto com a alimentação dos dispositivos no mesmo cabo. Exemplos desse tipo de rede são: Interbus Loop e rede AS-i (AS- Interface).

Device Layer

Também conhecido como Field Level, nesse nível de rede encontram-se módulos de I/O, inversores de freqüência, CLP, IHM, ilha de válvulas, entre outros, todos eles comunicando-se com alta eficiência, com tempos de varredura extremamente curtos e comunicação em tempo real. O Device Net é compatível com essa camada de rede e satisfaz todas essas características. Como seus concorrentes (também nesse nível), temos a rede Interbus e a rede Profibus.

Control Layer

Também conhecido como Control Level, é nesse nível que todos os elementos controladores de sistemas estão, podendo ser citados o CLP e Computadores de Processo comunicando-se um com outro. Nesse nível são trocados grandes pacotes de dados, e também requerem muitas funções de comunicação. Integração com redes Ethernet e sistemas de acesso a outros sistemas também são requisitos desse nível de comunicação. A rede ControlNet se encaixa neste nível.

Information Layer

É nesse nível que as informações são supervisionadas ou até mesmo controladas por sistemas remotos que, normalmente, estão distantes da planta ou processo, onde se encontram os elementos controladores e os controlados.

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5.4.1 Histórico

A rede DeviceNet é uma derivação da rede CAN e voltada para a área de automação industrial.

Tendo como empresa patrocinadora a Allen-Bradley (hoje Rockwell Automation), ela começou seu desenvolvimento em março de 1994 e se tornou uma rede aberta, sendo divulgada e assistida pelo ODVA (Open DeviceNet Vendor Association).

A rede é normalizada pelas normas ISSO 11898 & 11519 e atualmente pela norma IEC – 61158.

Podemos dizer que esta rede é a principal no mercado norte-americano, e que aqui no Brasil ela tem uma expressividade muito grande dividindo a liderança com as redes Interbus e Profibus.

Existem diversos benefícios em se utilizar a rede DeviceNet, podemos citar alguns:

Redução da fiação elétrica e com isso reduzindo também seus custos de instalação;

Redução do tempo de start-up;

Redução do tempo de máquina parada;

Rápido diagnóstico e localização de falhas;

Inserção, retirada e substituição dos módulos sem com isso parar a rede;

Comunicação com os maiores fornecedores de equipamentos de automação do mercado;

Configuração da rede on-line;

Alta confiabilidade;

Dados e alimentação de 24 Vdc no mesmo cabo.

A rede DeviceNet é uma rede em barramento baseada no protocolo elétrico RS-485, mas sua configuração pode ser expandida em árvore também, utilizando conectores especiais para esse fim. A linha principal do barramento é chamada de TRUNCK e as linhas derivadas de DROP.

5.4.2 Especificações da Rede

Rede Multi-Mestre, baseada no protocolo elétrico EIA RS-485.

Número máximo de nós: 64.

Distância máxima entre módulos: 100m e 500m.

Tamanho do Drop ou Stub de no máximo 6 metros.

Taxas de transmissão: 125, 250 e 500 Kbps (selecionável).

Distância máxima com a máxima taxa de transmissão é de 100m a 500 Kbps.

Tempo de scan medido (16 nós com 16 I/Os): 2 ms.

Resistor de terminação de 75 ohms nas extremidades da rede.

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Como meio de transmissão utiliza-se normalmente o par trançado, mas também é possível o uso de fibras ópticas.

5.4.3 Comunicação

Na rede DeviceNet existem vários métodos de troca de dados entre os equipamentos, sendo todos eles permitidos em RS-485:

5.4.3.1 Polling

O mestre requisita individualmente para cada escravo da rede informações de escrita ou leitura. Para isso existem na rede dois pacotes de dados, um do mestre para o escravo e uma resposta do escravo para o mestre. Esse é um excelente meio de comunicação da rede, porém, não é o meio mais rápido de requisitar informações dos escravos.

5.4.3.2 Strobing

O mestre faz a requisição para todos de uma só vez, e assim um a um vai respondendo ao mestre, sendo um de cada vez. Por exemplo, o nó número 1 responde primeiro e depois quem responde é o nó número 2, e assim sucessivamente. Podemos até estipular prioridades para as informações.

Os métodos Polling e Strobing são os mais utilizados.

5.4.3.3 Cyclic

Os escravos são configurados para enviar de tempos em tempos mensagens para o mestre da rede. Isso também é chamado de “heartbeat” (batimento cardíaco), sendo normalmente utilizado com um outro método de comunicação chamado de “Change of State” (veja adiante) e serve para indicar que o equipamento está “vivo”.

5.4.3.4 Change of State

Os escravos somente enviam mensagens ao mestre quando há uma alteração do seu status. Isso ocupa realmente um tempo mínimo de transmissão de dados na rede. Mas quando este método é realizado, a rede perde a característica de ser determinística.

5.4.3.5 Explicit Messaging

O processo Explicit Messaging indica como um equipamento deve interpretar uma mensagem. Este é utilizado normalmente em dispositivos mais complexos como em inversores de freqüência, onde temos o controle do motor propriamente dito e, além disso, temos que descarregar parâmetros do motor, da aplicação e em outros casos realizar download de programas. E quando falamos em descarregar parâmetros, lembramos que isto requer um grande número de informações a serem transmitidas e não apenas uns e zeros proveniente dos sensores.

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5.4.3.6 Fragmented Messaging

Para mensagens que requerem mais de 8 bytes de dados por scan. Os dados que possuem mais de 8 bytes são quebrados em grupos de 8 em 8 bytes para serem transmitidos, e ao chegarem todos os bytes no equipamento destino, estes são novamente agrupados. Este método necessita de mais de um ciclo de varredura para enviar uma mensagem completa.

5.4.3.7 Peer-to-peer ou UCMM (Unconnected Message Manager)

Os equipamentos dotados desta interface UCMM são capazes de estabelecer comunicação ponto a ponto com qualquer dispositivo da rede, independentemente do mestre da rede que, por definição, é quem tem o controla da rede. Deixando de lado o conceito Mestre/Escravo, isto é, quando um equipamento quer enviar um pacote de dados para outro equipamento, não é necessário passar esse pacote pelo mestre.

5.4.3.8 Multi-Master

Esse é um recurso muito interessante na rede, pois é possível conectar mais de um elemento mestre na rede (exemplo, dois CLPs) e cada mestre ter acesso aos escravos.

5.4.3.9 Ponto a Ponto

Essa comunicação é um link direto entre o equipamento mestre e algum equipamento escravo, e não é somente a troca de dois pacotes, mas sim a troca entre vários pacotes de dados.

5.4.4 DeviceNet Protocolo Aberto

Hoje em dia, o requisito básico em uma comunicação é que ela seja aberta. Isso é baseado em um compreensível desejo de garantia de que cada equipamento funcionará independentemente do fornecedor. Essas condições incluem certas regras, estipulações, requisitos e padronizações de acordo com a funcionabilidade de cada equipamento. Para este propósito as padronizações devem ser abertas, isto é, independentes do fabricante, só assim então poderão ser utilizadas por todos os sistemas e fornecedores de produtos.

Outro fator importante em ter uma configuração aberta é a de não ficarmos presos em um só fornecedor de produto, pois nem sempre é bom dependermos totalmente dele.

5.4.5 ODVA

A rede DeviceNet recebe um suporte internacional de fabricantes e usuários de componentes para automação.

O ODVA é uma organização sem fins lucrativos que tem como metas a divulgação, o desenvolvimento e o suporte da tecnologia DeviceNet. Eles oferecem inúmeros serviços e informações aos seus membros e estão espalhados por todo o mundo.

Se um determinado fabricante de componentes para automação quiser que seu produto se comunique na rede DeviceNet, o caminho correto é através da ODVA, que lhe fornecerá

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documentações, fornecedores de componentes eletrônicos necessários para a implementação e uma futura certificação após o equipamento já desenvolvido

A rede DeviceNet é uma rede bem completa que possui os principais recuros que uma rede Fieldbus precisa ter: velocidade, alta confiabilidade e grande número de fornecedores de produtos para automação industrial.

É uma rede do nível Device Layer que permite um rápido tempo de atualização de I/Os sem com isso denegrir o tempo de comunicação de equipamentos mais complexos, tais como inversores de freqüência, robôs, Tags de RF, entre outros.

5.7 REDE PROFIBUS

A comunicação vem se expandindo rapidamente no sentido horizontal nos níveis inferiores (field level), assim como no sentido vertical integrando todos os níveis hierárquicos. De acordo com as características da aplicação e do custo máximo a ser atingido, uma combinação gradual de diferentes sistemas de comunicação, tais como Ethernet, PROFIBUS e AS-Interface, oferece as condições ideais de redes abertas em processos industriais.

No nível de atuadores/sensores o AS-Interface é o sistema de comunicação de dados ideal, pois os sinais binários de dados são transmitidos via um barramento extremamente simples e de baixo custo, juntamente com a energia (24Vdc) necessária para alimentar estes mesmos sensores e atuadores. Outra característica importante é que os dados são transmitidos ciclicamente, de uma maneira extremamente eficiente e rápida.

O Profibus é uma rede Fieldbus que se destina a dois de três níveis de comunicação existentes em uma fábrica. Esses níveis são:

Actuator/Sensor Level

Os sinais de sensores e atuadores são transmitidos nesse nível. A implementação deste nível é relativamente barata e seus elementos têm que ser de fácil instalação, e é altamente recomendável que nessa rede os dados trafeguem junto com a alimentação dos dispositivos no mesmo cabo. Exemplos desse tipo de rede são: Interbus Loop e rede AS-i (AS- Interface).

Field Level

Nesse nível de rede encontram-se módulos de I/O, inversores de freqüência, CLP, IHM, ilha de válvulas, entre outros, todos eles comunicando-se com alta eficiência, com tempos de varredura extremamente curtos e comunicação em tempo real. O Profibus é compatível com essa camada de rede e satisfaz todas essas características.

Cell Level

É nesse nível que todos os elementos controladores de sistemas estão, podendo ser citados o CLP e Computadores de Processo comunicando-se um com outro. Nesse nível são trocados grandes pacotes de dados, e também requerem muitas funções de comunicação. Integração com redes Ethernet e sistemas de acesso a outros sistemas também são requisitos desse nível de comunicação.

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No nível de campo, a periferia distribuída, tais como módulos de E/S, transdutores, acionamentos (drives), válvulas e painéis de operação, comunicam-se com sistemas de automação via um eficiente sistema de comunicação em tempo real, o PROFIBUS DP ou PA. A transmissão de dados do processo é efetuada ciclicamente, enquanto alarmes, parâmetros e diagnósticos são transmitidos aciclicamente, somente quando necessário.

No nível de célula, os controladores programáveis, tais como CLP’s e PC’s comunicam-se uns com os outros, o que requer grandes pacotes de dados e um grande número de funções poderosas de comunicação. Além disto, uma integração eficiente aos sistemas de comunicação corporativos existentes, tais como: Intranet, Internet e Ethernet é um requisito absolutamente mandatório, o que o PROFIBUS FMS e o PROFINet podem suprir.

Figura 5.22. Comunicação industrial

5.5.1 Tecnologia Profibus

O PROFIBUS é um padrão aberto de rede de comunicação industrial, utilizado em um amplo espectro de aplicações em automação da manufatura, de processos e predial. Sua total independência de fabricantes e sua padronização são garantidas pelas normas EN50170 e EN50254. Com o PROFIBUS, dispositivos de diferentes fabricantes podem comunicar-se sem a necessidade de qualquer adaptação na interface. O PROFIBUS pode ser usado tanto em aplicações com transmissão de dados em alta velocidade como em tarefas complexas e extensas de comunicação.

Através de seu contínuo esforço de desenvolvimento tecnológico, o PROFIBUS é o sistema de comunicação industrial mais bem preparado para o futuro. A Organização de Usuários PROFIBUS está atualmente trabalhando na implementação de conceitos universais para integração vertical baseada em TCP/IP.

PROFIBUS oferece diferentes protocolos de comunicação (Communication Profile): DP e FMS.

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O DP é mais utilizado. Ele é otimizado para ser o mais rápido, com maior eficiência e para baixos custos por conexão. O DP foi feito para interligar elementos controladores (por exemplo, um CLP) a elementos de campo (I/Os). Denominamos os módulos que se comunicam nesse Profile de módulos Profibus DP está no Field Level da figura 5.22.

O FMS é o protocolo da comunicação universal que oferece sofisticadas funções de comunicação entre dispositivos inteligentes. Ele foi projetado para um grande volume de troca de dados em um tempo de resposta aceitável para esse fim. Chamamos os módulos que se comunicam nesse Profile de módulos Profibus FMS. O Profibus FMS está no Cell Level.

De acordo com a aplicação, pode-se utilizar como meio de transmissão (Physical Profile) qualquer um dos seguintes padrões: RS-485, IEC 61158-2 ou Fibra Óptica.

O Perfil da Aplicação (Aplication Profile) define as opções do protocolo e da tecnologia de transmissão requerida nas respectivas áreas de aplicação e para os vários tipos de dispositivos. Estes perfis também definem o comportamento do dispositivo.

Figura 5.23. Profibus e Ethernet.

Podemos dividir em dois os tipos de participantes de uma rede de Profibus:

Elemento Mestre – é o participante que determina a comunicação de dados do bus. O mestre pode enviar mensagens sem nenhum outro participante ter solicitado, isto é, ele tem a iniciativa da comunicação. Os Mestres também são conhecidos como estações ativas. Veja na figura 5.24 um CLP com rede Profibus integrada.

Elementos Escravos - são módulos de entrada e saída digital/analógica, acionamentos de motores, ilhas de válvulas...São módulos de uma automação descentralizada, que não tem a iniciativa de uma comunicação e que só respondem mensagens quando solicitadas pelo mestre.

Também são chamados de estações passivas.

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Figura 5.24. CLP com rede Profibus integrada.

Dependendo da aplicação, a rede Profibus pode ser implementada utilizando-se protocolo elétrico RS-485, IEC 61158-2 ou em Fibra Óptica.

5.5.2 Meios de Transmissão - Camada 1 do Modelo OSI

5.5.2.1 Perfil de Comunicação (Communication Profile)

O perfil de comunicação PROFIBUS define como os dados serão transmitidos serialmente através do meio de comunicação.

PROFIBUS-DP - Periferia Descentralizada (Decentralized Periphery)

O DP é o perfil mais freqüentemente utilizado. Otimizado para alta velocidade e conexão de baixo custo, foi projetado especialmente para a comunicação entre sistemas de controle de automação e seus respectivos I/O’s distribuídos em nível de dispositivo. O PROFIBUS-DP pode ser usado para substituir a transmissão de sinal em 24 V em sistemas de automação de manufatura assim como para a transmissão de sinais de 4 a 20 mA ou HART em sistemas de automação de processo.

PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification)

O PROFIBUS-FMS é o perfil de comunicação universal para tarefas de comunicação complexas. FMS oferece muitas funções sofisticadas de comunicação entre dispositivos inteligentes. No futuro, com o uso do TCP/IP no nível de célula, o FMS terá um papel menos significativo.

5.5.2.2 Perfil físico (Physical Profile)

A aplicação de um sistema de comunicação industrial é amplamente influenciada pela escolha do meio de transmissão disponível. Assim sendo, aos requisitos de uso genérico, tais como alta confiabilidade de transmissão, grandes distâncias a serem cobertas e alta velocidade de

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transmissão, soma-se as exigências específicas da área automação de processos tais como operação em área classificada, transmissão de dados e alimentação no mesmo meio físico, etc. Partindo-se do princípio de que não é possível atender a todos estes requisitos com um único meio de transmissão, existem atualmente três tipos físicos de comunicação disponíveis no PROFIBUS:

RS-485 para uso universal, em especial em sistemas de automação da manufatura;

IEC 61158-2 para aplicações em sistemas de automação em controle de processo;

Fibra Óptica para aplicações em sistemas que demandam grande imunidade à interferências e grandes distâncias.

Atualmente, estão sendo feitos desenvolvimentos para uso de componentes comerciais de 10 e 100 Mbit/s como camada física para PROFIBUS.

Links e acopladores são disponíveis para acoplamento entre os vários meios de transmissão. Enquanto o termo Acoplador (Couplers) aplica-se à dispositivos que implementam o protocolo somente no que se refere ao meio físico de transmissão, o termo Link se aplica aos dispositivos inteligentes que oferecem maiores opções na operação entre subredes.

5.5.2.2.1 RS-485

(Idem item 5.2.8)

A velocidade de transmissão dos dados é selecionada por software, mas depende da distância máxima entre os elementos participantes na rede. Vemos na tabela 5.2 a relação taxa de transmissão/ distância.

O shield (malha elétrica do cabo) deve ser conectado às duas pontas com uma boa condutividade utilizando uma boa área de contato.

É recomendável que o cabo de dados do Profibus esteja separado de cabos de potência.

TABELA 5.2

Baud rate (kbits/s) 9,6 19,2 93,75

187,5 500 1500 12000

Distância (m) 1200 1200 1200 1000 400 200 100

5.5.2.2.2 IEC – 61158-2

Esse meio físico de transmissão de dados é utilizado em Indústrias de Processo. Ele satisfaz uma grande exigência em indústrias químicas e petroquímicas: segurança intrínseca e limitação de potência sobre o bus de dados. Com isso, o Profibus pode ser empregado em áreas com risco de explosão.

As expecificações e limites do Profibus na norma IEC-61158-2 foram definidas pelo modelo FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept). O modelo FISCO foi desenvolvido na Alemanha pelo “Physikalisch Technische Bundesanstalt” (PTB) e atualmente ele foi adotado

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como padrão para as redes Fieldbus em áreas classificadas. O modelo segue os seguintes princípios:

Cada segmento tem apenas uma única fonte de energia;

Nenhuma energia é transportada pelo bus de dados quando o equipamento está enviando dados;

Todos os equipamentos consomem uma corrente padrão constante;

A terminação do bus é feita com componentes passivos consistindo de um resistor de 100 e um capacitor de 100µF;

São possíveis as topologias em barramento, árvore e em estrela.

Em estado normal cada estação consome uma corrente padrão de 10mA e essa corrente serve como energia para o equipamento de campo. O sinal de dados é modulado pelo equipamento transmissor que é de +/-9 mA em cima doa 10mA.

Para a rede Profibus trabalhar em áreas classificadas é necessário que todos os equipamentos participantes da rede estejam de acordo com o modelo FISCO. Na tabela 5.3 fornecemos as características da norma IEC-61158-2.

Normalmente, o elemento controlador (CLP) está em um painel elétrico comunicando-se em RS-485 com outros elementos Profibus, e para “transformar” o sinal RS-485 em IEC-61158-2 há dois elementos: os Acopladores de Redes e os Links. A diferença entre eles é:

Acopladores de Redes: Simplesmente convertem o sinal físico RS-485 no IEC-61158-2. pelo ponto de vista protocolo, o Acoplador de Rede é transparente, e quando é utilizada a taxa de transmissão em RS-485 ela deve ser de no máximo 936,75 kbits/s.

Links: Ao contrário do Acoplador de Rede, estes têm sua própria inteligência. O Link é um elemento da rede Profibus e possui seu próprio endereço. Não há limites de velocidade para se trabalhar com um Link, com isto é possível trabalhar com equipamentos em alta velocidade junto com equipamentos para área classificada.

Note que nessa figura existe uma distância com o nome de Stub. Um Stub é a distância do elemento até o barramento de dados, e em área classificada essa distância nunca pode ser maior que 30 metros.

TABELA 5.3

Transmissão de dados Digital com sincronismo, código Manchester

Velocidade de transmissão 31,25 kbits/s

Segurança dos dados Preamble, error-prof start e delimitador no fim do frame.

Cabo Cabo com um par de condutores trançados e com malha de terra (shield).

Classe de proteção Intrinsecamente seguro (EEx ia/ib) e encapsulamento (EEx d/m/p/q).

Topologia Linha, estrela ou árvore.

Número de estações Até 32 estações, podendo chegar até 126 com uso de repetidores.

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Repetidores No máximo 4 repetidores.

5.5.2.2.3 Fibras Ópticas

As Fibras Ópticas são utilizadas na rede Profibus em ambientes com alto índice de interferência eletromagnética ou para isolar equipamentos eletricamente, ou ainda para aumentar a distância entre elementos da rede. Podemos ver na tabela 3 os tipos de Fibras Ópticas empregadas com a rede Profibus.

Alguns fornecedores de produtos para a rede Profibus disponibilizam além da tradicional conexão em cobre, também a conexão em Fibra Óptica, porém quando isso não ocorrer se fará necessário o uso de conversores de sinal.

TABELA 5.4

Tipo de Fibra Características

Fibra de Vidro Multimodo Distâncias médias que variam de 2 a 3 Km

Fibra de Vidro Monomodo Grandes distâncias podem chegar até 15 Km

Fibra HCS ou PCS Distâncias pequenas de até 500 m

Fibra polimérica Distâncias pequenas de até 80 m

5.5.2.3 Perfil de Aplicação (Aplication Profile)

O perfil de Aplicação descreve a interação do protocolo de comunicação com o meio de transmissão que está sendo utilizado, além de definir o comportamento do dispositivo durante a comunicação. O mais importante perfil de aplicação PROFIBUS é, atualmente, o perfil PA, que define os parâmetros e blocos de função para dispositivos de automação de processo, tais como transmissores, válvulas e posicionadores.

Existem ainda alguns outros perfis disponíveis, tais como: Acionamentos (Drives), Interface Homem Máquina e Encoders, etc. os quais definem a comunicação e o comportamento destes equipamentos de uma maneira independente do fabricante.

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Figura 5.25. Estrutura da ecnologia Profibus.

5.5.3 Acesso ao Meio - Camada 2 do Modelo OSI

No Profibus, a camada 2 do modelo OSI (camada de enlace) é chamada de Fieldbus Data Link (FDL), conforme exibe a figura 5.26. O controle de acesso ao meio (MAC) especifica o procedimento de transmissão de dados de uma estação quando esta tem o direito de transmissão.

Figura 5.26. Arquitetura do Protocolo.

O MAC também é responsável por permitir que somente uma estação tenha o direito de transmissão por vez.

Esse protocolo foi desenvolvido para combinar dois requisitos básicos:

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- Durante a comunicação entre dois mestres de rede, o protocolo deve garantir que cada estação tenha o controle do tempo para transmissão dos dados de forma precisa e em intervalos;

- Por outro lado, na comunicação entre um mestre e um elemento escravo, a comunicação deve ser cíclica, em tempo real e o mais rápido possível, de forma simples e sem erros.

O MAC da rede Profibus (veja figura 5.27) utiliza um procedimento de Token Passing quando há troca de dados entre elementos mestres de rede, e um procedimento mestre-escravo quando a comunicação é entre um elemento mestre e um escravo.

O procedimento Token Passing garante que um direito de acesso ao bus seja dado a cada mestre de rede, de tempos em tempos, de uma maneira precisa. A “Token Message” que é a mensagem de um mestre para outro passando o direito do uso do bus, deve ser executada dentro de um tempo limite configurável por software.

Já o procedimento mestre-escravo permite que o mestre gerencie os frames de dados entre ele e os elementos escravos, fazendo o que se chama de “polling” entre as estações.

Com esses métodos de acesso, é possível fazer as seguintes configurações de redes:

Um sistema puro Mestre-Escravo;

Sistemas Multi-Mestres (Token Passing);

A combinação dos dois.

Figura 5.27. Anel lógico de token.

O Token Ring forma uma seqüência lógica de estações mestre formando um anel lógico, sendo que cada estação mestre que tem o direito de acesso ao bus naquele momento, troca de dados com os elementos escravos na comunicação mestre-escravo.

Adicionalmente, a comunicação mestre-escravo ponto-a-ponto é possível também o estabelecimento de mensagens para outras estações ao mesmo tempo em Broadcast ou Multicast.

Mensagem Broadcast: é quando uma estação mestre envia uma mensagem para todos os participantes da rede.

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Mensagem Muticast: é quando uma estação mestre envia uma mensagem para um grupo pré-definido de participantes da rede.

TABELA 5.5

Serviço Função DP FMS

SDA Send Data with Acknowledge

Envia dados com reconhecimento

SRD Send and Request Data with replay

Envia e requisita dados com resposta

SDN Send Data with No acknowledge

Envia dados sem reconhecimento

CSRD Cyclic Send and Request Data with replay

Envia e requisita dados ciclicamente com resposta

Cada perfil de comunicação PROFIBUS utiliza um subset específico dos servi ços da camada 2 (veja tabela 5.5). Os serviços são acionados por camadas mais elevadas via pontos de acesso de serviço (SAP’s). No PROFIBUS-FMS estes pontos de acesso de serviço são utilizados para endereçar os relacionamentos lógicos de comunicação. No PROFIBUS-DP a cada função definida é associado um ponto de acesso de serviço. Vários pontos de acesso de serviço podem ser usados simultaneamente por todas estações passivas e ativas. Uma distinção é feita entre fonte (SSAP – Source) e destino dos pontos de acesso de serviço (DSAP - Destiny).

5.5.4 Profibus DP

O PROFIBUS-DP foi projetado para comunicação de dados em alta velocidade no nível de dispositivo. Os controladores centrais (por exemplo:, PLCs/PCs) comunicam com seus dispositivos de campo distribuídos: (I/O’s), acionamentos (drivers), válvulas, etc., via um link serial de alta velocidade.

A maior parte desta comunicação de dados com os dispositivos distribuídos é feita de uma maneira cíclica. As funções necessárias para estas comunicações são especificadas pelas funções básicas do PROFIBUSDP, conforme EN 50 170. Além da execução destas funções cíclicas, funções de comunicação não cíclicas estão disponíveis especialmente para dispositivos de campo inteligentes, permitindo assim configuração, diagnóstico e manipulação de alarmes. Estas novas funções não cíclicas são definidas na diretriz PROFIBUS No. 2.042 e são descritos no capítulo Funções DP Estendidas.

5.5.4.1 Funções básicas

O controlador (elemento mestre) lê ciclicamente as informações de entradas dos módulos escravos e escreve ciclicamente nos módulos de saída as informações que deverão estar nas saídas físicas no campo. O tempo de atualização das entradas e saídas deve ser menor que o tempo de execução do programa no elemento mestre que, na maioria das aplicações, gira em torno de 10 ms. Além da transmissão cíclica de dados de usuário, PROFIBUS-DP proporciona funções poderosas de diagnóstico e configuração. A comunicação de dados é controlada por

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funções de monitoração tanto no mestre, como no escravo. A tabela 5.6 proporciona um resumo das funções básicas do PROFIBUS-DP.

TABELA 5.6

Tecnologia de transmissão

RS-485 (par trançado cabo de dois fio) ou Fibra Óptica

Baudrate: 9.6 kbit/sec a 12 Mbit/sec

Acesso ao Bus

Procedimento de passagem de token entre mestres e procedimento de mestre-escravo para escravos

Possível sistemas mono-mestre ou multi-mestre

Dispositivos mestre e escravo, máximo de 126 estações em um barramento de comunicação

Comunicação

Peer-to-peer (transmissão de dados de usuário) ou Multicast (comandos de controle)

Transmissão de dados do usuário mestre-escravo cíclica e transmissão de dados não cíclica mestremestre

Modos de Operação

Operate: Transmissão cíclica de entrada e saída de dados

Clear: Entradas são lidas, e saídas são mantidas em estado seguro.

Stop: Transmissão de dados só é possível em mestre-mestre

Sincronização

Comandos de controle permitem sincronização de entradas e saídas

Sync mode: Saídas são sincronizadas

Freeze mode (modo de congelamento): Entradas são sincronizadas.

Funcionalidade

Transmissão de dados cíclica entre mestre DP e escravo(s) DP

Ativação ou desativação dinâmica de escravos individualmente

Verificação da configuração do escravo DP

Poderosas funções de diagnóstico, 3 níveis hierárquicos de mensagens de diagnósticos

Sincronização de entradas e/ou saídas

Designação de endereços para escravos DP via o barramento

Configuração de mestre DP (DPM1) sobre o bus

Máximo de 246 bytes de entrada e saída por escravo DP

Funções de segurança e proteção

Todas mensagens são transmitidas com Hamming distance HD=4

Watchdog timer no escravo DP

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Proteção de acesso para I/O dos escravos DP

Monitoração da transmissão de dados com temporizador configurável pelo Mestre

Tipos de dispositivos

Class-2 DP master (DPM2) : programação/configuração/DP diagnóstico de dispositivos

Class-1 DP master (DPM1) : controlador programável central tais como PLCs, PCs, etc.

DP slave: dispositivo com I/O binário ou analógico, drivers, válvulas, etc.

Tabela 5.6. Funções básicas do Profibus DP.

5.5.4.2 Características básicas

Somente uma alta velocidade de transferência de dados não é um critério suficiente para o sucesso de um sistema de comunicação de dados. Instalação e manutenção simples, uma boa capacidade de diagnóstico e uma de transmissão de dados segura e livre de erros são também importantes para o usuário. O PROFIBUS-DP representa a combinação ótima destas características.

5.5.4.2.1 Velocidade

Em teoria, o Profibus DP requer um tempo de aproximadamente 1 ms para transmitir 512 bytes de entrada e 512 bytes de saída em 32 estações a uma velocidade de 12 Mbps, porém, não se esqueça que a distância máxima permitida é de 100 m sem Stubs para uma taxa de transmissão de 12 Mbps. Na figura 5.28 apresentamos um gráfico onde temos o número de estações por velocidade de atualização dos pontos de I/O, em milissegundos. O significativo aumento da velocidade em comparação com o PROFIBUS-FMS deve-se principalmente ao uso do serviço SRD (Envia e Recebe Dados) da camada 2 para transmissão de entrada/saída de dados num único ciclo de mensagem.

Figura 5.28. Tempo de ciclo de um sistema Profibus-DP mono-master.

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5.5.4.2.2 Funções de diagnóstico

As várias funções de diagnósticos do PROFIBUS-DP permitem a rápida localização de falhas. As mensagens de diagnósticos são transmitidas ao barramento e coletadas no mestre. Estas mensagens são divididas em três níveis:

Diagnósticos de Estação: estas mensagens ocupam-se com o estado operacional geral da estação (por exemplo: alta temperatura ou baixa tensão).

Diagnósticos de Módulo: estas mensagens indicam que existe uma falha em um I/O específico (por ex.: o bit 7 do módulo de saída) de uma estação.

Diagnósticos de Canal: estas mensagens indicam um erro em um bit de I/O (por ex.: curto-circuito na saída 7).

5.5.4.2.3 Configuração do Sistema

O Profibus DP permite sistemas Mono-Mestre e sistemas Multi-Mestres, portanto até 126 elementos em uma rede (com quatro repetidores no barramento). Sua configuração consiste na definição do número de estações, dos endereços das estações e de seus I/O’s, do formato dos dados de I/O, do formato das mensagens de diagnóstico e os parâmetros de barramento. Cada sistema de PROFIBUS-DP pode conter três tipos de dispositivos diferentes:

Classe-1 DP MASTER é um controlador central que troca informação com as estações descentralizadas (por ex.: DP slaves) dentro de um ciclo de mensagem especificado. Dispositivos mestres típicos incluem controladores programáveis (PLCs) e PC ou sistemas VME.

Classe-2 DP MASTER são terminais de engenharia, programadores, dispositivos de configurações ou painéis de operação. São utilizados durante o comissionamento para configuração do sistema DP e também para a manutenção e diagnóstico do barramento e/ou de seus dispositivos. Terminais de programação, notebooks, software de supervisão. Todos os dispositivos de configuração, diagnóstico e programação de rede Profibus DP.

DP SLAVE é um dispositivo periférico (dispositivos de I/O, drivers, IHM, válvulas, etc.) que coleta informações de entrada e enviam informações de saída ao controlador . Pode haver dispositivos que possuem somente informações de entrada e outros com somente informações de saída.

A quantidade de informação de I/O depende do tipo de dispositivo. Um máximo de 246 bytes de entrada e 246 bytes de saída são permitidos.

Nos elementos escravos temos que fazer uma seleção local do endereço a ser utilizado na rede. Na verdade, é fácil de se entender o porquê. Na rede RS-485 todos os módulos estão em paralelo, e com isso todos os módulos recebem os mesmos telegramas, e é preciso haver alguma distinção local dos módulos para que somente o módulo endereçado é que responda a esse telegrama. Por isso, nos módulos temos DIP-Switches de ajuste de endereços.

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Figura 5.29. Configuração mono-mestre Profibus-DP.

Em sistemas mono-master somente um mestre é ativo no barramento durante a fase de operação da rede. A figura 5.29 mostra a configuração de um sistema mono-master. O PLC é o controlador central, sendo os DP-escravos distribuídos conectados à ele via o barramento. Sistemas Mono-master possuem tempo de ciclo curtíssimo.

Em configurações multi-master vários mestres são ligados a um único barramento. Estes mestres são sub-sistemas independentes, cada um consistindo em um mestre DPM1 e seus respectivos escravos DP, opcionalmente com dispositivos de configuração e diagnóstico adicionais. A imagem de entrada e saída dos escravos de DP podem ser lidas por todo os mestres DP. Entretanto, somente um único mestre DP (por ex.:o DPM1 designado durante configuração) poderá escrever em uma saída. Naturalmente sistemas Multimestres possuem um tempo de ciclo mais longo que sistemas Mono-Mestre.

Na rede Profibus DP existem também módulos de conversão de protocolos para outras redes Fieldbus, sendo possível citar o Profibus DP kiInterbus e o Profibus DP kiAS-i .

5.5.4.2.4 Comportamento do sistema

A especificação do PROFIBUS DP inclui uma detalhada descrição do comportamento do sistema para garantir a intercambiabilidade dos dispositivos. O comportamento de sistema é determinado principalmente pelo estado de operação do DPM1.

DPM1 pode ser controlado localmente ou via o bus pelo dispositivo de configuração. Há três estados principais:

STOP: neste estado, nenhuma transmissão de dado entre o DPM1 e os escravos DP ocorre.

CLEAR: neste estado, o DPM1 lê a informação de entrada dos escravos DP e retém as saídas no estado de segurança.

OPERATE: neste estado, o DPM1 está na fase de transferência de dados. Numa comunicação cíclica de dados, as entradas dos escravos DP são lidas, e as saídas são escritas nos escravos DP.

O DPM1 envia ciclicamente, em um intervalo de tempo determinado e configurável, seu estado atual à todos os escravos DP associados através do comando denominado Multicast

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Já a reação do sistema à um erro durante a fase de transferência de dados para o DPM1 (por ex.: falha de um escravo DP) é determinado pelo parâmetro de configuração auto-clear. Se este parâmetro está ativo (=1), o DPM1 altera todas as saídas do escravo DP defeituoso para um estado seguro, assim que tenha detectado que este escravo não está respondendo suas requisições. O DPM1 muda então para o estado CLEAR. No outro caso, isto é, se este parâmetro não está ativo (=0), o DPM1 permanece no estado OPERATE mesmo quando uma falha ocorre, e o usuário então deve programar a reação do sistema, por exemplo, através do software aplicativo.

5.5.4.2.5 Transmissão Cíclica de Dados entre o DPM1 e os Escravos DP

A transmissão de dados entre o DPM1 e os escravos DP associados a ele é executado automaticamente pelo DPM1 em uma ordem definida, que repete-se. Quando configurando o sistema, o usuário especifica a associação de um escravo DP ao DPM1 e quais escravos DP serão incluídos ou excluídos da transmissão cíclica de dados do usuário.

A transmissão de dados entre o DPM1 e os escravos DP é dividida em três fases: parametrização, configuração e transferência de dados. Durante as fases de configuração e parametrização de um Escravo-DP, sua configuração real é comparada com a configuração projetada no DPM1. Somente se corresponderem é que o Escravo-DP passará para a fase de transmissão de dados. Assim, todos os parâmetros de configuração, tais como tipo de dispositivo, formato e comprimento de dados, número de entradas e saídas, etc. devem corresponder à configuração real. Estes testes proporcionam ao usuário uma proteção confiável contra erros de parametrização. Além da transmissão de dados, que é executada automaticamente pelo DPM1, uma nova parametrização pode ser enviada à um Escravo-DP sempre que necessário.

Figura 5.30. Transmissão cíclica de dados.

5.5.4.2.6 Modo Sync e Freeze

Além da transferência de dados com as estações associadas, executada automaticamente pelo DPM1, o mestre pode enviar também comandos de controle a um único escravo, para um grupo de escravos ou todos escravos simultaneamente. Estes comandos são transmitidos como comandos Multicast. Eles possibilitam o uso dos modos sync e freeze para a sincronização de eventos nos escravos de DP.

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Os escravos iniciam o modo sincronizado (sync) quando recebem um comando sync de seu mestre. Assim, as saídas de todos escravos endereçados são congeladas em seus estados atuais. Durante as transmissões de dados subsequentes os dados de saída são armazenados nos escravos, mas os estados de saída (física) do escravo permanecem inalterados. Os dados armazenados de saída não são enviados às saídas até que o próximo comando de sync seja recebido. O modo de Sync é concluído com o comando de unsync.

De modo semelhante, o comando de controle de congelamento (freeze) força os escravos endereçados a assumirem o modo freeze. Neste modo de operação os estados das entradas são congelados com o valor atual. Os dados de entrada não são atualizados novamente até que o mestre envie o próximo comando de freeze. O modo freeze é concluído com o comando de unfreeze.

5.5.4.2.7 Mecanismos de Proteção

A segurança e confiabilidade se faz necessário para proporcionar ao PROFIBUS-DP funções eficientes de proteção contra erros de parametrização ou erros do equipamento de transmissão. Para se obter isto, um mecanismo de monitoração de tempo está implementado tanto no mestre DP quanto nos escravos DP. O intervalo de tempo é especificado durante configuração.

No Mestre-DP:

O DPM1 monitora a transmissão de dados dos escravos com o Data_Control_Timer. Um temporizador de controle independente para cada escravo. Este temporizador expira quando a correta transmissão de dados não ocorre dentro do intervalo de monitoração. O usuário é informado quando isto acontece. Se a reação automática de erro (Auto_Clear = True) estiver habilitada, o DPM1 sai do estado OPERATE, altera as saídas de todos escravos endereçado para o estado de segurança (fail-safe) e muda o seu estado para CLEAR.

No Escravo-DP

O escravo usa o controle de watchdog para detectar falhas do mestre ou na linha de transmissão. Se nenhuma comunicação com o mestre ocorre dentro do intervalo de controle de watchdog, o escravo automaticamente muda suas saídas para o estado de segurança (fail-safe).

Adicionalmente, proteção de acesso é requerida para as entradas e saídas dos escravos DP que operam em sistemas multi-mestres. Isto assegura que o direito de acesso só pode ser executado pelo mestre autorizado. Para todos outros mestres, os escravos oferecem uma imagem de suas entradas e saídas que podem ser lidas de qualquer mestre, sem direito de acesso.

5.5.4.3 Funções estendidas do PROFIBUS DP

As funções estendidas do PROFIBUS-DP torna-o possível transmitir funções acíclicas de leitura e escrita, bem como alarmes entre mestre e escravos, independente da comunicação cíclica de dados. Isto permite, por exemplo, a utilização de um Terminal de Engenharia (DPM2) para a otimização dos parâmetros de um dispositivo (escravo) ou para se obter o valor do status de um dispositivo, sem perturbar a operação do sistema. Com estas funções estendidas, o PROFIBUS-DP atende os requisitos de dispositivos complexos que freqüentemente têm que ser parametrizados durante a operação da rede. Hoje em dia, as funções estendidas do PROFIBUS-DP são principalmente utilizadas na operação online dos dispositivos de campo em PROFIBUS-PA através de Terminais de Engenharia. A transmissão dos dados acíclicos é executada com uma baixa prioridade, paralelamente a transferência cíclica de dados. O mestre requer algum tempo

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adicional para executar os serviços de comunicação acíclico. Para permitir isto, a ferramenta de parametrização normalmente aumenta o tempo de circulação do token o suficiente para dar ao mestre a chance de executar não somente as comunicações cíclica de dados mas também tarefas acíclicas.

Estas funções são opcionais, porém compatíveis com as funções básicas do PROFIBUS-DP. Dispositivos existentes que não necessitam ou não queiram utilizar estas novas funções continuam a ser utilizados, já que estas funções são complementares às funções básica existentes. As extensões do PROFIBUS-DP são especificadas na diretriz técnica de PROFIBUS No. 2.082.

5.5.4.3.1 Endereçamento com slot e index

Ao se endereçar os dados no PROFIBUS supõe-se que os escravos estejam montados como um bloco físico, ou que possam ser estruturados internamente em unidades de função lógicas, chamados de módulos. Este modelo também é usado nas funções básicas do PROFIBUS-DP para transmissão cíclica de dados, onde cada módulo tem um número constante de bytes de entrada e/ou saída que são transmitidos, sempre em uma mesma posição no telegrama de dados do usuário. O procedimento de endereçamento é baseado em identificadores que caracterizam o tipo do módulo, tal como entrada, saída ou uma combinação de ambos. Todo identificadores juntos resultam na configuração do escravo, que também é verificada pelo DPM1 quando o sistema inicializa.

Os serviços acíclicos também são baseados neste modelo. Todos blocos de dados habilitados para acessos de leitura e escrita também são considerados pertencentes aos módulos. Estes blocos podem ser endereçados por um número de slot (ranhura) e ïndex (índice). O número de slot endereça o módulo, e o index endereça o bloco de dados pertencente à um módulo. Cada bloco de dados pode ter um tamanho de até 244 bytes, ver figura 5.31. Com dispositivos modulares, o número de slot é designado aos módulos. Iniciando com 1, os módulos são numerados consecutivamente em ordem crescente. O slot número 0 é atribuído ao próprio dispositivo. Dispositivos compactos são tratados como uma unidade de módulo virtual.

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Figura 5.31. Endereçamento nos serviços acíclicos de escrita e leitura.

Usando a especificação de comprimento na requisição de leitura e escrita, é também possível ler ou escrever partes de um bloco de dados. Se acesso aos blocos de dados for bem sucedido, o escravo responde a leitura ou escrita positivamente. Se o acesso não for bem sucedido, o escravo dá uma resposta negativa com a qual é possível identificar o erro ou problema.

5.5.4.3.2 Transmissão acíclica de dados entre um DPM1 e os escravos

As seguintes funções são disponíveis para comunicação acíclica de dados entre um mestre (DPM1) e os escravos.

MSAC1_Read: o mestre lê um bloco de dados de um escravo.

MSAC1_Write: o mestre escreve um bloco de dados de um escravo.

MSAC1_Alarm: transmissão de um alarme do escravo para o mestre. A confirmação de um alarme é explicitamente reconhecida pelo mestre. Somente após o reconhecimento ter sido recebido, é que o escravo é capaz de enviar uma nova mensagem de alarme. Isto significa, que um alarme nunca pode ser sobrescrito.

MSAC1_Alarm_Acknowledge: o mestre envia um mensagem de reconhecimento para o escravo que enviou um alarme.

MSAC1_Status: transmissão de uma mensagem de estado do escravo para o mestre. Não haverá mensagem de reconhecimento do envio. As mensagens de estado, portanto, podem ser sobrescritas. Os dados são transferidos através de uma conexão. Esta conexão é estabelecida pelo DPM1. Esta função só pode ser

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usada por um mestre que tem também parametrizado e configurado o escravo em questão.

5.5.4.3.3 Transmissão acíclica de dados entre um DPM2 e escravos

As seguintes funções são disponíveis para comunicação acíclica de dados entre um Terminal de Engenharia (DPM2) e escravos.

MSAC2_Initiate e MSAC_Abort: estabelece e encerra uma conexão para comunicação de dados acíclicos entre um DPM2 e um escravo.

MSAC2_Read: o mestre lê um bloco de dados de um escravo.

MSAC2_Write: o mestre escreve um bloco de dados de um escravo.

MSAC2_Data_Transport: com este serviço, o mestre pode escrever dados aciclicamente em um escravo e se necessário, também ler dados de um escravo no mesmo ciclo de serviço. O significado dos dados é específico da aplicação e definido nos perfis.

A conexão é denominada MSAC_2 e é estabelecida antes do início da comunicação de dados acíclica pelo DPM2 através do serviço MSAC2_Initiate. Após isto, a conexão está liberada para os serviços: MSAC2_Write, MSAC2_Read e MSAC2_Data_Transport. Quando uma conexão não é mais necessária, ela é desconectada pelo mestre através do serviço MSAC2_Abort. É possível para um mestre manter várias conexões ativas ao mesmo tempo. O número de conexões que pode ser mantida ativa ao mesmo tempo é limitada pelos recursos disponíveis nos escravos e varia em função do tipo de dispositivo.

A transmissão de dados acíclica é efetuada numa seqüência predefinida, que será descrita à seguir, com a ajuda do serviço MSAC2_Read.

Primeiro o mestre envia uma requisição MSAC2_Read para o escravo; nesta requisição os dados necessários são endereçados usando número de slot e index. Após esta requisição ser recebida, o escravo tem a oportunidade de produzir os dados solicitados. O mestre então envia telegramas regulares para coletar os dados solicitados dos escravos. O escravo responde aos telegramas do mestre com um breve reconhecimento sem dados, até ele ter processado os dados. A próxima requisição do mestre é então respondida com uma resposta MSAC2_Read, com a qual os dados são transmitidos ao mestre. A transmissão de dados é monitorada por tempo.

O intervalo de monitoração é especificado com o serviço DDLM_Initiate quando a conexão é estabelecida. Se o monitor de conexão detecta uma falha, automaticamente a conexão é desfeita tanto no mestre quanto no escravo. A conexão poderá ser estabelecida novamente ou utilizada por um outro parceiro. São reservados para as conexões MSAC2_C2 os pontos de acesso 40 a 48 nos escravos e 50 no DPM2.

5.5.5 Perfil de Comunicação FMS

O perfil de comunicação FMS foi projetado para a comunicação no nível de células. Neste nível, controladores programáveis (CLP’s ou PC’s) comunicam-se uns com outros. Nesta área de aplicação, mais importante que um sistema com tempos de reação rápida é um sistema com uma diversidade grande de funções disponíveis.

A camada de aplicação (7) do FMS é composta das seguintes partes:

FMS: Fieldbus Message Specification e

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LLI: Lower Layer Interface

O modelo de comunicação PROFIBUS FMS possibilita que aplicações distribuídas sejam unificadas em um processo comum através do uso de relacionamentos de comunicação. A parte da aplicação situada no dispositivo de campo que pode ser acessada via comunicação é denominada de dispositivo virtual de campo (VFD – virtual field device). A figura 5.32 mostra a relação entre um dispositivo real e virtual. Neste exemplo somente determinadas variáveis (isto é, número de unidades, taxa de falhas e paradas) são parte do dispositivo de campo virtual e podem ser acessadas via uma relação de comunicação. As variáveis “valor desejado” (setpoint) e “receita” (recipe) não estão disponíveis neste caso.

Figura 5.32. Dispositivo de Campo Virtual (VFD) com Dicionário de Objetos (OD).

Todos os objetos de comunicação de um dispositivo FMS são registrado em um dicionário de objetos (OD). O dicionário contém descrição, estrutura e tipo de dados, assim como a associação entre os endereços internos do dispositivo do objeto de comunicação e sua denominação no barramento (índice/nome).

Objetos de comunicação estática são registradas no dicionário de objetos estáticos. São configurados um única vez e não podem ser modificados durante a operação. FMS reconhece cinco tipos de objetos de comunicação.

Variáveis simples

Matriz (array): série de simples variáveis do mesmo tipo

Registro (record): série de variáveis simples de diferentes tipos

Domínio (domain)

Evento (event message)

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Objetos de comunicação dinâmica são registrados na seção dinâmica do dicionário de objetos. Estes podem ser modificados durante a operação.

Endereçamento lógico é o método preferido de endereçamento de objetos. O acesso é realizado com umendereço curto (índice) que é um número inteiro sem sinal. Cada objeto possui um único índice.

Opcionalmente pode-se endereçar os objetos pelo nome.

Objetos de comunicação podem também ser protegidos do acesso não autorizado através da proteção de acesso, ou os serviços de acesso é que podem ser restringidos (por ex. somente leitura).

5.5.5.1 FMS Services

Os serviços FMS são um subset dos serviços MMS ((MMS = Manufacturing Message Specification, ISO 9506), que foram otimizados para aplicações de barramentos e que foram então estendidos por funções para a administração dos objetos de comunicação e gerenciamento de redes.

Figura 5.33. Seqüência de um serviço FMS.

Serviços confirmados podem somente ser utilizadas para relação de comunicação orientada à conexão. A execução do serviço é mostrada na figura 5.33.

Serviços não confirmados podem também ser utilizados em relações de comunicação sem conexão (broadcats e multicast). Podem ser transmitidos em alta ou baixa prioridade.

Os serviços FMS estão divididos nos seguintes grupos:

Serviços gerenciamento do contexto para estabelecer ou encerrar conexões lógicas

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Serviços de acesso à variáveis utilizados para acessar variáveis, registros, matrizes ou lista de variáveis.

Serviços de gerenciamento do domínio utilizados para transmitir grande quantidades de memória. Os dados devem ser divididos em segmentos pelo usuário.

Serviços gerenciamento de chamada de programas utilizados para controle de programas.

Serviços de gerenciamento de eventos utilizados para transmitir mensagens de alarme. Estas mensagens são enviadas como transmissões mutlicast ou broadcast.

Serviços VFD Support utilizados para identificação e status. Podem ser enviados espontaneamente quando requisitado por um dispositivo como transmissão multicast ou brioadcast.

Serviços de gerenciamento OD utilizados para acessos de leitura e escrita ao dicionário de objetos. Lower Layer Interface (LLI).

O mapeamento das camadas 7 a 2 é gerenciada pela LLI. Tarefas incluem controle de fluxo e monitoração da conexão. O usuário comunica-se com outros processos através de canal lógico denominado de associação de comunicação. O LLI provê vários tipos de associação de comunicação para a execução do FMS e serviços de gerenciamento. As associações de comunicação tem diferentes capacidades de conexão (isto é, monitoração, transmissão e demandas dos parceiros de comunicação).

Associações de comunicação orientada à conexão representam uma conexão lógica ponto-a-ponto entre dois processos de aplicação. A conexão deve primeiro ser estabelecida com um serviço Initiate antes que possa ser utilizado para transmissão de dados. Após tenha sido estabelecida com sucesso, a conexão é protegida contra acesso não autorizado e fica disponível para a transmissão de dados. Quando a conexão não é mais necessária, ela pode ser desconectada através do serviço Abort. O LLI possibilita a monitoração controlada por tempo para associações de comunicação orientados à conexão.

Os atributos da conexão “aberta” e “definida” são outra importante característica de uma associação de comunicação orientada à conexão.

Nas conexões definidas o parceiro da comunicação é especificado durante a configuração. Em conexões abertas o parceiro da comunicação não especificado até a fase de estabelecimento da conexão.

Associações de comunicação sem conexão possibilitam a um dispositivo se comunicar simultaneamente com diversas estações utilizando serviços não confirmados. Em associações de comunicação broadcast, um serviço FMS não confirmado é simultaneamente enviado para todas as outras estações. Em relacionamentos de comunicação multicast, um serviço FMS não confirmado é simultaneamente enviados para um predefinido grupo de estações.

Todas as associações de um dispositivo FMS são registrados no CRL. EM dispositivos simples, a lista é definida pelo fabricante. No caso de dispositivos complexos, o CRL é configurável pelo usuário. Cada associação de comunicação é endereçado por uma designação abreviada, a referência de comunicação (CREF). Do ponto de vista do barramento, uma CREF é definida pelo endereço da estação, ponto de acesso do serviço da camada 2 e LLI. O CRL contém a associação entre o CREF e a camada 2 bem como o endereço LLI. Adicionalmente, o CRL também especifica qual serviços DMS serão suportados, o tamanho dos telegramas, etc. para cada CREF.

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5.5.5.2 Gerenciamento de rede

Além dos serviços FMS, funções de gerenciamento de rede (Fieldbus MAnagement Layer 7 = FMA7) estão disponíveis. As funções FMA7 são opcionais e permitem uma configuração central. Podem ser iniciadas remota ou localmente.

Gerenciamento de Contexto pode ser utilizado para estabelecer e desconectar um conexão FMA7.

Gerenciamento da Configuração pode ser usada para acessar CRL’s, variáveis, contadores estáticos e parâmetros das camadas 1 /2. Pode também ser usada para identificação e registro das estações do barramento.

Gerenciamento de Falha pode ser usada para indicas falhas/eventos e para reiniciar os dispositivos.

Um acesso uniforme para os dispositivos de configuração é obtido através da especificação da conexão de gerenciamento padrão. Uma conexão de gerenciamento padrão deve ser registrada com CREF=1 no CRL para cada dispositivo que suporte serviços FMA7 como um responder.

5.5.6 Profibus PA

O uso do Profibus em ambientes de processo (indústria química, indústria petroquímica) é chamado Profibus PA.

O Profibus PA é baseado no Profile DP e, dependendo da área de aplicação, é utilizado o meio físico RS-485, fibra óptica ou IEC-61158-2 (o mais utilizado).

Podemos imaginar o Profibus PA como a próxima geração de troca de dados em que sinais de 4 a 20 mA e sinais padrão HART não serão mais necessários, pois todas essas informações que vinham de forma analógica, hoje podem vir na forma digital.

O PROFIBUS também permite medir e controlar em malha fechada processos industriais através de um único par de cabos, além de efetuar manutenção e conexão/desconexão de dispositivos durante a operação, até mesmo em áreas perigosas. O perfil PROFIBUS-PA foi desenvolvido em cooperação conjunta com os usuários da indústria de processos (NAMUR) e possui os seguintes requisitos especiais para trabalho nestas áreas de aplicação:

Perfil de aplicação padronizado para automação e controle de processo e intercambiabilidade de dispositivos de campo entre diferentes fabricantes.

Inserção e remoção de estações (dispositivos), mesmo em áreas intrinsecamente seguras, sem influenciar outras estações.

Alimentação dos dispositivos tipo transmissores, executada via o próprio barramento, conforme o padrão IEC 61158-2.

Possibilidade de uso em áreas potencialmente explosivas com proteções do tipo intrínseca (Eex ia/ib) ou encapsulada (Eex d).

É um padrão que está sendo cada vez mais implementado nas indústrias de processo no nosso país, tendo como principal concorrente a rede também para processos “Fieldbus Foundation”.

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Figura 5.34. Configuração típica de um sistema em automação de processo.

5.5.6.1 Aspectos da Comunicação

O uso do PROFIBUS em automação e controle de processo pode alcançar uma economia de até 40% em planejamento, cablagem, comissionamento e manutenção, além de oferecer um aumento significante na funcionalidade e segurança do sistema. A figura 5.35 mostra as diferenças entre as ligações de um sistema convencional (4 a 20 mA) e um sistema baseado em PROFIBUS.

Os dispositivos de campo em áreas classificadas são conectados via PROFIBUS utilizando a tecnologia IEC 61158-2, permitindo a transmissão de dados em conjunto com a alimentação do dispositivo, através de um único par de fios. A interface da área não-classificada, onde o PROFIBUS utiliza RS-485, é realizada por um acoplador ou um link . Diferente da fiação convencional, onde um fio individual é usado para cada sinal a ser ligado do ponto de medição ao módulo de E/S do sistema digital de controle (DCS), com o PROFIBUS os dados de vários dispositivos são transmitidos através de um único cabo. Enquanto uma alimentação separada (em caso de instalação à prova de explosão) para cada sinal na ligação convencional é necessária, o acoplador ou link de segmento realiza esta função em comum para muitos dispositivos em uma rede PROFIBUS. Dependendo dos requisitos da área classificada e do consumo de energia dos dispositivos, de 9 (Eex ia/ib) até 32 (não Ex) transmissores podem ser conectados em um acoplador/link de segmento. Isto economiza não somente na ligação, mas também nos módulos de E/S do DCS. Baseado no fato de que vários dispositivos podem ser alimentados em conjunto de uma única fonte de alimentação, ao utilizar PROFIBUS todos os isoladores e barreiras podem ser eliminados.

Os valores e o estado dos dispositivos de campo PA são transmitidos ciclicamente com alta prioridade entre um DCS (DPM1) e os transmissores usando as rápidas funções básicas do DP. Isto assegura que um valor de medição e seu estado estão sempre atualizados e disponibilizados no sistema de controle (DPM1). Por outro lado, os parâmetros do dispositivo para visualização, operação, manutenção e diagnóstico são transmitidos pelos Terminais de Engenharia (DPM2) com as funções DP acíclicas de baixa prioridade via conexão C2.

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Figura 5.35. Comparação entre ligações convencionais e Profibus.

5.5.6.2 Aspectos da Aplicação

Além de definições relevantes sobre comunicação, o perfil PA também contém definições sobre a aplicação, tais como: tipo de dados e unidades de medida do valor transmitido, assim como o significado da palvra de status que acompanha o valor medido. As especificações para a unidade de medida e o significado dos parâmetros do dispositivo, tais como limites baixo e alto do range de medição são independentes do fabricante.

Para auxiliar no comissionamento é possível ainda a simulação de valores no próprio transmissor. Através da simulação pode-se definir um valor fictício usando uma ferramenta de engenharia, que é então transmitido do transmissor para o sistema de controle, ao invés do valor real da medição, facilitando a simulação de estados críticos de uma planta industrial e auxiliando o pessoal de comissionamento em um processo passo-a-passo.

O comportamento do dispositivo é descrito por variáveis padronizadas com as quais as propriedades dos transmissores são descritas em detalhes. A figura 5.36 mostra o princípio de um transmissor, descrito no bloco de função Saída Analógica (Analog Input).

O perfil PA consiste de uma folha de dados genérica contendo as definições aplicáveis para todos tipos de dispositivos e uma folha de dados do dispositivo contendo informações específicas para o determinado dispositivo. O perfil é adequado tanto para a descrição de dispositivos com somente uma variável de medida (single variable) quanto para dispositivos multifuncionais com várias variáveis de medida (multivariable).

O atual perfil do PROFIBUS PA, define a folha de dados do dispositivo para os tipos mais comuns de transmissores:

Pressão e Pressão diferencial

Nível, Temperatura e vazão

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Válvulas e

Analisadores

Figura 5.36. Ilustração dos parâmetros no perfil do PROFIBUS-PA.

5.5.6.2.1 Blocos de função (Function Blocks) PA

O perfil PA suporta a intercambiabilidade e a interoperabilidade de dispositivos de campo PA de diferentes fabricantes, usando o internacionalmente reconhecido modelo de blocos funcionais que descrevem parâmetros e funções do dispositivo. Os blocos de função representam diferentes funções do usuário, tais como entrada analógica ou saída analógica. Além dos blocos de função de aplicação específica, dois blocos de função são disponíveis para características específicas do dispositivo (Physical Block e Transducer Block). Os parâmetros de entrada e saída dos blocos de função podem ser conectados via barramento e ligado às aplicações de controle de processo.

Bloco Físico (Physical Block): contém informações gerais do dispositivo, tais como: nome, fabricante, versão e número de série do dispositivo.

Bloco Transdutor (Transducer Block): contém dados específicos do dispositivo, tipo parâmetros de correção.

Bloco de Entrada Analógica (“Analog Input Block”) – AI: fornece o valor medido pelo sensor, com estado (“status”) e escala (“scaling”).

Bloco de Saída Analógica (“Analog Output Block”) – AO: fornece o valor de saída analógica especificada pelo sistema de controle.

Bloco de Entrada Digital (“Digital Input Block”) – DI: fornece ao sistema de controle o valor da entrada digital.

Bloco de Saída Digital (“Digital Output Block”) – DO: fornece a saída digital com o valor especificado pelo sistema de controle.

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Uma aplicação é composta de vários blocos de função. Os blocos de função são integrados nos dispositivos de campo pelo fabricante do dispositivo e podem ser acessados via comunicação, assim como pelo Terminal de Engenharia.

TABELA 5.7

Parâmetro Leitura Escrita Função

OUT Valor medido atual da variável de processo

PV_SCALE Escala da faixa de medição da variável de processo, códigos para unidades e números de dígitos após o ponto decimal.

PV_FTIME Tempo de resposta da saída do bloco funcional em segundos.

ALARM_HYS Histerese do alarme, funciona como % do range de medição.

HI_HI_LIMIT Limite altp-alto de alarme: Se ultrapassado, bit de alarme e status são ativados.

HI_LIMIT Limite alto de alarme: Se ultrapassado, bit de warning e status são ativados.

LO_LIMIT Limite baixo de alarme: Se ultrapassado, bit de warning e status são setados.

LO_LO_LIMIT Limite baixo-baixo de alarme: Se ultrapassado para baixo, bit de interrupt e status são acionados.

HI_HI_ALARM Estado do limite alto-alto de alarme.

HI_ALARM Estado do limite alto de alarme.

LO_ALARM Estado do limite baixo de alarme.

LO_LO_ALARM Estado do limite baixo-baixo de alarme.

Tabela 5.7. Parâmetros do bloco de função Saída Analógica (AI)

5.5.7 PROFISAFE

O perfil PROFISafe (No. Ordem 3.092) define como dispositivos de Falha Segura (botões para parada de emergência, lâmpadas) são conectados a um Controlador Programável via PROFIBUS. Isto significa que as vantagens de um padrão de comunicação industrial aberto tipo PROFIBUS, pode ser também utilizado em áreas especiais onde até agora quase todos dispositivos são conectados convencionalmente.

Durante o desenvolvimento do conceito para transmissão segura de dados via PROFIBUS, o foco não foi somente a redução do gasto com fiação, mas também o grande campo de aplicação nas indústrias de manufatura e processo. Como resultado, dispositivos com perfil PROFISafe podem operar sem restrições e em harmonia com dispositivos padrão utilizando o mesmo meio físico. PROFISafe é baseado no perfil de comunicação do DP e pode ser operado com RS-485, fibra óptica ou IEC 61158-2.

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O PROFISafe é uma solução de software de canal simples, que não requer nenhum cabo adicional. Ele leva em conta todos possíveis erros conhecidos que podem ocorrer durante uma comunicação serial (repetição, perda, inserção, seqüência incorreta, atrasos, dados de processo corrompidos e endereçamento errado) e define mecanismos de segurança adicionais estendendo os limites padrão de detecção e de eliminação de erros no protocolo de acesso ao barramento do PROFIBUS.

Por meio de uma inteligente seleção e combinação das medidas disponíveis, tal como numeração consecutiva, monitoração de tempo com reconhecimento, identificação fonte-alvo e controle CRC, assim como o patenteado SIL Monitor, foi possível alcançar a desejada classe de probabilidade de falhas até SIL3 ou AK6, ou categoria 4. Para os fabricantes de dispositivos Failsafe, há um software especial que implementa todas definições do perfil PROFISafe. Um fator relevante são os relatórios positivos que o perfil PROFISafe recebeu dos institutos TÜV e BIA.

Figura 5.37. No perfil ProfiSafe, dispositivos failsafe podem comunicar-se via PROFIBUS.

5.5.8 PROFIBUS & Ethernet

Esta inovação do PROFIBUS está relacionada ao acoplamento transparente do PROFIBUS e Ethernet. PROFIBUS vem observando tendências na direção da integração de dados em grandes companhias desde do sistema de controle até o nível de dispositivos de campo distribuídos. A organização de usuários PROFIBUS pretende implementar isto, em três estágios.

Mapeando os serviços de engenharia do PROFIBUS para TCP/IP, acesso a imagens de processo, parametrização e diagnóstico de dados assim como na definição de interfaces de software relevantes baseada em OPC. Isto significa que os usuários poderão configurar e monitorar dispositivos PROFIBUS via Ethernet e Internet. Parametrização e dados de diagnósticos de dispositivos de

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campo são consequentemente também disponibilizados para software em ambientes de escritório.

Roteamento direto do TCP/IP para PROFIBUS. Tecnologia Internet e o mundo da Microsoft estão chegando ao nível de campo. Por exemplo, servidores WEB estarão possíveis com os dispositivos de campo. Sistemas operacionais baseados em Microsoft em complexos dispositivos de campo podem acessar serviços já conhecidos.

Dispositivos de campo complexos são representados como distribuídos, sistemas orientado a objeto. Dispositivos de campo simples podem ser integrados dentro deste mundo via o conceito de servidores Proxy. Esta visão – a coexistência de dispositivos de campo simples com sistemas complexos – é suportada ainda mais nesta fase.

5.5.9 Implementação dos Dispositivos

Cada módulo Profibus tem seu conjunto de características. Funcionalidades que diferem de módulo para módulo (por exemplo: número de pontos de I/O, mensagens de diagnóstico). Essas características vêm especificadas normalmente no manual do fornecedor do equipamento. Com o intuito de tornar “Plug and Play” a configuração do Profibus, manuais eletrônicos foram feitos por parte de cada fabricante para cada produto e a esses manuais foi dado o nome de arquivo GSD.

Há poderosas ferramentas de configuração de rede disponíveis para Profibus. E graças aos arquivos GSD, a configuração de cada dispositivo e equipamento tornou mais fácil o dia-a-dia do programador de rede.

Os arquivos GSD devem ser fornecidos pelo fornecedor do equipamento no ato da aquisição do mesmo. Cada dispositivo tem que trazer consigo um disquete contendo o arquivo GSD.

5.8 INTERBUS S

A rede Interbus é, hoje em dia, uma das redes Fieldbus mais utilizadas na Indústria, pois possui uma alta confiabilidade, um rápido e preciso diagnóstico, e uma gama muito grande de fabricantes e produtos, aliados a uma excelente performance para todos os níveis de automação, seja ela em máquinas ou em processos.

O princípio básico da rede Interbus é baseado no conceito do circuito eletrônico do shift register. Este consiste em vários módulos escravos que possuem registros internos e são usados para passar informações de um módulo para o outro até chegar no seu mestre de acordo com um clock que, neste caso, é de 500kbps. Em teoria, podemos colocar quantos módulos quisermos. Na implementação prática, porém, é um circuito integrado que possui um limite máximo de taxa de transmissão. O fluxo de dados forma uma seqüência de blocos de dados que são conectados através de dois fios: o de sinal e o de retorno do sinal. Esse par de condutores que, na verdade, é um par trançado de cobre, é somente limitado por parâmetros elétricos (atenuação, run time) na transmissão de dados.

Esse conceito de transmissão de dados através do princípio shift register é a base para entendermos a rede Interbus. Cada módulo da rede tem um determinado número de registros que possuem algumas tarefas específicas, tais como leitura dos dados do processo ou a escrita dos

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dados no processo nos terminais de saída do módulo. Existem também alguns registros que fornecem o diagnóstico de funcionamento do módulo para monitoração do status e códigos de falhas na rede. Os módulos da rede são conectados formando uma estrutura em anel, como verificamos na figura 5.38. Com isso temos o sistema Interbus, que se caracteriza por uma topologia mestre-escravo e sua comunicação formando um grande shift register em anel. Esse conceito diferencia o Interbus das outras redes de chão de fábrica.

Figura 5.38. Princípio de funcionamento da rede Interbus.

5.6.1 O Sistema Interbus

Os protocolos de transmissão de dados das outras redes Fieldbus são baseados em blocos estruturados de transmissão de dados. Por essa razão todos os módulos da rede possuem um bloco UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter), e é especificado um frame que contém um start bit, um número fixo de caracteres, um bit de paridade e um stop bit (padrão normal de comunicação serial). O protocolo Interbus, por outro lado, depende da quantidade de módulos na rede, por isso não existe uma estrutura fixa de caracteres (figura 5.39).

O “cérebro” da comunicação de um sistema Interbus á a controller board, muitas vezes chamada de Host, HCB ou placa Scanner. Essa placa pode ser inserida no rack de um CLP, pode ser uma placa de PC ou qualquer outro tipo de unidade de controle, por exemplo. Os módulos da rede também possuem sua própria “inteligência” através de chips chamados SUPI 3.

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Figura 5.39. Protocolo Interbus.

Módulos simples da rede Interbus, como entradas e saídas digitais e analógicas, têm que ter seus ciclos de atualização muito rápidos, pois destes dependem a performance da máquina ou processo que está sendo aplicado. Por outro lado, módulos mais complexos como inversores de freqüência, robôs e leitores de código de barras devem ser parametrizados também pela rede Interbus, e esta deve apresentar um ótimo tempo de ciclo para não degradar o tempo dos I/Os convencionais.

Como anteriormente citado, todos os dados são digitalizados e serializados e distribuídos em shift register do sistema Interbus. Para esse propósito os dados os dados vindos do processo e indo para o processo possuem um formato específico. Esse formato garante que todos os módulos recebam e transmitam no mesmo ciclo de dados. Essa transmissão é chamada de full-duplex..

A posição de cada módulo na rede especifica o seu endereço.

Com a possibilidade de se montar uma topologia em árvore (figura 5.40), a rede Interbus pode ser expandida praticamente sem restrições. Essas topologias podem ser aplicadas em basicamente todos os segmentos da automação industrial, e como sua estrutura é em anel, isso a torna uma rede chamada de determinística, isto é, o tempo de atualização dos I/Os é constante.

A rede Interbus, como já foi citado, é uma rede em anel, porém é implementada com apenas um cabo. Isso é possível porque no mesmo cabo temos dois pares de fios trançados: um par para transmissão dos dados e outro para a recepção. O padrão elétrico de comunicação na rede Interbus é o RS-422 a quatro fios.

Na figura 6 temos um exemplo de Interbus: nele, vemos um elemento mestre que é a controller board seguida pelos seus módulos escravos participantes da rede.

Os meios físicos de comunicação entre os elementos pode ser:

Cabo trançado de cobre: este é o mais utilizado por se tratar de um meio fácil de se fazer o conector e muito barato comparado aos outros. Sua distância máxima entre módulos é de 400 metros;

Fibra óptica polimérica: entre as fibras ópticas é a mais utilizada, por ser a mais fácil de se trabalhar, a mais flexível em ambiente industrial e a mais barata, sua

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distância máxima depende do módulo em questão, existem módulos para 50 metros e módulos para 70 metros;

Fibra óptica HCS: é uma fibra polimérica com o núcleo de vidro, sendo a segunda mais utilizada com Interbus, pois permite uma distância maior (até 370 metros) e sua conectorização é fácil de fazer, dispensando empresas para a sua confecção. Seu custo é um pouco maior que o da fibra polimérica e menor que o da fibra de vidro. Com essa fibra é necessário um maior cuidado para se trabalhar, pois seu núcleo é de vidro, facilmente quebrável;

Fibra de vidro multimodo: quando temos grandes distâncias envolvidas, elas são empregadas. Seu custo é o mais caro das três, porém, é a que alcança a maior distância, aproximadamente 3300 metros entre módulos. Requer o máximo de cuidado no manuseio e sua conectorização depende de empresas especializadas para fazê-la.

Figura 5.40. Topologia da rede Interbus.

Lembramos que o uso de fibra óptica em meio industrial é empregado na maioria das aplicações onde temos um alto índice de interferências eletromagnéticas ou quando precisamos isolar dois módulos eletricamente, e não somente pela distância envolvida ou por uma suposta melhoria de performance (a taxa de transmissão é fixa, independentemente do cabo utilizado).

Para qualquer um desses cabos a distância máxima total da rede Interbus é de 12,8 Km, somando todos os trechos de cabos envolvidos.

O cabo principal da rede Interbus é chamado de cabo de Remote Bus, e os módulos ligados a ele, módulos de Remote Bus. Podemos ter no máximo 256 módulos.

Existem alguns módulos especiais chamados de módulos BK, esses módulos permitem uma configuração local de I/Os chamada de Local Bus, e dependendo do módulo BK utilizado, podemos colocar um determinado número de módulos ao lado.

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A rede Interbus pode ter um total de 512 módulos na rede, somando os módulos de remote bus e os de local bus.

A comunicação da Controller Board com o CLP é dada através de uma área de memória em comum entre eles, essa área é chamada de MPM (Multi-Port-Memory). Quando o CLP precisa ler o estado de uma determinada entrada, ele lê da MPM, e quando o CLP precisa escrever em alguma saída ele escreve na MPM.

Enquanto isso, o processador da Controller Board está lendo ciclicamente todos os módulos de entradas e disponibilizando os dados para o CLP através da MPM, bem como lendo o conteúdo das saídas na MPM e enviando para os módulos de saídas Interbus.

5.6.2 A Universalidade do Interbus

Quando falamos em equipamentos e níveis para a área de Automação Industrial, estamos falando em uma vasta linha de produtos que estão distribuídos em todas as aplicações de uma automação. O tempo de resposta versus o fluxo de dados nesses dispositivos, são críticos. A rede Interbus consegue conciliar essas variáveis para todos os módulos, explicando melhor:

Um módulo de saída digital está em um nível onde possui pouca troca de dados (normalmente 16 ou 32 bits), mas seu tempo de atualização é bastante crítico, pois devemos garantir que uma válvula, por exemplo, será acionada o mais rápido possível. Para garantir essa rápida troca de dados, a rede Interbus provê uma área de dados chamada de process data, e os módulos que precisam dessa rápida atualização devem disponibilizar seus dados nessa área.

Agora, para um inversor de freqüência temos que agir rapidamente em um comando para desligar ou ligar um motor ou até mesmo para alterar a velocidade. Porém, um inversor de freqüência precisa ser parametrizado e para isso exige-se uma grande troca de dados, e o seu tempo não é muito crítico (alguns décimos de segundo é suficiente). Essa parametrização pode ser feita de forma local (através de um notebook ou no frontal do equipamento), mas o ideal já que ele está numa rede, é que isto seja feito de forma automática pela rede. A rede Interbus prevê para uma grande troca de dados, serviços chamados de PCP (Peripheral Communication Protocol).

O conceito de uma comunicação PCP é de que essa grande quantidade de dados é dividida em fatias de 2 ou 4 words, e transmitida junto com o process data. Por exemplo, se o ciclo da rede está em 3 ms, temos que o process data está sendo atualizado a cada 3 ms; se temos um inversor de freqüência e desejamos carregar 30 parâmetros nele (e cada parâmetro tenha o tamanho de 1 word), temos um total de 30 words divididas em pacotes de 4 words temos 7 pacotes e meio, com cada pacote sendo transmitido a cada 3 ms, o tempo de parametrização total do inversor se dará em 24 ms, isto é um tempo muito satisfatório.

Por essas razões dizemos que a rede Interbus é uma rede para todos os níveis de automação.

5.6.3 O Sistema Aberto Interbus

Hoje, o requisito básico para uma comunicação é que ela seja aberta. Isso é baseado em um compreensível desejo de garantia de que cada equipamento funcionará independentemente do fornecedor. Essas condições incluem certas regras, estipulações, requisitos e padronizações de acordo com a funcionalidade de cada equipamento.

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Para esse propósito as padronizações devem ser abertas, isto é, independentes do fabricante, só assim então poderão ser utilizadas por todos os sistemas e fornecedores de produtos.

Outro fator importante de se ter uma configuração aberta é o de não ficarmos preso a um só fornecedor de produto, pois nem sempre é bom dependermos totalmente dele.

Em vista da abertura da rede Interbus, algumas conclusões foram alcançadas:

Desde o lançamento da Interbus em 1987, ela é tida como uma rede de sistema aberto;

A fim de garantir uma futura disponibilidade e continuidade de protocolo aberto, a Interbus foi introduzida em 1995 na forma de um padrão alemão norma DIN 19258, e em 2000 no padrão internacional IEC 61158;

Mais de 700 fabricantes de produtos internacionais de sistemas de controle, computadores de processo e dispositivos para campo, possuem seus produtos adaptados para a comunicação com a rede Interbus.

5.6.4 Especificações Básicas da Rede Interbus

Transmite a 500 kbps, com velocidade constante e única, independentemente do comprimento da rede ou do número de módulos.

Full-duplex com um mínimo de overhead.

Single Mestre.

Estrutura em anel.

Suporta 512 elementos em uma rede (4096 pontos de I/O).

Comprimento de um segmento: 400m (cobre).

Número máximo de segmentos: 256.

Comprimento total da rede: 12,8 km.

Até 16 níveis em estrutura árvore.

Transmite até 512 bytes de dados de entrada e 512 bytes de dados de saída por ciclo.

Rede determinística tendo seu tempo máximo de scan de 14 ms.

5.6.5 Vantagens e Desvantagens da Rede INTERBUS

Vantagens

Na utilização de uma rede para sensores e atuadores espera-se obter uma série de vantagens econômicas e funcionais, onde se destacam:

Configuração e manutenção simplificada;

Flexibilidade;

Diagnósticos de erros;

Compatibilidade;

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Disponibilidade no mercado mundial;

Alta viabilidade econômica;

Confiabilidade.

O INTERBUS oferece facilidade de configuração, montagem e testes, além de possuir características que permitem sua aplicação nas mais variadas condições de operação.

O protocolo INTERBUS é de alta eficiência atendendo a críticos requisitos de velocidade e controle. Para o controle da rede é utilizado o software CMD (Configuration, Monitoring and Diagnostic) que podem ser utilizados por qualquer fabricante de equipamentos para INTERBUS, permitindo assim controlar a rede e seus módulos independentemente do sistema de controle ou computador utilizado.

Independente da linguagem de programação ou do sistema operacional utilizado pelo PLC ou computador, o CMD possibilita:

Configurar a rede;

Determinar parâmetros das funções do sistema;

Determinar parâmetros de equipamentos inteligentes;

Monitorar dados de I/O;

Diagnosticar erros.

Desvantagens

Alto custo para implantação do sistema;

Ineficiência do sistema de controle, sendo que, os dispositivos de aquisição de dados e atuadores não se interagem simultaneamente, pois a informação deve necessariamente passar pelo host.

5.6.6 O Interbus Club

Atualmente, o sistema Interbus recebe um suporte internacional de fabricantes e usuários de componentes para automação.

O Interbus Club é uma organização sem fins lucrativos que tem como meta a divulgação, o desenvolvimento e o suporte da tecnologia Interbus. Ele oferece inúmeros serviços e informações aos seus membros, que estão espalhados por todo o mundo, inclusive no Brasil.

Se um determinado fabricante de componentes para automação quiser que seu produto se comunique na rede Interbus Loop, o caminho correto é através do Interbus Club, que lhe fornecerá documentação que lhe fornecerá documentações, fornecedores de componentes eletrônicos necessários para a implementação e uma futura certificação após o equipamento já desenvolvido.

E na divulgação do Interbus, o Interbus Club participa em feiras, organiza eventos como workshops, seminários, divulga folhetos e catálogos.

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5.9 INTERBUS LOOP

A rede ideal para pequenas aplicações para as quais não existe a necessidade da utilização de painéis elétricos, ou seja, todos os módulos I/O são IP54 ou IP67, assegurando sua isolação em relação ao meio externo. Sua fácil conexão, alimentação e dados no mesmo cabo, aliados a um rápido tempo de atualização garantem o sucesso desta rede em suas aplicações.

O Interbus Loop é uma rede de chão de fábrica indicada onde a aplicação exige poucos pontos de I/O e uma rápida atualização, características de uma rede “Bit Level”.

Essa rede é uma derivação da rede Interbus, entretanto, apenas algumas características físicas e a transmissão simultânea da alimentação e dados formam a diferença entre as duas redes; o protocolo, a configuração e os tempos envolvidos são os mesmos. O Interbus Loop é completamente integrado em todo o sistema Interbus. É otimizado para estar diretamente no campo, pois utiliza módulos com índice de proteção para tal uso (IP54 até IP67).

Podemos imaginar que a rede Interbus Loop é o braço do Interbus para pequenas redes de aplicação local onde seus I/Os estejam diretamente no campo.

5.7.1 Tecnologia Loop: Dados e Alimentação em Um Único Cabo

A estrutura da rede Interbus permite a utilização de meios de transmissão de dados. Sem contar com o meio clássico de transmissão de dados que é o cabo de cobre em RS-485 com o interbus, também podemos ter: fibra óptica, transmissão por infravermelho, transmissão via rádio, guia de ondas, coletor rotativo, entre outros menos utilizados. Na verdade, essa variedade de possíveis combinações e também de outras é que faz da rede Interbus uma das ideiais para qualquer aplicação em chão de fábrica (figura 5.41).

Figura 5.41. Topologia da rede Interbus Loop.

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O Interbus Loop é, em outras palavras, um outro meio de transmissão do Interbus.

Com o uso de uma conexão elétrica chamada QUICKON, se torna fácil a sua conectorização, e podemos ver na figura 2 como é feita essa conexão. O cabo principal não possui blindagem e é composto por dois condutores de 1,5 mm² envolto diretamente na isolação do cabo; nesse cabo é retirado o isolante principal e deixados somente os dois fios que são passados pelo prensa-cabo e colocados no conector do módulo. Esse conector possui duas lâminas que quando da colocação do prensa-cabo, cortam os isolantes dos dois fios perfazendo o contato elétrico. Conexão ideal onde se precise de um rápido tempo de montagem e não haja a necessidade de chave de fenda e nem ferro de solda.

O princípio básico do Interbus Loop é um código de terceira ordem chamado Manchester, e podemos verificar na figura 5.42 como os dados trafegam junto com a alimentação.

Quando falamos de alimentação e dados no mesmo cabo, ela é somente para a alimentação da eletrônica do módulo e dos sensores ligados a ele, e não para a alimentação de pontos de saídas digitais, por uma simples razão: imaginem que tenhamos um módulo de 4 pontos de saída digital de 24V e que cada ponto consome 2A, teríamos um total de 8A que circulariam pelo cabo para apenas um módulo; se tivermos 10 módulos iguais a este na mesma rede, teremos um total de 80A, corrente essa que não seria possível de transportar em um cabo de 1,5 mm². Por isso, em módulos de saída digital existem mais dois conectores que devem ser alimentados com 24V através de uma fonte de alimentação externa somente para a alimentação de pontos dos pontos de saída digital.

Figura 5.42. Código Manchester.

5.7.2 Integração Com o Sistema Interbus

Analogamente à rede Interbus, a rede Interbus Loop consiste em uma comunicação ponto a ponto entre dois módulos.

Os módulos são ativos e fazem também a função de repetidores. Diferentemente da rede Interbus em que se pode fazer uma estrutura em árvore, com a rede Interbus Loop implementa-se uma estrutura em anel.

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A rede Interbus Loop é interligada à rede Interbus via um módulo de abertura de rede chamado módulo BK ou através de outro chamado ILL2 para a família Inline, da Phoenix Contact. O módulo BK possui conexões de Remote Bus para a rede Interbus e conexões para rede Interbus Loop onde ele “abre” o anel para o tráfego de dados. Uma rede Interbus Loop é reconhecida pelo mestre da rede como um segmento de rede.

É no módulo BK que se faz a alimentação dos 24V que será utilizada em todos os módulos da rede Loop.

Sob o ponto de vista do mestre da rede Interbus (por exemplo, um CLP), a rede Interbus Loop é apenas mais um segmento de rede como um local bus, por exemplo, e sendo um segmento do Interbus, o Loop possui as mesmas características da rede Interbus no âmbito de diagnóstico que, diga-se de passagem, é um dos melhores existentes no mercado.

Qualquer mestre de Interbus da geração nº 4 é capaz de comunicar-se com uma rede Loop.

TABELA 5.8

Topologia. Segmento de um Remote Bus, com estrutura em anel.

Taxa de transmissão. 500kbits/s

Codificação dos dados. Manchester Code

Transmissão do sinal. 0mA, 10 mA

Funções de comunicação. Cíclico Process Data, Acíclico PCP (Peripherals Communication Protocol)

Mestre do Interbus

(Host Controller Board).

Geração 4, versão de firmware 4.15 ou posterior.

Meio de transmissão. Cabo sem blindagem 2x1,5 mm² (AWG16)

Corrente máxima permitida na linha do bus.

150 A/s no segmento total. Típico 1,5 A/s por módulo.

Proteção contra polarização reversa.

Através de ponte retificadora e uma função de protocolo do chip LPC2 (PAPR).

Tensão de alimentação para atuador externo.

Eletricamente isolado (UISO = 500V).

5.7.3 Especificação da Rede Interbus Loop

As principais características da rede Interbus Loop podem ser vistas na tabela 5.8.

Desde quando o Interbus Loop foi criado, ele sofreu um upgrade das suas especificações. Ele foi gerado como Interbus Loop 1, e hoje já existe o Interbus Loop 2. as diferenças das duas versões encontram-se na tabela 5.9.

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TABELA 5.9

Loop 1 Loop 2

Número de módulos no anel da rede. Máximo de 63, típico de 32.

Máximo de 63, típico de 32.

Comprimento total do cabo da rede. 100 m 200 m

Comprimento mínimo do cabo entre dois módulos.

0,2 m 0,2 m

Comprimento máximo do cabo entre dois módulos.

10 m 20 m

Comprimento mínimo do cabo entre o módulo BK e um módulo da rede.

0,2 m 0,2 m

Comprimento máximo do cabo entre o módulo BK e um módulo da rede.

10 m 20 m

Capacidade de corrente de segmento da rede Interbus Loop.

1,5 A 1,8 A

Consumo de cada módulo da rede (eletrônica do módulo).

50 mA 50 mA

Tensão de alimentação da rede. 28,5 V 5% 28,5 V 5%

Tensão a ser fornecida para o módulo BK. Min. 20 V

Máx. 30V

Min. 18,5 V

Máx. 30V

5.7.4 Módulos Para a Rede

A rede Interbus Loop possui vários tipos de módulos de diversos fabricantes. Módulos de entradas e saídas digitais são o “feijão com arroz” em uma automação. O forte da Interbus Loop é a disponibilidade de módulos de entrada e saída analógicas, pois seus concorrentes quase não os possuem, e quando possuem, seu endereçamento é feito de forma multiplexada, atrasando com isso seu tempo de atualização.

Além dos módulos acima mencionados existem também:

Encoders;

Acionamentos para motores;

Ilha de válvulas;

Scanners;

Entre outros...

5.10 ETHERNET INDUSTRIAL

A Ethernet está cada vez mais se solidificando na área de Automação Industrial, seja para o transporte dos dados de equipamentos de campo tais como PLCs, computadores

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industriais, inversores de freqüência, seja para o monitoramento e controle de I/Os em máquinas ou em processos.

Veremos alguns componentes básicos para uma perfeita aplicação da rede Ethernet na Automação Industrial.

5.8.1 Histórico da Ethernet

A rede Ethernet foi desenvolvida em meados de 1970 pela empresa Xerox (pelo Dr. Robert M. Metcalfe), com o intuito de conectar computadores com impressoras, numa versão que foi desenvolvida em 3 Mbits.

Sua padronização formal ocorreu em 1980 pelo consórcio das empresas DEC, Intel e Xerox (DIX), e confirmada como norma IEEE 802.3 CSMA/CD em 1985.

No ano de 1995 ela foi introduzida em ambiente industrial para interligar algumas máquinas a sistemas de monitoramento remoto via rede Ethernet, e daí começou o seu uso no chão de fábrica.

5.8.2 A Ethernet na Automação Industrial

O uso da Internet em automação industrial, como foi dito anteriormente, começou com a interligação de máquinas a sistema de aquisição de dados remotos.

Esse foi o pontapé inicial, e nos dias de hoje já existem as mais diversas aplicações para a rede Ethernet no chão de fábrica, porém a mais utilizada delas é a troca de informações substituindo o nível de processo pirâmide da automação (Process Level), em lugar das redes mais tradicionais como: ControlNet, Profibus – FMS e ARCNet.

Outras aplicações envolvem também o monitoramento/ controle de pontos de I/O com suas “ilhas” ligadas diretamente na rede Ethernet, possuindo elas com isso seu próprio endereçamento IP. Essas aplicações são um pouco mais difíceis para estimar quando vão trabalhar a contento (ou não), e isso se deve ao fato de que a rede Ethernet não é uma rede determinística, mas abordaremos mais adiante essas explicações.

Algumas aplicações foram realizadas com sucesso utilizando a rede Ethernet, entre elas podemos citar:

Transportes:

Metrô de Paris;

Estradas da Alemanha;

Monitoramento de túneis na Áustria, Estados Unidos, etc.

Indústrias:

Refinarias;

Automobilísticas;

Armazenamento e logística.

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Escritórios:

Hospitais;

Aeroportos;

Prédios Inteligentes;

Universidades.

5.8.3 Vamos a Alguns Conceitos:

Ethernet-TCP/IP é, hoje em dia, padrão em redes locais.

Em futuro próximo também em Automação Industrial.

Ethernet-TCP/IP será o padrão para todas as redes de chão de fábrica em todos os equipamentos inteligentes de automação (PLC, Estações remotas, IHM, Robôs...).

Primeiro passo (hoje): Substituição de redes de chão de fábrica no nível de controle (ARCNet, Profibus FMS, ControlNet...) pela Ethernet.

Fieldbus é utilizada ainda, se:

A capacidade de tempo real da Ethernet-TCP/IP não for suficiente.

Os custos para a implantação da Ethernet-TCP/IP forem muito altos comparados com o custo dos equipamentos.

Dados referentes a segurança do operador devem ser transmitidos.

5.8.4 Requisitos para Equipamentos de Automação Industrial

Um equipamento que foi desenvolvido para escritório não está apto para ficar exposto em um ambiente onde existem interferências eletromagnéticas, picos de tensões diversos e toda sorte de pessoas operando o mesmo.

Equipamentos de Automação Industrial são equipamentos robustos, com um alto índice de imunidade a interferências eletromagnéticas, com dispositivos especiais para fixação em trilho DIN NS35. Em razão disso, somente algumas empresas estão aptas a fornecer equipamentos com esses requisitos.

Vamos citar agora alguns dos equipamentos mais utilizados em automação industrial com Ethernet.

HUB

Também conhecido como acoplador estrela, concentrador, distribuidor e até mesmo como repetidor. O HUB é o equipamento mais empregado em uma rede Ethernet, ele tem a função de interligar os mais diversos equipamentos da camada física, fazendo com que um deles converse com qualquer outro equipamento da mesma rede com o mesmo meio físico de comunicação. Este envia pacotes de dados recebidos por uma porta e transmite para todas as portas do HUB.

Amplitude, formato e potência do sinal são preparados antes do reenvio dos pacotes de dados. As principais vantagens da utilização de um HUB são:

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Custo baixo;

Fácil instalação e configuração, na maioria das vezes “plug and play”.

Redundância na alimentação 24V.

Suas desvantagens:

Quanto mais equipamentos receberem pacotes de dados desnecessários, aumenta a freqüência das colisões na rede, aumentando assim o tráfego da rede (o que não é bom);

Planejamento: aproximadamente 20 dispositivos por segmento, se necessário no máximo 40;

Tamanho máximo de segmento de 4500m utilizando somente HUBs. Para maiores distâncias, subdividir a rede com switches.

Switch

Também conhecido como Bridge ou MAC level bridge, o SWITCH está cada vez mais crescendo nas instalações em Ethernet. O SWITCH possui uma inteligência que o HUB não tem, que é a de enviar o pacote de dados somente para a porta onde está conectado o destino da transmissão.

Suas principais tarefas são:

Enviar o pacote de dados recebido por uma porta para a porta onde o equipamento destino está conectado. Se o destino não for conhecido, o pacote será transmitido para todas as portas (FLOODING);

Aprender o endereço MAC (hardware) das estações conectadas e associá-los as respectivas portas (LEARNING);

Não transferir colisões, bem como os pacotes defeituosos;

Reduzir a carga da rede inteira.

Acesso a rede:

Na comunicação com os equipamentos, a comunicação é feita em half duplex via CSMA/CD;

Na troca de dados entre switches em redundância, a comunicação é em full duplex sem CSMA/CD: transmissão e recepção ao mesmo;

Chaveamento da taxa de transmissão de acordo com cada equipamento individual por porta (10Mbps ou 100 Mbps).

Vantagens:

Custo baixo em 10 Mbps, fácil instalação (plug- and -play);

Link de redundância STP com tempos de chaveamento de 15 até 60s em caso de quebra no cabo. Essa é uma característica importante para equipamentos industriais a “redundância” no caso do SWITCH em questão ele permite a

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redundância dos cabos up-link formando uma rede em anel, onde o tráfego de dados não pára no caso de uma quebra no cabo, ou até mesmo se queimar algum SWITCH (o que é muito improvável);

Redundância da fonte de alimentação, isto é, o módulo possui duas entradas para alimentação de 24V, onde podem ser ligadas duas fontes de alimentação distintas, de modo que, se uma delas queimar, a outra continua fornecendo a alimentação ao módulo, e esse fato é reportado ao sistema via um contato seco de um relé, e também via diagnóstico do módulo.

Desvantagens:

Conforme forem utilizadas mais funções do switch, mais configurações precisam ser realizadas.

5.8.5 I/O em Ethernet

Existem basicamente três tipos de utilização da rede Ethernet no chão de fábrica.

1 - Todos os I/Os ligados a um CLP e este interligado a rede Ethernet. Nesta aplicação via rede Ethernet, é possível fazer down/upload de programas, monitoração de variáveis e transmissão de dados via OPC (OLE for Process Control – www.opcfoundation.org), porém o controle de I/Os ainda é feito por um CLP;

2 - Temos um controle dos I/Os feitos por PC na rede Ethernet, porém seus I/Os ainda estão sob uma rede Fieldbus;

3 - Uma automação toda descentralizada, onde todos os I/Os estão na rede Ethernet e seu controle também é feito por um PC.

A utilização de I/O em Ethernet tem que ser estudada de uma forma que ela não comprometa o tempo de processo e nem a segurança do operador, pois os dados qua trafegam na rede não têm uma garantia de tempos de ciclos curtos e constantes, isto é, a rede Ethernet não é uma rede determinística. Então, para I/O em Ethernet seguem as seguintes regrinhas:

Utilizamos I/Os em Ethernet desde que o tempo de atualização deles não ultrapasse 500 ms, caso contrário utilizamos uma rede Fieldbus, por exemplo Interbus.

Situação: se uma válvula em alguma parte do processo precisa ser ligada com um tempo de resposta de no máximo 500 ms, a Ethernet poderá ser utilizada caso a válvula tenha que ser ligada impreterivelmente em 100 ms, logo que utilizar um CLP. Não que uma rede Ethernet não transmita seus dados em uma velocidade de 100 ms, na verdade, dependendo do tráfego da rede ela transmite até em menos, o problema é que não há nenhum tipo de garantia dessa regularidade no tempo, ou seja, ora transmite a 1 ms, ou seja, transmite a 200 ms.

O tráfego da rede não pode ultrapassar 8% e existem equipamentos de medição de tráfego de rede que determinam o tráfego na rede. Os Switches são muito utilizados para diminuir o tráfego da rede. Quanto maior for o tráfego na rede, aumentam as possibilidades de ocorrerem colisões dos dados na rede.

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5.8.6 SWITCH Gerenciável X SWITCH Não Gerenciável

Há dois modelos de Switches, os gerenciáveis e os não gerenciáveis:

Os gerenciáveis possuem uma biblioteca de funções que através dela podem ser programadas funções de monitoramento, controle e diagnóstico do Switch. Esse recurso é particularmente interessante, pois principalmente as funções de diagnóstico são muito utilizadas em ambiente industrial.

Os não gerenciáveis são Switches simples, onde apesar dele cumprir seu papel, ele não fornece nenhum tipo de informação para o alto nível.

Existem mais dois tipos de equipamentos para a troca de dados na rede: o Router que está no nível três do modelo OSI e as Gateways que estão no nível 7 do modelo OSI.

O Router também é conhecido como Roteador tem a função de efetuar troca de dados em redes com IP diferentes (camada 3), já a Gateway interliga quaisquer dois equipamentos distintos.

5.11 CONTROLNET

A rede ControlNet é uma rede fieldbus que se destina a um dos quatro níveis de comunicação existentes em uma fábrica.

5.11.1 Histórico

A rede ControlNet foi desenvolvida em 1995 pela empresa Allen Bradley, que hoje chama-se Rockwell Automation. No começo a rede era dedicada somente aos produtos AB, mas depois ela se tornou uma rede aberta, e hoje já existem vários fornecedores de equipamentos para a rede ControlNet.

5.11.2 Funcionamento

A rede ControlNet é uma rede serial para a transmissão de dados críticos ao processo. Esses dados são transmitidos continuamente e disponibilizados para a aplicação em intervalos de tempo configuráveis (NUI, Network Update Interval). Entretanto, a rede ControlNet também suporta a transmissão para dados não críticos como aqueles para configuração e parametrização de devices em formato de telegramas não cíclicos de mensagem, esse tipo de comunicação porém não é determinística.

Ambos os tipos de transmissão são combinados em um único ciclo de bus. Aqui o tempo de ciclo é calculado tendo como base que a transmissão cíclica e pelo menos uma transmissão acíclica podem ser transmitidas.

O cabo de bus é o padrão RG-6 em um cabo coaxial. Pelo menos um “Tap” é necessário por participante. Um “Tap” é um dispositivo passivo que conecta um device ControlNet na rede. É permitida a redundância de rede. O tamanho total da rede depende do número de nós conectados ou dos Taps utilizados. Com dois participantes, a distãncia máxima entre segmentos é de 1000m. Esse comprimento é reduzido em 16,3m por Taps adicionais na rede.

Caso haja a necessidade da utilização de mais de 48 participantes no sistema ou até mesmo se um segmento tiver que ser aumentado, se faz a necessidade de um repetidor.

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Pelo ponto de vista lógico, os nós da rede ControlNet consistem de conexões de diferentes equipamentos. Esse modelo descreve o gerenciamento dos dados e das funções dos participantes. Um “objeto” consiste em uma coleção destes serviços e atributos específicos. Atributos consistem nas propriedades dos objetos que são apresentados como variáveis ou valores constantes. Tipicamente, estes atributos retém informações relevantes sobre o comportamento dos objetos. Um exemplo disto são os ID-Object. Os “Identity Object” provêm informações das classes dos equipamentos, o fabricante e seu número serial. Mensagens CIP (“Control and Information Protocol”) podem ser utilizados com os objetos dos participantes.

Em contraste com o princípio Mestre/ Escravo, os participantes da rede ControlNet são caracterizados pelo envio do telegrama diretamente ao endereço destino.

5.11.3 Comunicação Fornecedor / Consumidor

A capacidade das redes tradicionais não satisfaz a incrível demanda por alta produtividade e melhores desempenhos. Maiores taxas de transmissão e maior eficiência do protocolo ainda não são suficientes para atender a demanda.

A rede ControlNet é baseada em uma solução aberta e inovadora, o modelo Fornecedor/Consumidor. A grande vantagem deste modelo é que todos os participantes da rede possam acessar simultaneamente o mesmo dado de uma única fonte. Resumidamente este modelo provê:

Maior performance do sistema, aumentando com isto a sua produtividade;

Aumento de eficiência, pois os dados têm que ser fornecidos uma única vez, independentemente do número de “consumidores”.

Sincronização precisa, pois os dados chegam aos nós ao mesmo tempo.

Determinismo da rede.

Na comunicação Fornecedor/Consumidor os dados tem um único identificador. Utilizando este modelo, vários nós podem acessar os mesmos dados ao mesmo tempo de um simples fornecedor, resultando em um maior aproveitamento da taxa de transmissão. Por exemplo: transmissão da data de hoje de um controlador para 20 estações.

5.11.4 Benefícios

A rede ControlNet vem de encontro às características de tempo real, alta velocidade em automação e em controle para integração de sistemas complexos, tais como sistemas de coordenadas em servoposicionadores, controle de solda, sistemas de visão e em IHMs.

A ControlNet é ideal em sistemas cujos múltiplos controladores são baseados em PCs, PLC para PLC e PLC para DSC.

Ela permite múltiplos controladores “conversando” entre eles, fazendo intertravamento.

5.11.5 Vantagens/ Desvantagens

Vantagens: Determinismo, possibilidade de repetidores, a utilização em redundância é mais barata do que usar a tecnologia Ethernet. Pode ser transmitida via qualquer protocolo IP via Ethernet, Firewire ou USB.

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Desvantagens: Limitada em diagnóstico e os chips para implementação são relativamente caros (“ASICs”).

5.11.6 ControlNet. Org

Hoje em dia, a rede ControlNet recebe um suporte internacional de fabricantes e usuário de componentes para automação.

A organização controlNet é uma organização sem fins lucrativos que tem como metas a divulgação, o desenvolvimento e o suporte da tecnologia ControlNet. Eles oferecem inúmeros serviços e informações aos seus membros e estão espalhados por todo o mundo.

Se um determinado fabricante de componentes para automação quiser que seu produto se comunique na rede ControlNet, o caminho correto é através da Organização ControlNet, que lhe fornecerá documentações, fornecedores de componentes eletrônicos necessários para a implementação e uma futura certificação após o equipamento já desenvolvido.

TABELA 5.10

ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS

* Tipo de Fieldbus * Número de pontos de I/Os

- Control Layer - Sem limite definido

- Também pode ser utilizado como Device Layer

* Tempo de scan da rede

* Topologia da rede - Varia de 2 até 100 ms (selecionável pelo usuário)

- Barramento Linear

- Árvore * Modos de comunicação

- Estrela - Mestre/ Escravo

- Misto - Multi – Mestre

- Ponto-a-Ponto

* Velocidade da rede

- 5 Mbps (máximo) * Métodos da distribuição das informações na rede

- Polling

* Comprimento da rede, ponto a ponto - Cíclico

- 1000 m cabo coaxial em 5 mbps - Mudança de Estado

-1000 m entre dois nós

- 250 m com 48 nós * Cyclic Redundancy Check (CRC)

- 3000 m com uso de Fibra óptica - CCITT polinomial modificado utilizando 16 bits

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*Número de repetidores * Camada de aplicação

- 5 (máximo) em série - Orientado a objeto: Classe, Instance e Atributos.

- 6 segmentos (5 repetidores) em série - Modelo de Objeto ao Device utilizando Device Profiles

- 48 segmentos em paralelo

* Acesso ao meio

* Comprimento da rede com Repetidores

- CTDMA

- 5000 m cabo coaxial em 5 Mbps

- Mais de 30Km com o uso de fibra óptica

* Camada física

- Cabo coaxial – R6/U

*Alimentação dos módulos - Fibra Óptica

- Os módulos são alimentados externamente

*Características especiais da rede

* Modelo de Comunicação - Remover e inserir nós com a rede energizada

- Fornecedor/ Consumidor - Rede Determinística

- Possiblidade de uso de repetidores

* Número de nós - Opção de ser intrinsecamente segura

- 99 é o número máximo de nós endereçáveis

- Detecção de ID duplicados na rede

- 48 sem o uso de repetidores - Transferência dos dados em blocos

- Permite a redundância da rede

* Tamanho do pacote de dados - Permite conectar equipamentos para programação de devices, sem com isso denegrir o tempo de rede.

- O seu tamanho varia entre 0 e 510 bytes

5.12 WORLDFIP

WorldFIP consiste num fieldbus que promove o link entre o nível zero (sensores/atuadores) e nível um (PLC's, controladores etc) em um sistema de automação.

O WorldFIP possui as seguintes vantagens:

Economia:

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Redução no custo da cablagem;

Instalação.

Tecnologia

Fácil manutenção e modificação

Garantia de tempo de resposta

Segurança

Simplificação do tradicional ponto-a-ponto entre sensores e unidades de processamento

O WorldFIP consiste num sistema aberto possibilitando dispositivos de vários fabricantes, integra a Norma Européia - European Fielbus Standard - CENELEC EN50170, e juntamente com ProfibusDP e P-Net. A camada física também está normalizada pela IEC61158-2 (cabos, conectores, etc.), proporcionando maior segurança aos usuários.

WorldFIP não é apenas uma tecnologia, a organização WorldFIP é uma associação sem fins lucrativos, composta de usuários, fabricantes e organizações acadêmicas/pesquisa, que existe para promover o desenvolvimento e aplicação do sistema aberto fieldbus, e apoio para a normalização internacional. Possui um Centro de Suporte Técnico em vários países, fundados especialmente para oferecer assistência aos seus membros e usuários.

5.12.1 Barramento

WorldFIP possui arquitetura de controle centralizado, distribuído e mestre-escravo, possibilitando que controles e dados sejam distribuídos inteligentemente:

Fieldbus para sensores, pré-atuadores e terminais

Célula de rede

Racks remoto de entrada/saída

5.12.2 Camada Física

TABELA 5.11

Topologia de barramento IEC 61158-2

Taxa de transmissão 31,25 Kbps

1 Mbps

2,5 Mbps

5 Mbps (somente fibra óptica)

Meios de transmissão par trançado blindado

e fibra óptica

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Comprimento máximo por segmento

(depende da taxa de transmissão)

31,25 Kbps - 1.900 m

1 Mbps - 750 m

2,5 Mbps - 500 m

Número máximo de dispositivos 32

Número máximo de dispositivos numa rede 256

Número máximo de repetidores em série 4

Número máximo de nós por segmento 64

Cabo redundante Opcional

Código de bits transmitidos Manchester

Imunidade a ruído elevada (Normas Européias -

Eletro-magnetic Compatibility EMC)

Gateway HART&ASI

5.12.3 Camada de Enlace

Esse nível funcional organiza os caracteres em strings até formar mensagens. Também faz uma verificação antes de enviá-las.

Responsável por operações de :

Sincronização

Transmissão

Empacotamento

Controle de erro num único link.

Utiliza o modelo produtor/consumidor com barramento scheduler.

O modelo produtor/consumidor possui as seguintes características:

Resposta em alta velocidade determinísticas.

Dados produzidos são consumidos imediatamente.

Produtor não precisa reconhecer consumidores.

Integridade dos dados garantida.

Redundância - Barramento duplo

Resistência EMC

Assegura a integridade do dado transmitido, por checagem de seqüência e a codificação Manchester tipo 2.

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Facilidade de instalação de interface óptica.

5.12.4 Camada de Aplicação

Contém dois pontos de acesso para oferecer suporte às aplicações industriais:

Interface MPS de serviços periódicos e aperiódicos para atualização de variáveis de tempo crítico

Mensagens Cliente/Servidor para eventos não críticos, para indicadores de estado, download etc.

As mensagens são acessíveis via interface sub-MMS e o tamanho da mensagem pode ser até 64 Kbps.

As mensagens e os dados não-críticos são utilizados para:

Instalação e configuração.

Diagnósticos e supervisão da network.

Integração com sistemas de mais alto nível.

5.12.5 Dispositivos

Os dispositivos WorldFIP podem ser mais ou menos complexos dependendo dos tipos de sensor, atuador, rack de I/O ou unidade de processamento (PC, PLC, etc.).

5.12.5.1 Interface de comunicação

Responsável pelos serviços de protocolo do WorldFIP.

Dividido em :

Componentes de comunicação:

Faz o diálogo de uma comunicação média.

Controlador de comunicação:

Inclui um grupo de funções para o protocolo WorldFIP. Ferramenta de linha (Line Tools): permite ao controlador de comunicação transmitir dados no formato WorldFIP em uma transmissão média.

Biblioteca de comunicação

Responsável pelo link entre o controlador de comunicação e aplicativo, e oferece um grupo de serviços em conformidade com o protocolo WorldFIP.

5.12.6 Guia de Interoperabilidade

Interoperabilidade - capacidade do usuário conseguir conectar dispositivos de fabricantes diferentes num único barramento para alcançar uma solução integrada - definem os padrões para os perfis de comunicações permitidos:

Profiles

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Profile 1

Plug and Play - poucos dados e sem configuração

Ex: Sensores simples e leitora de código de barras

Profile 2

Equipamento simples tipo A, os equipamentos têm poucos parâmetros simples e o dado é normalmente trocado ciclicamente, com a possibilidade de troca aperiódicas.

Profile 3

Equipamento simples tipo B, o equipamento é configurado e a troca de dados é tanto periódica quanto aperiódica, com a possibilidade de muitas variáveis aperiódicas a qualquer tempo.

Ex: Atuadores, racks I/O, sensores complexos

Profile 4

Equipamento complexo, o equipamento pode ser configurado e feito um download. Há uma grande quantidade de dados de todos os tipos.

Ex: racks I/O complexos, PLC's, etc.

Companions Standards (Padrões de comunicação para equipamentos)

Transmissores de temperatura

Sensor diferencial de pressão

Sensor de pressão absoluta

Multiplexadores de I/O

Atuadores ON/OFF

Controle de motor

5.13 LON WORKS

A tecnologia LonWorks fornece uma solução para muitos problemas de projeto, construção, instalação e manutenção de redes de controle cujo tamanho pode variar de 2 a 32000 dispositivos conectados através de par trançado, linha de transmissão, cabo de fibra óptica, cabo coaxial, RF ou infravermelho. Pode ser usada em qualquer lugar - de supermercado à plataforma de petróleo, de foguetes aos veículos utilitários, de residências aos arranha-céus.

O controle de uma rede LonWoks é distribuído. Dispositivos de controle inteligentes chamados nós, comunicam entre si usando um protocolo comum. Cada nó na rede contém uma inteligência embutida que implementa o protocolo, distribui o processamento de cargas e efetua as funções de controle. Com as funções de controle distribuídas, o desempenho e a confiabilidade dos sistemas que utilizam tecnologia LonWorks são consideravelmente aumentadas. Além disso, cada nó inclui uma interface física que acopla o nó microcontrolador com o meio de comunicação. Um nó típico, numa rede de controle LonWorks, executa tarefas simples. Dispositivos como sensores de proximidade, chaves, detetores de movimento, relés e controladores de motores podem ser nós na rede. A tecnologia LonWorks é um sistema aberto,

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permitindo combinações de componentes de diferentes fabricantes e, permitindo também, adicionar novas funções de controle com um custo mais baixo.

A tecnologia LonWorks possui um protocolo chamado LonTalk que implementa as sete camadas do modelo OSI - Modelo de Referência para Interconexão de Sistemas Abertos e possui mecanismos que impedem a modificação acidental ou intencional. Inclui ainda, outras características tais como: funções de reconhecimento (acknowledgement), comunicação peer-to-peer, prioridade na transmissão, detecção de mensagens duplicadas, evita colisões, retransmissão automática, detecção e correção de erros, padronização e identificação do tipo de dados.

É um protocolo aberto que permite a qualquer companhia colocá-lo no processador que deseja. Isto significa que aplicações que requerem processadores de 16 ou 32 bits não necessitam mais de programa de interface para o microprocessador.

Esse protocolo está sendo analisado pela Associação de Indústrias Eletrônicas afim de ser recomendado como um padrão para automação residencial. Além disso, esse protocolo é parte do American Society of Heating, Refrigeration, and Air-Conditioning Engineers´s BACnet control standard for buildings. Isto é conhecido como ANSI/ASHRAE 135-1995.

Apesar da possibilidade de implementar o protocolo LonTalk num processador genérico, a Echelon desenvolveu o Neuron Chip que é mais apropriado para aplicações de controle por várias razões: o Neuron chip é composto por três processadores de 8 bits onde dois deles são otimizados para executar o protocolo e o terceiro para aplicações dos nós. O Neuron chip incorpora watchdog timers, 35 tipos de controladores de dispositivos, um sistema operacional em tempo real distribuído, três tipos de memória, possui um vetor de 48 bits acessível via software que garante um endereço disponível quando da instalação de um nó.

O protocolo LonTalk possui alta confiabilidade, pois garante que a informação foi transmitida e recebida com sucesso. Garante a integridade dos dados porque não usa paridade nem checksum, mas sim, controle por CRC.

Os transceivers, equipamentos utilizados na interligação dos nós com o barramento, são capazes de corrigir e detectar erros evitando a retransmissão.

O protocolo LonTalk utiliza CSMA p-persistente preditivo com opção de prioridade e detecção de colisão. Esta tecnologia supera os inconvenientes das técnicas tradicionais de CSMA.

5.13.1 Áreas de Aplicação

A tecnologia LonWorks é utilizada em:

Automação residencial e predial;

Automação dos serviços de utilidade pública (gás encanado por exemplo);

Automação industrial;

Transporte.

Antes de surgir o barramento Fieldbus as residências eram equipadas com dispositivos de controle como por exemplo: portão automático, alarme, circuito interno de TV mas estes dispositivos não estavam interligados em rede.

LonWorks é uma tecnologia de controle de residências e edifícios capaz de integrar os diversos dispositivos num único sistema além de possibilitar a interconexão de produtos de

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diferentes fabricantes. Esse barramento é uma solução flexível, poderosa, de arquitetura aberta, com tempos de resposta rápidos e com custo relativamente baixo.

Observe a seguinte situação:

"Imagine acordar com uma voz suave, com música ao fundo falando que já é hora de você se levantar. Quando você entrar no banho o sistema de aquecimento começa a funcionar fazendo com que sua cafeteira já comece a preparar o seu café na cozinha. Enquanto você estiver tomando o café da manhã na cozinha a televisão ativa seus e-mails e os lê para você através do sintetizador de voz.

Se você entrar no seu carro elétrico e perceber que esqueceu de recarregar as baterias perceberá que este problema já foi detectado e automaticamente as baterias já foram recarregadas durante a noite. Se você por acaso não gostasse de chegar cedo ao trabalho porque pela manhã o prédio onde você trabalha está sempre escuro, frio e ligeiramente assustador e descobrisse que a partir de agora assim que você estacionar o seu carro no parque de estacionamento as luzes do prédio onde você trabalha automaticamente se acenderão, seu computador será ligado automaticamente e os seus e-mails acessados.

Se você descobrisse que não será mais necessário trabalhar no chão de fábrica como já era de costume, mas sim num confortável escritório e certo de que todas as atividades realizadas em chão de fábrica estão sendo realizadas eficientemente, além de segurança, gereciamento de gasto de energia nos horários de pico e automação de muitas outras atividades".

A situação descrita acima já é possível graças a tecnologia LonWorks que já se encontra presente no mercado.

Com o uso de sistemas de controle inteligentes para residências é possível controlar:

a) Iluminação:

É possível controlar luzes em qualquer comodo da casa em qualquer hora do dia.

b) Sistemas de Ar Condicionado:

Os locais da casa onde você se encontra são refrigerados e o sistema será desligado automaticamente quando você sair.

c) Aquecimento:

Enquanto você dorme o controlador do volume diminui o aquecimento e quando você acordar pela manhã ele automaticamente deixa a sua casa numa temperatura ligeiramente morna que é mais agradável.

d) Segurança:

O sistema de alarme contra roubos da sua casa reconhece pessoas estranhas mas admite que as pessoas possuidoras de uma senha como encanadores ou outros prestadores de serviços possam entrar sem problemas.

e) Irrigação:

Os irrigadores são ligados automaticamente quando o gramado está precisando de água e são desligados quando chove.

f) Gerencimento de energia:

Nos horários de pico você pode utilizar a tecnologia LonWorks para desligar alguns dos aparelhos elétricos da sua casa de acordo com a prioridade que você mesmo estipular evitando assim desperdício de energia.

g) Entreterimento:

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De qualquer cômodo da sua casa você poderá controlar a TV, o CD e o vídeo cassete através de um controlador remoto fácil de usar.

5.13.2 Vantagens e Desvantagens

Vantagens:

a) Rapidez no desenvolvimento de projetos:

LonWorks permite desenvolver um sistema desde o início em menos de um ano causando um aumento da renda pois seu sistema entra mais cedo no mercado.

b) Baixo custo:

LonWorks é uma das alternativas de mais baixo custo dentro deste segmento segundo opinião de usuários.

c) Interoperabilidade:

Qualquer produto ou sistema baseado na tecnologia LonWoks pode se comunicar com outro produto ou sistema que também tem esta tecnologia não importando se são de fabricantes diferentes.

d) Modularidade:

É possível adicionar aos poucos dispositivos à sua rede de controle LonWorks.

e) Boa performance:

A velocidade da rede é aumentada pois o processamento é distribuído.

f) Boa Confiabilidade:

Cada ponto da rede possui inteligência para processar as informações no mesmo local onde estas são aquisitadas evitando que haja concentração em um único nó.

g) Disponibilidade:

Existe no mercado uma variedade de fabricantes usando tecnologia LonWorks.

h) Padronização:

As redes baseadas na tecnologia LonWorks foram reconhecidas pela ANSI (American National Standards Institute) como sendo verdadeiramente uma arquitetura aberta.

i) Treinamento e assistência:

A Echelon Corporation oferece aulas regulares (cursos de 2 a 4 dias) em Palo Alto, Londres, Paris, Munique e Tokio.

O serviço de assistência técnica inclui atualização dos softwares, substituição de placas, acesso ao telefone, fax e e-mails dos engenheiros e um serviço de atendimento 24 horas para os clientes.

Desvantagens:

O uso da tecnologia LonWorks tem seu uso limitado à redes de controle que não requerem taxas de transmissão superiores a 1.25 Mbits/s e tempos de resposta através da rede de 7-13 ms e permite somente comunicação entre equipamentos LonWorks.

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5.13.3 Componentes Disponíveis no Mercado

A Echelon, que é a criadora da tecnologia LonWorks, é a principal fornecedora de produtos desta tecnologia. Possui uma linha de mais de 75 produtos que inclui todos os equipamentos necessários para desenvolvimento, fabricação, instalação e manutenção de redes LonWorks.

Alguns dos equipamentos são:

LonWorks Transceivers;

Gateways e Interfaces para redes LonWorks;

Roteadores LonWorks;

Ferramentas de Serviços de Rede LonManager;

Ferramentas de Desenvolvimento;

Já a Motorola e a Toshiba fabricam com exclusividade e vendem os Neuron Chips utizados nos nós das redes LonWorks.

5.14 LIN (REDE DE COMUNICAÇÃO AUTOMOTIVA)

Conheceremos a rede LIN – Local Interconnect Network, um dos mais novos avanços na tecnologia de comunicação veicular multiplexada. Essa nova rede automotiva, complementar às já conhecidas redes CAN, vem permitindo que projetistas de sistemas eletrônicos ampliem o alcance da rede veicular às mais diversas cargas, sensores e atuadores de um veículo.

5.14.1 O Progresso da Eletrônica Automativa

Mais e mais sistemas eletrônicos são adicionados aos veículos atualmente, e a comunicação entre os diversos módulos eletrônicos tem se tornado um verdadeiro desafio para engenheiros e projetistas.

Historicamente controladas diretamente por fios e interruptores, funções como travas elétricas, vidros, espelhos e bancos elétricos são hoje controlados por ECUs (Electronic Control Units ou Unidades de Controle Eletrônico) junto com sensores e atuadores numa rede CAN (Controller Área Network) multiplexada ou J 1850. Conectar todas estas ECUs diretamente ao barramento CAN do veículo pode se tornar muito caro, principalmente devido ao custo adicionado ao módulo para que ele possa se comunicar através da rede, e porque um tráfego muito grande de dados exige processadores mais poderosos para gerenciar toda a comunicação. Para tentar reduzir custos, e permitir que mais e mais módulos eletrônicos sejam adicionados à rede multiplexada, a solução lógica é estruturar a rede hierarquicamente, cirando pequenas sub-redes a partir de redes principais.

5.14.2 A Solução LIN

Em 1998, a Motorola juntou-se a Audi, BMW, Daimler-Chrysler, Volkswagem, Volvo Car Corporation e à empresa de ferramentas de desenvolvimento Vulcano Communications Technologies (VCT) para formar um consórcio com o objetivo de encontrar uma solução de custo competitivo para sub-redes. O resultado foi a sub-rede LIN ou Local Interconnect

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Network, que trouxe aos sistemas eletrônicos automotivos vantagens competitivas de custo, flexibilidade e o aproveitamento de soluções já disponíveis no mercado.

5.14.3 Objetivos da LIN

Como comentamos anteriormente, o consórcio foi formado para que fosse encontrda uma solução competitiva em custo e flexibilidade. Como conseqüência disto, a sub-rede LIN deveria atender aos seguintes objetivos:

Padrão aberto: todas as fabricantes de módulos eletrônicos, sistemas e fabricantes de veículos podem utilizar este padrão, sem que seja necessário o pagamento de royalties ou licenças de uso;

Fácil de usar: a idéia é simplificar sistemas que se tornam cada vez mais complexos, portanto a solução deve trazer simplicidade e facilidade de uso;

Usar componentes disponíveis atualmente: diferentemente dos barramentos CAN e J1850, onde são necessários componentes eletrônicos específicos para estes protocolos, a escolha foi por implementar o padrão utilizando-se componentes eletrônicos não dedicados.

Mais econômico que CAN ou J1850: este é o objetivo principal, permitir a integração de módulos eletrônicos em uma rede multiplexada, com custos comparativamente menores que os da CAN ou J1850.

5.14.4 Benefícios da LIN

Dentre os diversos benefícios da LIN, destacam-se:

Veículos mais confiáveis: ampliando-se o alcance da comunicação multiplexada a qualquer módulo eletrônico do veículo, até mesmo aos mais simples, pode-se também fazer o diagnóstico dos mesmos, através da leitura de seu status;

Mais funcionalidade a preços baixos: toda a funcionalidade alcançada com a comunicação em rede já obtida com a CAN pode ser agora obtida através da LIN com custos mais baixos;

Padronização de interfaces e componentes: com um só tipo de interface de baixo custo componentes (ou módulos) podem ser adicionados à sub-rede sem necessidade de reprojeto da interface ou do sistema; isto permite também a rápida introdução de novas tecnologias na arquitetura eletrônica do veículo;

Extensão da funcionalidade: módulos eletrônicos podem ser adicionados ou removidos de uma sub-rede, sem necessidade de alteração do projeto do sistema; até mesmo módulos projetados após a conclusão do projeto da sub-rede podem ser adicionados sem mudanças no projeto da rede original.

5.14.5 Aplicações LIN

A aplicação LIN tem se mostrado muito eficiente em pequenos sistemas eletrônicos de conforto dos veículos, mais conhecidos como Body Electronic Systems, como por exemplo:

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Sistema de porta: a sub-rede LIN pode interconectar módulos eletrônicos que controlam individualmente o vidro elétrico, a trava elétrica, o espelho elétrico, o conjunto de interruptores da porta, etc.

Sistema de teto: pequena sub-rede LIN interconectando sensor de chuva, sensor de luz e temperatura, as luzes do teto, o motor do teto-solar, etc.

Sistema de banco: cada banco elétrico é composto por diversos motores elétricos, sendo que cada motor e interruptores de controle do banco se conectam a uma sub-rede LIN;

Sistema de coluna de direção: todas as funções disponíveis numa coluna de direção podem ser interconectadas através de uma pequena sub-rede, como os interruptores do limpador de pára-brisa, as chaves de seta, interruptores do ‘cruise control”, controle de climatização, controle remoto do rádio, etc;

Em princípio podemos imaginar que qualquer carga, atuador, sensor ou um conjunto destes podem ser conectados entre si através da LIN.

5.14.6 Mecatrônica

Uma das mais avançadas tecnologias automotivas desenvolvidas atualmente é a Mecatrônica, que consiste na criação de conectores inteligentes, capazes de controlar e diagnosticar a carga à qual estão conectados, e que são projetados para serem conectados junto a estas cargas individualmente. Esta tecnologia utiliza a LIN como padrão para comunicação em rede.

Os conectores inteligentes ou mecatrônicos, são compostos por:

Um pequeno microcontrolador, que provê a inteligência necessária para controle e diagnóstico da carga;

Transistores de potência para comutação de carga, e circuitos de proteção;

Uma interface de comunicação padrão LIN.

O uso da LIN neste sistema de porta é fundamental, pois permite o tráfego de mensagens de controle e de diagnóstico através de um único barramento de dados bidirecional.

5.14.7 Conceitos Básicos

O conceito LIN

Falando-se agora em requisitos técnicos, eis as especificações básicas da LIN, conforme definido pelo LIN Consortium:

Implementação através de uma única linha bidirecional, de baixo custo, baseado no padrão ISSO 9141 (amplamente utilizado na indústria automotiva nas linhas de comunicação serial de diagnóstico);

Velocidade de até 20 kbits/s limitada por razões de EMI (Electro Magnetic Interference);

Um único nó mestre, vários nós escravos (Single Máster / Multiple Slaves), eliminado a necessidade de arbitragem durante colisões de mensagens, como verificado na CAN;

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Hardware de comunicação do microcontrolador baseado na interface UART/SCI (Universal Asynchronous Receiver & Transmitter / Serial Communication Interface), praticamente todos os microcontroladores já possuem o hardware necessário onchip;

Auto-sincronismo sem cristais ou ressonadores cerâmicos nos nós escravos, reduzindo significativamente o custo de hardware;

Previsibilidade das mensagens transmitidas, ou seja, a seqüência de mensagens e o momento em que elas são transmitidas pela sub-rede são conhecidos por todos os nós que pertencem a mesma rede.

5.14.8 Camada Física

A implementação da camada física segue o padrão ISSO 9141, já amplamente utilizado em automóveis na linha de comunicação com equipamentos de diagnóstico (linha K, como é mais conhecida).

5.14.9 Mensagens

A informação no barramento num formato fixo e de comprimento variável. Cada mensagem contém de 0 a 8 bytes de dados, mais três bytes de controle e informação de segurança dos dados. O tráfego no barramento é controlado por um único Mestre. Cada mensagem inicia-se com um sinal de “break”, seguido por um sinal de sincronismo e um identificador da mensagem, todos enviados pelo Mestre. O Escravo responde com um campo de dados e um byte de verificação. A mensagem é formada pelos seguintes

Sync Break: composto por 13 bits, este campo marca o início da mensagem;

Sunc Byte: um único byte de valor 55h, que tem o propósito de sincronizar os nós da rede. Note que o valor 55hex corresponde ao valor binário 01010101, uma seqüência de “zeros” e “uns”, determinando a base de tempo de referência para sincronismo.

ID-Field: ou campo e identificação, contém o identificador da mensagem, o seu propósito, e o comprimento do campo de dados ou Data Field. Na LIN não existe endereçamento de mensagens, a mensagem é transmitida simultaneamente para todos os nós Escravos (multi-cast). O protocolo prevê um número máximo de identificadores de 64 identificadores.

Data Field, este campo contém 0, 2, 4 ou 8 bytes de dados.

Check Field. Check-sum ou soma de verificação, é composto de 1 byte correspondendo ao módulo da soma de todos os bytes de dados.

5.14.10Tarefas Mestre e Escravos

Podemos separar o tráfego de mensagens entre Mestre e Escravos em tarefas ou tasks, ou seja, tarefa mestre é aquela executada pelo Mestre e tarefas escravas são as executadas pelos nós escravos e também pelo Mestre.

Tarefa Mestre: tem o controle sobre todo o barramento e é responsável pela execução do protocolo, determinando qual mensagem e quando ela deve ser transmitida ao barramento.

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Para fazer isto o Mestre:

Envia o Sync Break

Envia o Sync Byte

Envia o ID-Field

Se tiver transmitindo dados para os escravos, o mestre:

Transmite 2, 4 ou 8 bytes,

Transmite o check byte

Se estiver solicitando dados dos escravos, o Mestre:

Monitora o dados e o check byte enviados pelo escravo

Verifica sua consistência.

Tarefa Escrava: é executada por um dos membros da sub-rede, recebendo e transmitindo dados com um identificador apropriado (ID) enviado pelo Mestre. Para isto, o Escravo:

Aguarda um Sync Break

Sincroniza-se com a rede através do Sync Byte

Aguarda pelo ID

De acordo com o ID recebido, o Escravo determina o que fazer:

Ou recebe todos os dados;

Ou transmite dados;

Ou não faz nada.

Quando está transmitindo:

Envia 2, 4 ou 8 bytes

Envia o check byte.

5.14.11Previsibilidade

Como a seqüência de mensagens que trafegam pelo barramento e o comprimento máximo de cada mensagem são conhecidos por todos os nós, é possível que haja uma previsão de quando cada mensagem irá ocorrer no barramento durante a comunicação entre os nós. Este recurso garante ao protocolo um aumento da sua confiabilidade, pois se uma mensagem que seta sendo aguardada não ocorrer no barramento no momento previsto, é uma indicação de falha na comunicação, que pode ser detectada e sinalizada pelo nó Mestre.

Diferentes seqüências de mensagens são possíveis. Um evento que ocorra na rede pode desencadear uma seqüência diferente de mensagens.

5.15 CAN BUS (ELETRÔNICA EMBARCADA EM AUTOMÓVEIS)

Antes de explorarmos as mais variadas alternativas tecnológicas para arquiteturas elétricas, devemos ter em mente o que significa a expressão “Eletrônica Embarcada”. Eletrônica

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Embarcada representa todo e qualquer sistema eletro-eletrônico montado em uma aplicação móvel, seja ela um automóvel, um navio ou um avião.

Há muitos anos, a indústria automotiva tem feito uso de sistemas eletro-eletrônicos no controle das várias funções existentes em automóveis de passeio e comerciais.

Observamos nos veículos atualmente comercializados, que boa parte desses sistemas de controle foi desenvolvida de forma independente, no sentido que cada um é responsável por um determinado tipo de função no veículo.

Em contrapartida, o real domínio sobre os diversos dados eletrônicos disponíveis em um automóvel é mais facilmente conseguido através da utilização de sistemas eletro-eletrônicos interligados, cada qual responsável por uma parte do veículo, mas compartilhando informações entre si.

Sistemas desenvolvidos dentro desse contexto têm sido disponibilizados pelos mais variados fornecedores de componentes automotivos e empresas montadoras de veículos, dando a impressão ao motorista e passageiros de que o controle do automóvel é totalmente integrado, muitas vezes deixando a sensação de existência de uma única unidade de controle inteligente – uma espécie de cérebro.

5.15.1 Alternativas Tecnológicas à Arquitetura Elétrica

As formas como os diversos sistemas de controle são implementados e interconectados em uma aplicação embarcada são chamadas de Arquiteturas Eletro-Eletrônicas (ou simplesmente Arquiteturas Elétricas).

No setor automotivo, dentre os diversos conceitos de arquitetura elétrica atualmente utilizados, podemos destacar dois: Arquitetura Centralizada e Arquitetura Distribuída.

5.15.1.1 Arquitetura Centralizada

Quando analisamos determinadas aplicações, encontramos uma única ECU responsável por receber todos os sinais de entrada (como os sensores e chaves de comando), processá-los e comandar as respectivas saídas de controle do sistema (como as válvulas e relés).

5.15.1.1.1 O que é uma ECU?

ECU é a abreviação de Unidade Eletrônica de Controle (Electronic Control Unit) e, fisicamente, nada mais é que um módulo eletrônico responsável por realizar um determinado controle. No caso da Arquitetura Centralizada, uma única ECU é responsável por todo o tipo de controle existente no sistema.

Dentro da chamada “ECU Central” são encontrados o Hardware e o Software que permitem a leitura das entradas, seu processamento e a sua atuação das saídas.

Como vantagens desta arquitetura podemos destacar:

Simplicidade do Hardware utilizado na implementação do sistema, sendo constituído basicamente pelos sensores e atuadores, uma ECU para o devido controle do sistema e, obviamente, o cabeamento que os conecta.

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Todos os dados de entrada estarão disponíveis à ECU durante toda a operação do sistema, não sendo crítica a lógica de varredura e coleta de informações de cada um dos sensores existentes.

Como desvantagens podemos destacar:

Grande quantidade de cabeamento requerido para conectar os sensores e atuadores à ECU, especialmente em grandes aplicações, o que dificulta a manufatura do veículo e a sua eventual manutenção.

Limitação das possibilidades de expansão do sistema, uam vez que qualquer alteração na ECU significará a modificação de seu Hardware e/ou Software e, eventualmente, na condição de trabalho das funções originais do sistema.

5.15.1.2 Arquitetura distribuída

Existe a possibilidade de se utilizar, em um mesmo sistema de controle, várias ECU’ s interligadas, dividindo entre elas a execução das diversas funções existentes no veículo.

Como vantagens desta arquitetura podemos destacar:

Quantidade reduzida de cabeamento do sistema, uma vez que, tendo várias ECU’ s disponíveis, poderemos instalá-las bem próximas aos sensores e atuadores, reduzindo o cabeamento mais pesado da implementação, formado basicamente por pares e pares de fios empregados na conexão das entradas e saídas nas ECU’ s.

Menor tempo de manufatura do veículo (exatamente pela menor quantidade de cabeamento necessário).

Menor robustez do sistema de controle, por termos reduzido as possibilidades de quebra de um dos circuitos ou o aparecimento de mau contato em determinado conector (novamente pela menor quantidade de cabeamento necessária).

Permite a ampliação do sistema com significativa facilidade, garantindo que alterações em uma determinada função do veículo, impactem somente em uma ou em parte das ECU’ s.

Facilita a criação do software de aplicação de cada ECU, visto que possibilita a sua modularização e distribuição de responsabilidade entre elas.

Possibilita a modularização do projeto do sistema e da execução dos testes de validação, aumentando a confiabilidade da implementação e reduzindo os prazos envolvidos no desenvolvimento.

Como desvantagens podemos destacar:

Obriga a utilização de um meio de comunicação entre as ECU’ s, meio este comumente chamado de Protocolo de Comunicação.

Implica na existência de um software de controle para a rede de comunicação que interliga as ECU’ s, cuja dificuldade de desenvolvimento depende diretamente da escolha do protocolo de comunicação.

Difícil determinação da taxa de transmissão ideal para uma dada aplicação, o que impacta diretamente nos tempos internos do software de controle e na escolha dos componentes eletrônicos a serem utilizados no projeto das ECU’ s.

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Explicadas as vantagens e desvantagens fundamentais dos dois conceitos de arquitetura normalmente utilizados, devemos acrescentar que a decisão da escolha de uma delas para dada aplicação móvel, depende da ponderação de diversos fatores. Dentre eles podemos destacar:

A complexidade do sistema a ser controlado (quantidade de variáveis de entrada e saída e o tamanho físico do sistema).

A disponibilidade dos componentes eletrônicos requeridos à montagem das ECU’s e à medição e atuação no sistema.

A robustez, mecânica (como às vibrações) e elétrica (como as interferências eletromagnéticas), requerida pelo sistema a ser controlado.

O tempo necessário à implantação da arquitetura (projeto, construção de protótipos e validação).

O custo desejado do sistema final (limitações inerentes ao orçamento).

O relacionamento entre os fatores anteriormente colocados, considerando-se uma determinada aplicação móvel, é que determinará o conceito da arquitetura mais apropriado ao sistema a ser controlado. Tal desafio é enfrentado quase que diariamente pelas empresas montadoras de veículos.

Uma das maiores dificuldades da engenharia de produtos de uma Montadora é determinar a arquitetura elétrica de um novo modelo, garantindo o mínimo de funções desejadas pelos futuros clientes, dentro dos limites de custo de projeto e produto final determinados pela empresa.

Normalmente, os produtos têm seu desenvolvimento iniciado com três ou quatro anos de antecedência ao seu lançamento, o que dificulta ainda mais a tomada de decisão sobre qual seria a melhor solução de engenharia para determinado projeto. Tal trabalho precisa relacionar as visões de Engenharia Avançada (tecnologia), Marketing Estratégico (mercado) e Político-Econômico (orçamento) da região a que se destina o produto.

Analisando friamente cada um dos conceitos de arquitetura apresentados, não só do ponto de vista da evolução da tecnologia, mas também das possibilidades futuras de expansão de funções com o mínimo de alteração no sistema de controle do veículo como um todo, podemos considerar a Arquitetura Distribuída a mais interessante.

Diante deste posicionamento, faz-se necessária a utilização de um protocolo de comunicação que permita a interconexão das ECU’ s e a troca dos dados pertinentes a cada uma das funções controladas pelo sistema. Nesta linha de raciocínio, dentre os diversos protocolos de comunicação existentes, os de comunicação serial mostram-se tecnicamente mais adequados e, mais adiante, dentro dessa classe de protocolos, o CAN (Controller Área Network) tem grande destaque.

5.15.2 Conceituação Básica

O CAN Bus (ou Barramento Controller Área Network) foi desenvolvido pela empresa alemã Robert BOSCH e disponibilizado em meados dos anos 80. Sua aplicação inicial foi realizada em ônibus e caminhões. Atualmente, é utilizado na indústria, em veículos automotivos, navios, tratores, entre outros.

O CAN é um protocolo de comunicação serial síncrono. O sincronismo entre os módulos conectados a rede é feito em relação ao início de cada mensagem lançada ao barramento (evento que ocorre em intervalos de tempo conhecidos e regulares).

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Trabalha baseado no conceito multi-mestre, onde todos os módulos podem se tornar mestre em determinado momento e escravo em outro, além de suas mensagens serem enviadas em regime multicast, caracterizado pelo envio de toda e qualquer mensagem para todos os módulos existentes na rede.

Outro ponto forte deste protocolo é o fato de ser fundamentado no conceito CSMA/CD with NDA (Carrier Sense Multiple Acess / Collision Detection with Non-Destructive Arbitration). Isso significa que todos os módulos verificam o estado do barramento, analisando se outro módulo está ou não enviando mensagens com maior prioridade. Caso isso seja percebido, o módulo cuja mensagem tiver menor prioridade cessará sua transmissão e o de maior prioridade continuará enviando sua mensagem deste ponto, sem ter que reiniciá-la.

Outro conceito bastante interessante é NRZ (Non Return Zero), onde cada bit (0 ou 1) é transmitido por um valor de tensão específico constante.

A velocidade de transmissão dos dados é inversamente proporcional ao comprimento do barramento. A maior taxa de transmissão especificada é de 1 Mbps considerando-se um barramento de 40 metros.

Considerando-se fios elétricos como o meio de transmissão dos dados, há três formas de se constituir um barramento CAN, dependentes diretamente da quantidade de fios utilizada. Existem redes baseadas em 1, 2 e 4 fios. As redes com 2 e 4 fios trabalham com os sinais de dados CAN_H (CAN High) e CAN_L (CAN Low). No caso dos barramentos com 4 fios, além dos sinais de dados, um fio com o VCC (alimentação) e outro com o GND (referência) fazem parte do barramento, levando a alimentação às duas terminações ativas da rede. As redes com apenas 1 fio têm esse, o fio de dados, chamado exclusivamente de linha CAN.

Considerando o CAN fundamentado em 2 e 4 fios, seus condutores elétricos devem ser trançados e não blindados. Os dados enviados através da rede devem ser interpretados pela análise da diferença de potencial entre os fios CAN_H e CAN_L. Por isso, o barramento CAN é classificado como Par Trançado Diferencial.Este conceito atenua fortemente os efeitos causados por interferências eletromagnéticas, uma vez que qualquer ação sobre um dos fios será sentida também pelo outro, causando flutuação em ambos os sinais para o mesmo sentido e com a mesma intensidade. Como o que vale para os módulos que recebem as mensagens é a diferença de potencial entre os condutores CAN_H e CAN_L (e esta permanecerá inalterada), a comunicação não é prejudicada.

No CAN, os dados são representados por bits em nível “0” ou nível “1”. São representados por bits Dominantes e bits Recessivos, criados em função da condição presente nos fios CAN_H e CAN_L.

Como mencionado no início, todos os módulos podem ser mestre e enviar suas mensagens. Para tanto, o protocolo é suficientemente robusto para evitar a colisão entre mensagens, utilizando-se de uma arbitragem bit a bit não destrutiva. Podemos exemplificar essa situação, analisando o comportamento de dois módulos enviando, ao mesmo tempo, mensagens diferentes. Após enviar um bit, cada módulo analisa o barramento e verifica se o outro módulo na rede o sobrescreveu (vale acrescentar que um bit Dominante sobrescreve eletricamente um Recessivo). Um módulo interromperá imediatamente sua transmissão, caso perceba que existe outro módulo transmitindo uma mensagem com prioridade maior (quando seu bit recessivo é sobrescrito por um dominante). Esse módulo, com maior prioridade, continuará normalmente sua transmissão.

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5.15.3 Formato das mensagens

Existem dois formatos de mensagens no protocolo CAN:

CAN 2.0A – Mensagens com identificador de 11 bits. É possível ter até 2048 mensagens em uma rede constituída sob este formato, o que pode caracterizar uma limitação em determinadas aplicações.

CAN 2.0B – Mensagens com identificador de 29 bits. É possível ter, aproximadamente, 537 milhões de mensagens em uma rede constituída sob este formato. Percebe-se que a limitação em virtude da quantidade de mensagens não mais existe. Por outro lado, o que pode ser observado am alguns casos é que, os 18 bits adicionais no identificador aumentam o tempo de transmissão de cada mensagem, o que pode caracterizar um problema em determinadas aplicações que trabalhem em tempo real (problema conhecido como overhead

5.15.4 Padrões existentes

Os fundamentos do CAN são especificados por duas normas: a ISO 11898 e a ISO 11519-2. A primeira, ISO 11898, determina as características de uma rede trabalhando com alta velocidade de transmissão de dados (de 125 Kbps a 1 Mbps). A segunda, ISO 11519-2, determina as características de uma rede trabalhando com baixa velocidade (de 10 Kbps a 125 Kbps).

Ambos os padrões especificam as camadas Física e de Dados, respectivamente 1 e 2, se considerando o padrão de comunicação OSI de 7 camadas (ISO7498). As demais camadas, de 3 à 7, são especificadas por padrões fundamentados no CAN, dentre os quais podemos destacar:

NMEA 2000: Baseado no CAN 2.0B é utilizado em aplicações navais e áreas.

SAE J1939: Baseado no CAN 2.0B é usado em aplicações automotivas, especialmente ônibus e caminhões.

DIN 9684 – LBS: Baseado no CAN 2.0A e empregado em aplicações agrícolas.

ISO 11783: Baseado no CAN 2.0B é também utilizado em aplicações agrícolas.

Esses padrões especificam o equivalente às camadas de Rede (3), Transporte (4), Sessão (5), Apresentação (6) e Aplicação (7), do padrão OSI, incluindo-se as mensagens pertinentes ao dicionário de dados de cada aplicação em especial.

5.15.5 Detecção de falhas

Algumas das maiores vantagens do CAN é a sua robustez e a capacidade de se adaptar às condições de falha, temporárias e / ou permanentes. Podemos classificar as falhas de uma rede CAN em três categorias ou níveis: Nível de Bit, Nível de Mensagem e Nível Físico.

Nível de Bit – Possui dois tipos de erro possíveis:

Bit Monitoring: Após a escrita de um bit dominante, o módulo transmissor verifica o estado do barramento. Se o bit for recessivo, significará que existe um erro no barramento.

Bit Stuffing: Apenas cinco bits consecutivos podem ter o mesmo valor (dominante ou recessivo). Caso seja necessário transmitir seqüencialmente seis ou mais bits de mesmo valor, o módulo transmissor inserirá, imediatamente após cada grupo de cinco bits consecutivos iguais, um bit de valor contrário. O módulo receptor ficará encarregado de, durante a leitura, retirar esse

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bit, chamado de Stuff Bit. Caso uma mensagem seja recebida com pelo menos seis bits consecutivos iguais, algo de errado terá ocorrido no barramento.

Nível de Mensagem - São três os tipos de erros possíveis:

CRC ou Cyclic Redundancy Check: Funciona como um checksum. O módulo transmissor calcula um valor em função dos bits da mensagem e o transmite juntamente com ela. Os módulos receptores recalculam este CRC e verificam se ele é igual ao transmitido com a mensagem.

Frame Check: Os módulos receptores analisam o conteúdo de alguns bits da mensagem recebida. Esses bits (seus valores) não mudam de mensagem para mensagem e são determinados pelo padrão CAN.

Acknowledgment Error Check: Os módulos receptores respondem a cada mensagem íntegra recebida, escrevendo um bit dominante no campo ACK de uma mensagem resposta que é enviada ao módulo transmissor. Caso essa mensagem resposta não seja recebida (pelo transmissor original da mensagem), significará que, ou a mensagem de dados transmitida estava corrompida, ou nenhum módulo a recebeu.

Toda e qualquer falha acima mencionada, quando detectada por um ou mais módulos receptores, fará com estes coloquem uma mensagem de erro no barramento, avisando toda a rede de que aquela mensagem continha um erro e que o transmissor deverá reenviá-la.

Além disso, a cada mensagem erroneamente transmitida ou recebida, um contador de erros é incrementado em uma unidade nos módulos receptores, e em oito unidades do transmissor. Módulos com esses contadores iguais a zero são considerados Normais. Para os casos em que os contadores contêm valores entre 1 e 127, os módulos são considerados Error Active. Contadores contendo valores entre 128 e 255 colocam os módulos em condição de Error Passive. Finalmente, para contadores contendo valores superiores a 255, os módulos serão considerados em Bus Off e passarão a não mais atuar no barramento. Esses contadores também são decrementados à medida que mensagens corretas são recebidas, o que reduz o grau de incerteza em relação à atividade dos módulos ora com contadores contendo valores diferentes de zero e possibilita novamente a plena participação deles no barramento.

Nível Físico – Para os barramentos com 2 e 4 fios, caso algo de errado venha a ocorrer com os fios de dados CAN_H e CAN_L, a rede continuará operando sob uma espécie de modo de segurança. Seguem abaixo algumas das condições de falhas nas linhas de comunicação que permitem a continuidade das atividades da rede:

Curto do CAN_H (ou CAN_L) para GND (ou VCC);

Curto entre os fios de dados CAN_H e CAN_L;

Ruptura do CAN_H (ou CAN_L);

5.15.6 Aspectos de Implementação: Dicionário de Dados

É a parte dedicada à aplicação quando se trabalha com um protocolo como o CAN. O Dicionário de Dados (ou Data Dictionary) é o conjunto de mensagens que podem ser transmitidas naquela determinada rede.

A forma mais interessante de se organizar um dicionário de dados é criando uma matriz com todos os módulos da rede. Essa matriz mostrará cada mensagem sob a responsabilidade de cada módulo, relacionando quem a transmite e quem a recebe. Outros dados importantes nessa matriz são: o tempo de atualização dos valores das mensagens, o intervalo de transmissão da

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mesma e o valor relativo ao seu identificador. Além dessa matriz, a documentação referente ao Dicionário de Dados deverá conter uma descrição detalhada de cada mensagem, bit a bit.

O Dicionário de Dados é implementado numa rede CAN via software e deverá ser o mesmo (ter a mesma versão de atualização, inclusive) em todos os módulos conectados à rede. Isso garantirá total compatibilidade entre os participantes do barramento.

5.15.7 Aspectos de Implementação: Exemplo de Rede

Uma rede CAN, dependendo da sua aplicação, poderá ter até centenas de módulos conectados. O valor máximo para a conexão de módulos em um barramento depende da norma que se utiliza na dada aplicação.

Toda rede CAN possui 2 Terminadores. Esses terminadores nada mais são do que resistores com valores entre 120 e 124 ohms, conectados à rede para garantir a perfeita propagação dos sinais elétricos pelos fios da mesma. Esses resistores, um em cada ponta da rede, garantem a reflexão dos sinais no barramento e o correto funcionamento da rede CAN.

Outra característica de determinadas aplicações fundamentadas no CAN é que estas poderão ter duas ou mais sub-redes trabalhando, cada qual, em uma velocidade diferente. Os dados são transferidos de uma sub-rede para a outra através de módulos que atuam nas duas sub-redes. Esses módulos são chamados de Gateways.

5.15.8 Aspectos de Implementação: Montagem da Rede

Barramento é o termo técnico que representa os condutores elétricos das linhas de comunicação e a forma como eles são montados. Apesar de parecer simples, o ato de interligar os módulos requer bastante atenção.

Sobre o cabeamento necessário, considerando-se uma aplicação CAN de dois fios, deve-se utilizar par trançado onde a secção transversal de cada um dos fios deve ser de no mínimo 0,35 mm².

As duas terminações (resistores de aproximadamente 120 ohms), do ponto de vista teórico, podem ser instaladas nas extremidades do chicote, diretamente nos fios de dados CAN_H e CAN_L. Do ponto de vista prático, isso é extremamente complexo. O que deve ser feito é adicionar as terminações nas duas ECUs (Unidades Eletrônicas de Controle) conectadas aos extremos da rede. Se as ECUs forem montadas dependendo dos opcionais do veículo, deve-se procurar instalar as terminações nas ECUs que sempre estarão presentes nele (veículo). As terminações são mandatórias numa rede CAN.

No momento de se projetar o roteamento do barramento, algumas regras em relação ao comprimento dos chicotes devem ser observadas. O sincronismo das operações ECUs no CAN é fundamentado no tempo de propagação física das mensagens no barramento. Assim, a relação do comprimento de determinados intervalos do chicote no barramento são fundamentais ao bom funcionamento da rede.

Destacamos que, após o barramento ser montado, caso seja necessário qualquer trabalho no mesmo, é aconselhável a troca do chicote elétrico danificado. Emendas poderão alterar a impedância característica da rede e com isso afetar o seu funcionamento.

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5.16 SAFETY BUS P (REDE VOLTADA À SEGURANÇA)

O SafetyBus p é um sistema de bus seguro e aberto destinado à transmissão serial de dados relacionados com a segurança, resultado da cooperação entre várias empresas fornecedoras de equipamentos contra acidentes na indústria, que já está há três anos no mercado. A principal característica é a segurança, sendo este o ponto que marca a diferença entre o SafetyBus p e os outros sistemas de bus utilizados em automação. Ao mesmo tempo, a integração das funções de segurança proporciona ao usuário as mesmas vantagens oferecidas por parte dos conhecidos sistemas de fieldbus para a produção, por exemplo: maior flexibilidade, menor investimento em instalação elétrica, e diagnósticos integrados.

O seu objetivo é atuar como uma rede de comunicação segura para a transmissão de dados na união de vários CLPs de segurança, ou com outros componentes de segurança (emergência, portas, cortinas de luz, etc.) com aprovação na categoria de risco 4 (EM 954-1) e classe 6 na norma DIN V 1920.

No caso do SafetyBus p, trata-se de um sistema multi-master com topologia de bus linear com base no conhecido e comprovado sistema de bus CA. Relativamente ao SafetyBus p foram focados três objetivos elementares:

Descentralização dos comandos de segurança PSS através de módulos I/O descentralizados;

Ligação direta de sensores de segurança e atuadores ao;

Acoplamentos relacionados com a segurança nos diversos comandos de segurança.

Todos estes três objetivos podem ser realizados em uma única rede. Por exemplo, os botões de PARADA DE EMERGÊNCIA ou os contatos das portas de segurança são normalmente ligados através de módulos I/O descentralizados, enquanto que os mais complexos módulos de campos, tais como proteções foto-elétricas, scanners ou robôs, podem ser ligados diretamente ao SafetyBus p. Um ou mais comandos de segurança acoplados ao SafetyBus p assume o processamento dos dados. O seu protocolo aberto do é a garantia de compatibilidade com uma ampla gama de módulos de campo de diferentes fabricantes.

5.16.1 Características

O SafetyBus p trabalha em função das ocorrências, ou seja, as mensagens só são enviadas se o estado do I/O centralizado/descentralizado, ou dos participantes do bus, tiver sido alterado. Devido a isto, ele é especialmente adequado para a integração de instalações com diferentes freqüências de mensagens e com elevados requisitos em relação aos tempos de resposta.

Devido à alta taxa de transferência de dados (até 500 kbit/s) ele também pode gerenciar funções relativamente a aplicações com tempo crítico como, por exemplo, a realização de funções associadas a sistemas foto-elétricos (cortina de luz). O ramo principal pode ter um comprimento máximo de cabo de 3500m. Por outro lado, graças à aplicação de componentes de rede da família SafetyBus p é possível fazer a segmentação das redes individuais, bem como realizar um acoplamento relacionado com a segurança entre as mesmas.

Para isso podem ser usadas cablagens de cobre convencionais ou então fibra óptica (LWL). Através dos módulos I/O descentralizados podem ser monitorados dispositivos de

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entrada (por exemplo, PARADAS DE EMERGÊNCIA, portas de segurança ou comandos bimanuais), bem como atuadores externos (por exemplo, contatores).

5.16.2 Configuração do Sistema Pilz SafetyBus p

Topologia Multi-master (CLPs de segurança), rede linear para até 64 participantes com até 1.008 Entradas/ Saídas de segurança, distâncias de até 500 metros, taxa de transmissão de até 500 Kbits/s e configuração tipo “plug & play”.

5.16.3 Vantagens

Menor investimento em cablagem devido à descentralização;

Maior disponibilidade graças à criação de grupos I/O;

Ampla gama de aplicações no caso de componentes de segurança até a categoria 4 (inclusive), segundo a norma EM 954-1;

Tempos de resposta curtos devido à transmissão em função da ocorrência;

Redução dos tempos de parada graças ao sistema de diagnóstico de fácil compreensão;

Compatibilidade com todos os outros sistemas Standard de fieldbus.

5.16.4 Segurança

Um sistema de bus seguro também deve poder garantir a segurança. Por isso, na qualidade de sistema bus seguro e aberto, o SafetyBus p dispõe das seguintes homologações:

Homologação através de órgãos certificadores até a Categoria 4 (inclusive) segundo a norma EN954-1;

Homologação através do TÜV (entidade alemã de supervisão tecnológica) para AK 6, segundo a norma DIN V 19 250;

Robustas propriedades físicas de transmissão, assegurando uma ausência de interferências devidas a efeitos eletromagnéticos.

5.16.5 Disponibilidade

Por meio do SafetyBus p podem ser comandados – através de um só bus de segurança- todos os dados relacionados com a segurança de uma completa instalação.

Setores individuais funcionalmente interdependentes podem ser atribuídos a diversos grupos I/O. No total, podem ser constituídos até 32 grupos I/O;

Em caso de uma falha, apenas o respectivo grupo entra em estado de interrupção, enquanto que os demais setores de instalação continuam operando.

Como resultado final, a disponibilidade da instalação fica aumentada.

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5.16.6 Rentabilidade

O SafetyBus p torna rentáveis as aplicações de segurança técnica.

Através do sistema bus todos os dados diagnóstico existentes no campo podem ser transmitidos para o comando de segurança, sendo aí processados. Desta forma, consegue-se obter numa estação de comando uma visualização completa do estado da rede.

5.16.7 Compatibilidade

Pode realizar troca de dados com todos os outros sistemas fieldbus Standard.

5.16.8 O SafetyBus p na prática

Processamento de madeira:

Controla centros de processamento de madeira com uma extensão de até 250m. A sua vantagem: grande economia na instalação elétrica.

Aeroportos:

Controla esteiras de transporte de bagagem e aeroportos. A sua vantagem: as possibilidades de diagnóstico conduzem a uma taxa de disponibilidade do equipamento da ordem de 99,9%.

Institutos de pesquisa:

Garante um desligamento seguro do anel de armazenamento. A sua vantagem devido à menor instalação elétrica: é possível controlar mais dispositivos de segurança.

Prensas:

É utilizado na produção em larga escala de peças para a indústria automobilística. A sua vantagem: mais segurança e mais flexibilidade. Torna-se fácil implementar ampliações e alterações específicas segundo as exigências do cliente.

Comanda linhas de prensagem hidráulicas.

Suas vantagens:

Os blocos de software (certificados) para aplicações de prensas asseguram uma entrada em operação rápida e segura.

Clara separando entre o sistema bus seguro e ajustado à aplicação, e a possibilidade de isolar determinadas prensas da rede.

Fábricas de blocos de concreto:

Controla equipamentos moderníssimos empregados na fabricação de blocos de concreto. A sua vantagem: possibilidade de realizar trabalhos de manutenção, mesmo durante o funcionamento devido a uma parada do equipamento limitada ao nível local.

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Indústria siderúgica:

Em instalações siderúgicas de ferro e aço, ele controla os circuitos de parada de emergência e as portas de segurança de máquinas de corte. As suas vantagens: montagem fácil e detecção de falhas e avaliação confiáveis.

Teleféricos e transportes coletivos em regiões de neve:

O SafetyBus p atende as normas mais exigentes dos teleféricos e transportes coletivos em regiões de neve.

Suas vantagens:

Atende todas as necessidades de aplicação, tais como distensão espacial, número de passageiros e integração no sistema de automação local.

Consegue fazer face a requisitos especiais como, por exemplo, percorrer as grandes distâncias entra a estação superior e a estação inferior.

Máquinas de empacotamento:

É usado em processos de enchimento e empacotamento.

A sua vantagem: as máquinas e acessórios provenientes de diferentes fabricantes podem ser colocados sob um conceito de segurança comum.

Produção de materiais fibrosos:

Comanda máquinas para a produção de produtos higiênicos. A sua vantagem: a experiência acumulada durante muitos anos pela Pilz com a SafetyBus p no domínio da automação segura e soluções rentáveis.

Produção automobilística:

Comanda processos de produção preliminares.

Suas vantagens:

Ganho de produtividade através de uma detecção e solução de falhas mais rápida;

A forte eliminação de instalação elétrica convencional permite realizar significativas economias na expansão e utilização das instalações.

5.16.9 Dados Técnicos

O SafetyBus p é um sistema de fieldbus seguro para redes de aplicação descentralizadas relacionadas com a segurança:

Concebido para EM 954-1, 11/94 até Cat. 4 e DIN V 19250, 01/89 até AK6;

Bus multi-master, com base em CAN;

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Máx. 64 participantes;

Máx. 1008 entradas/saídas;

Topologia de bus linear;

Composição flexível de grupos, com até 32 grupos;

Transferência de dados comandada pelas ocorrências;

Controle permanente da ligação, comandada temporalmente;

A taxa de transferência (dependendo do comprimento da instalação elétrica) é da ordem de:

20 Kbits/s com 3500m de comprimento da instalação elétrica

50 Kbits/s com 1400m de comprimento da instalação elétrica

125 Kbits/s com 500m de comprimento da instalação elétrica

250 Kbits/s com 250m de comprimento da instalação elétrica

500 Kbits/s com 100m de comprimento da instalação elétrica.

Para ligações ponto-a-ponto podem ser usados também fotocondutores (LWL) como meio de transporte bus;

Utilização de elementos de software já existentes.

5.17 FIELDBUS FOUNDATION

5.17.1 Considerações Iniciais

A instalação e manutenção de sistemas de controle tradicionais implicam em altos custos principalmente quando se deseja ampliar uma aplicação onde são requeridos além dos custos de projeto e equipamento, custos com cabeamento destes equipamentos à unidade central de controle.

De forma a minimizar estes custos e aumentar a operacionalidade de uma aplicação introduziu-se o conceito de rede para interligar os vários equipamentos de uma aplicação. A utilização de redes em aplicações industriais prevê um significativo avanço nas seguintes áreas:

Custos de instalação

Procedimentos de manutenção

Opções de upgrades

Informação de controle de qualidade

A opção pela implementação de sistemas de controle baseados em redes, requer um estudo para determinar qual o tipo de rede que possui as maiores vantagens de implementação ao usuário final, que deve buscar uma plataforma de aplicação compatível com o maior número de equipamentos possíveis.

Surge daí a opção pela utilização de arquiteturas de sistemas abertos que, ao contrário das arquiteturas proprietárias onde apenas um fabricante lança produtos compatíveis com a sua própria arquitetura de rede, o usuário pode encontrar em mais de um fabricante a solução para os seus problemas. Além disso, muitas redes abertas possuem organizações de usuários que podem

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fornecer informações e possibilitar trocas de experiências a respeito dos diversos problemas de funcionamento de uma rede.

Redes industriais são padronizadas sobre 3 níveis de hierarquias cada qual responsável pela conexão de diferentes tipos de equipamentos com suas próprias características de informação (ver figura 5.43).

O nível mais alto, nível de informação da rede, é destinado a um computador central que processa o escalonamento da produção da planta e permite operações de monitoramento estatístico da planta sendo imlpementado, geralmente, por softwares gerenciais (MIS). O padrão Ethernet operando com o protocolo TCP/IP é o mais comumente utilizado neste nível.

Figura 5.43. Níveis de redes industriais.

O nível intermediário, nível de controle da rede, é a rede central localizada na planta incorporando PLCs, DCSc e PCs. A informação deve trafegar neste nível em tempo real para garantir a atualização dos dados nos softwares que realizam a supervisão da aplicação.

O nível mais baixo, nível de controle discreto, se refere geralmente às ligações físicas da rede ou o nível de I/O. Este nível de rede conecta os equipamentos de baixo nível entre as partes físicas e de controle. Neste nível encontram-se os sensores discretos, contatores e blocos de I/O.

As redes de equipamentos são classificadas pelo tipo de equipamento conectado a elas e o tipo de dados que trafega pela rede. Os dados podem ser bits, bytes ou blocos. As redes com dados em formato de bits transmitem sinais discretos contendo simples condições ON/OFF. As redes com dados no formato de byte podem conter pacotes de informações discretas e/ou analógicas e as redes com dados em formato de bloco são capazes de transmitir pacotes de informação de tamanhos variáveis.

Assim, classificam-se as redes quanto ao tipo de rede de equipamento e os dados que ela transporta como (ver figura 5.44):

rede sensorbus - dados no formato de bits

rede devicebus - dados no formato de bytes

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rede fieldbus - dados no formato de pacotes de mensagens

Figura 5.44. Classificação das redes.

A rede sensorbus conecta equipamentos simples e pequenos diretamente à rede. Os equipamentos deste tipo de rede necessitam de comunicação rápida em níveis discretos e são tipicamente sensores e atuadores de baixo custo. Estas redes não almejam cobrir grandes distâncias, sua principal preocupação é manter os custos de conexão tão baixos quanto for possível. Exemplos típicos de rede sensorbus incluem Seriplex, ASI e INTERBUS Loop.

A rede devicebus preenche o espaço entre redes sensorbus e fieldbus e pode cobrir distâncias de até 500 m. Os equipamentos conectados a esta rede terão mais pontos discretos, alguns dados analógicos ou uma mistura de ambos. Além disso, algumas destas redes permitem a transferência de blocos em uma menor prioridade comparado aos dados no formato de bytes. Esta rede tem os mesmos requisitos de transferência rápida de dados da rede de sensorbus, mas consegue gerenciar mais equipamentos e dados. Alguns exemplos de redes deste tipo são DeviceNet, Smart Distributed System (SDS), Profibus DP, LONWorks e INTERBUS-S.

A rede fieldbus interliga os equipamentos de I/O mais inteligentes e pode cobrir distâncias maiores. Os equipamentos acoplados à rede possuem inteligência para desempenhar funções específicas de controle tais como loops PID, controle de fluxo de informações e processos. Os tempos de transferência podem ser longos mas a rede deve ser capaz de comunicar-se por vários tipos de dados (discreto, analógico, parâmetros, programas e informações do usuário). Exemplo de redes fieldbus incluem IEC/ISA SP50, Fieldbus Foundation, Profibus PA e HART.

5.17.2 Definições

FIELDBUS é um sistema de comunicação digital bidirecional (figura 5.45) que permite a interligação em rede de múltiplos instrumentos diretamente no campo realizando funções de

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controle e monitoração de processo e estações de operação (IHM) através de softwares supervisórios.

Figura 5.45. Comunicação digital bidirecional.

5.17.3 Níveis de Protocolo

O protocolo FIELDBUS foi desenvolvido baseado no padrão ISO/OSI embora não contenha todos os seus níveis, podemos em primeira análise dividi-lo em nível físico (“Physical Layer” - que trata das técnicas de interligação dos instrumentos) e níveis de software (“Communication Stack”) que tratam da comunicação digital entre os equipamentos (Figura 5.46).

Figura 5.46. Níveis de protocolos.

5.17.4 Níveis de Software

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5.17.4.1 Nível de Enlace (Data Link Layer)

O nível de enlace garante a integridade da mensagem através de dois bytes calculados através de um polinômio aplicado a todos os bytes da mensagem e que é acrescentado no final da mesma. Este nível controla também o acesso ao meio de transmissão, determinando quem pode transmitir e quando. O nível de enlace garante que os dados cheguem ao equipamento correto.

Características Técnicas:

1- Acesso ao meio

Existem três formas para acessar a rede:

a) Passagem de Token: O Token é o modo direto de iniciar uma transição no barramento. Quando termina de enviar as mensagens, o equipamento retorna o "Token" para o LAS (Link Active Scheduler). O LAS transmite o "Token" para o equipamento que requisitou, via preconfiguração ou via escalonamento.

b) Resposta Imediata: o mestre dará uma oportunidade para uma estação responder com uma mensagem.

c) Requisição de "Token": um equipamento requisita um Token usando um código em alguma das respostas que ele transmitiu para o barramento. O LAS recebe esta requisição e envia um "Token" para o equipamento quando houver tempo disponível nas fases aperiódicas do escalonamento.

2- Modelo Produtor/Consumidor:

Um equipamento pode produzir ou consumir variáveis que são transmitidas através da rede usando o modelo de acesso à rede de resposta imediata. O produtor coloca as variáveis em Buffers e qualquer estação pode acessar estes dados. Com apenas uma transação, dados podem ser transmitidos para todos os equipamentos que necessitam destes dados. Este modelo é o modo mais eficiente para transferência de dados entre vários usuários. Um controlador consome a variável de processo produzida pelo sensor, e produz a saída consumida pelo atuador.

3- Escalonamento para suportar aplicações de tempo crítico:

O LAS coordenará o tempo necessário para cada transação na rede, garantindo o período de troca de dados.

4- Sincronização do Tempo:

Existe um mecanismo para garantir uma referência de tempo da rede para conseguir sincronização do barramento e atividades de processo.

5- Endereçamento:

Pode ser usado para endereçar um grupo de estações, uma estação ou até uma variável. Este endereçamento permite uma otimização do acesso às mensagens.

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6- Passagem do Token num anel lógico:

Este método é usado pelo Profibus e pelo ISP para acessar a rede. Ele pode ser simulado, mas não com a mesma eficiência, pelo uso da atual definição do nível de enlace do SP50.

5.17.4.2 Nível de Aplicação (Application Layer)

O nível de aplicação fornece uma interface para o software aplicativo do equipamento. Basicamente este nível define como ler, escrever ou disparar uma tarefa em uma estação remota. A principal tarefa é a definição de uma sintaxe para as mensagens.

Ele também define o modo pelo qual a mensagem deve ser transmitida: ciclicamente, imediatamente, somente uma vez ou quando requisitado pelo consumidor.

O gerenciamento define como inicializar a rede: atribuição do Tag, atribuição do endereço, sincronização do tempo, escalonamento das transações na rede ou conexão dos parâmetros de entrada e saída dos blocos funcionais.

Ele também controla a operação da rede com levantamento estatístico de deteção de falhas e de adição de um novo elemento ou remoção de uma estação. O gerenciamento monitora continuamente o barramento para identificar a adição de novas estações.

5.17.4.3 Nível do Usuário (User Layer)

Define o modo para acessar a informação dentro de equipamentos FIELDBUS e de que forma esta informação pode ser distribuída para outros equipamentos no mesmo nó ou, eventualmente em outros nós da rede FIELDBUS. Este atributo é fundamental para aplicações em controle de processo. A base para arquitetura de um equipamento FIELDBUS são os blocos funcionais, os quais executam às tarefas necessárias as aplicações existentes hoje, tais como: aquisição de dados, controle PID, cálculos e atuação. Todo bloco funcional contém um algoritmo, uma base de dados (entradas e saídas) e um nome definido pelo usuário (o Tag do bloco, deve ser único na planta do usuário). Os parâmetros do bloco funcional são endereçados no FIELDBUS via TAG.PARAMETER-NAME. Um equipamento FIELDBUS conterá um número definido de blocos funcionais. A base de dados pode ser acessada via comunicação.

A Norma ANSI/ISA-S50.02-1992, aprovada em 17 de Maio de 1994 - “Fieldbus Standard for Use in Industrial Control Systems Part 2: Physical Layer Specification and Service Definition” trata do meio físico para a realização das interligações. Os principais ítens são:

transmissão de dados somente digital

self-clocking

comunicação bi-direcional

código Manchester

modulação de voltagem (acoplamento paralelo)

velocidades de transmissão de 31,25 kb/s, 100 Mb/s

barramento sem energia, não intrinsecamente seguro

barramento com energia, não intrinsecamente seguro

barramento sem energia, intrinsecamente seguro

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barramento com energia, intrinsecamente seguro

No nível de instrumentos ligados aos barramentos de campo, a velocidade normalizada é 31,25 kb/s, as outras velocidades deverão ser utilizadas para a interligação de “bridges” e “gateways” para a conexão em alta velocidade destes dispositivos (figura 5.47).

Figura 5.47. Utilização de Bridges.

Na velocidade de 31,25 kb/s a norma determina, dentre outras, as seguintes regras:

a) um instrumento FIELDBUS deve ser capaz de se comunicar entre os seguintes números de equipamentos:

Entre 2 e 32 instrumentos numa ligação sem segurança intríseca e alimentação separada da fiação de comunicação;

Entre 2 a 6 instrumentos alimentados pela mesma fiação de comunicação numa ligação com segurança intrínseca;

Entre 1 e 12 instrumentos alimentados pela mesma fiação de comunicação numa ligação sem segurança intrínseca.

Obs.: Esta regra não impede a ligação de mais instrumentos do que o especificado, estes números foram alcançados levando-se em consideração o consumo de 9 mA +/- 1 mA, com tensão de alimentação de 24 VDC e barreiras de segurança intrínseca com 11 a 21 VDC de saída e 60 mA máximos de corrente para os instrumentos localizados na área perigosa.

b) um barramento carregado com o número máximo de instrumentos na velocidade de 31,25 kb/s não deve ter entre quaisquer dois equipamentos o comprimento maior que 1.900 m (incluindo as derivações);

Obs: esta regra não impede o uso de comprimentos maiores desde que sejam respeitadas as características eletricas dos equipamentos.

c) o número máximo de repetidores para a regeneração da forma de onda entre dois intrumentos não pode exceder a 4 (quatro) (ver Figura 5.48);

d) um sistema FIELDBUS deve ser capaz de continuar operando enquanto um instrumento está sendo conectado ou desconectado;

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e) as falhas de qualquer elemento de comunicação ou derivação (com excessão de curtocircuito ou baixa impedância) não deverá prejudicar a comunicação por mais de 1 ms;

Figura 5.48. Distâncias máximas entre repetidores.

f) deve ser respeitada a polaridade em sistemas que utilizem pares trançados, seus condutores devem ser identificados e esta polarização deve ser mantida em todos os pontos de conexão;

g) para sistemas com meio físico redundante:

Cada canal deve atender as regras de configuração de redes;

Não deve existir um segmento não redundante entre dois segmentos redundantes;

Os repetidores também deverão ser redundantes;

Os números dos canais deverão ser mantidos no FIELDBUS, isto é, os canais do FIELDBUS devem ter os mesmos números dos canais físicos.

h) o “shield” dos cabos não deverá ser utilizado como condutor de energia.

5.17.5 Distribuição de Energia

A alimentação de equipamentos FIELDBUS pode ser feita opcionalmente através dos mesmos condutores de comunicação ou separadamente; um instrumento com alimentação separada pode ser conectado a um outro instrumento com alimentação e comunicação no mesmo par de fios.

Na sequência algumas especificações elétricas para sistemas FIELDBUS :

Um equipamento pode opcionalmente receber energia por condutores de sinal ou por condutores separados;

Um equipamento pode ser certificado como intrinsecamente seguro recebendo energia tanto pelos condutores de sinal quanto por condutores separados;

Um equipamento energizado separadamente pode ser conectado a um equipamento energizado pelo mesmo condutor de sinal.

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5.17.5.1 Características dos equipamentos energizados em rede para o modo de tensão de 31,25

kbit/s

TABELA 5.12

Características dos equipamentos energizados em rede

Limites para 31,25 kbit/s

Tensão de operação 9,0 a 32,0 V DC

Máxima tensão 35 V

Máxima taxa de mudança de corrente de repouso (não transmitindo); este requisito não é aplicado nos primeiros 10 ms após a conexão do equipamento em uma rede em operação ou nos primeiros 10 ms após a energinzação da rede.

1,0 mA/ms

Máxima corrente; este requisito é ajustado durante o intervalo de 100 s até 10 ms após a conexão do equipamento a uma rede em operação ou 100 s até 10 ms após a energização da rede.

Corrente de repouso mais 10 mA

Tabela 5.12. Características dos equipamentos energizados em rede.

5.17.5.2 Requisitos para a alimentação de redes para o modo de voltagem de 31,25 kbit/s

TABELA 5.13

Requisitos para a alimentação de redes Limites para 31,25 kbit/s

Voltagem de saída, não intrinsecamente seguro. 32 V DC

Voltagem de saída, intrinsecamente seguro (I.S.) Depende da faixa da barreira

Impedância de saída não intrinsecamente segura, medida dentro da faixa de frequência 0,25 fr à 1,25 fr

3 k

Impedância de saída, intrinsicamente segura, medida dentro da faixa de frequência 0,25 fr à 1,25 fr

400 k(A alimentação intrinsecamente segura inclui uma barreira intrinsecamente segura).

Tabela 5.13. Requisitos para a alimentação de redes

5.17.5.3 Fonte de Alimentação

Um equipamento FIELDBUS que inclui o modo de voltagem de 31,25 kbit/s será capaz de operar dentro de um intervalo de voltagem de 9 V à 32 V DC entre os dois condutores incluindo o ripple. O equipamento poderá ser submetido a máxima voltagem de 35 V DC sem causar danos.

NOTA: Para sistemas intrinsecamente seguros a voltagem de operação pode ser limitada pelos requisitos de certificação. Neste caso a fonte de energia estará localizada na área

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segura e sua voltagem de saída será atenuada por uma barreira de segurança ou um componente equivalente.

Um equipamento FIELDBUS que inclui o modo de voltagem de 31,25 kbit/s obedecerá os requisitos da norma ISA-S50.02 quando energizada por uma fonte com as seguintes especificações:

a) A tensão de saída da fonte de alimentação para redes não intrinsecamente seguras será no máximo de 32 V DC incluindo o ripple;

b) A impedância de saída da fonte de alimentação para redes não intrinsecamente

seguras será 3 kdentro da faixa de frequência 0,25 fr à 1,25 fr (7,8 kHz à 39 kHz). Este requisito não é aplicado dentro dos 10 ms da conexão nem na remoção de um equipamento do campo;

c) A impedância de saída de uma fonte de alimentação intrinsecamente segura será

400 Kdentro da faixa de frequência 0,25 fr à 1,25 fr (7,8 KHz à 39 KHz);

d) Os requisitos de isolação do circuito de sinal e do circuito de distribuição de energia em relação ao terra e entre ambos devem estar de acordo com a IEC 1158-2 (1993).

5.17.5.4 Energização Via Condutores de Sinal de Comunicação

Um equipamento FIELDBUS operando no modo de voltagem de 31,25 kbit/s é energizado pelos condutores de sinal, deve obedecer os requisitos da norma ISA-S50.02 quando estiver operando com níveis máximos de ripple e ruído da fonte de alimentação como segue:

a) 16 mV pico-a-pico dentro da faixa de frequência 0,25 ff à 1,25 fr (7,8 kHz à 39 kHz);

b) 2,0 V pico-a-pico dentro da faixa de frequência 47 Hz à 63 Hz para aplicações não intrinsecamente seguras;

c) 0,2 V pico-a-pico dentro da faixa de frequência 47 Hz à 625 Hz para aplicações intrinsecamente seguras;

d) 1,6 V pico-a-pico em frequências maiores que 125 fr, até o máximo de 25 MHz.

5.17.5.5 Isolação Elétrica

Todos os equipamentos FIELDBUS que usam fios condutores, seja na energização separada ou na energização através dos condutores de sinal de comunicação, deverão fornecer isolação para baixas frequências entre o terra, o cabo do barramento e o equipamento. Isto deve ser feito pela isolação de todo o equipamento do terra ou pelo uso de um transformador, opto-acoplador, ou qualquer outro componente isolador entre o “trunk” e o equipamento.

Uma fonte de alimentação combinada com um elemento de comunicação não necessitará de isolação elétrica.

Para cabos blindados, a impedância de isolação medida entre a blindagem do cabo FIELDBUS e o terra do equipamento FIELDBUS deverá ser maior que 250 kem todas as frequências abaixo de 63 Hz.

A máxima capacitância não balanceada para o terra de ambos terminais de entrada de um equipamento não deverá exceder 250 pF.

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Os requisitos de isolação do circuito de sinal de transmissão e do circuito de distribuição de energia em relação ao terra e entre ambos devem estar de acordo com a IEC 1158-2 (1993).

5.17.5.6 Especificação do Meio Condutor

5.17.5.6.1 Conectores

Conectores para os cabos, se utilizados, deverão seguir o padrão FIELDBUS IEC. Terminações no campo podem ser feitas diretamente nos terminais dos instrumentos ou através de conectores em caixas de terminação.

5.17.5.6.2 Cabos

De acordo com os requisitos da norma ISA-S50.02, o cabo utilizado para ligar equipamentos FIELDBUS com o modo de voltagem de 31,25 Kbit/s pode ser um simples par de fios trançados com a sua blindagem atendendo os seguintes requisitos mínimos (a 25 ºC):

a) Z0 em fr (31,25 kHz) = 100 20%;

b) Atenuação máxima em 1,25 fr (39 kHz) = 3.0 dB/Km;

c) Máxima capacitância não balanceada da blindagem = 2 nF/Km;

d) Resistência DC máxima (por condutor) = 22 /km;

e) Atraso máximo de propagação entre 0,25 fr e 1,25 fr = 1.7 s/km;

f) Área seccional do condutor (bitola) = nominal 0,8 mm2 (#18 AWG);

g) Cobertura mínima da blindagem deverá ser maior ou igual a 90%.

Observações:

Outros tipos de cabo para conformidade de testes podem ser utilizados. Cabos com especificações melhoradas podem habilitar barramentos com comprimentos maiores e/ou com imunidade superior à interferência. Reciprocamente, cabos com especificações inferiores podem provocar limitações de comprimento para ambos, barramentos (trunk) e derivações (spurs) mais a não conformidade com os requisitos RFI/EMI.

Para aplicações de segurança intrínseca, a razão indutância/resistência (L/R) deve ser menor que o limite especificado pela agência regulamentadora local.

5.17.5.6.3 Acopladores

O acoplador pode prover um ou muitos pontos de conexão para o barramento. Pode ser integrado ao equipamento FIELDBUS caso não haja nenhuma derivação. Caso contrário, deverá ter pelo menos 3 pontos de acesso como visto na figura 5.49: um para o spur e um para cada lado do trunk.

Um acoplador passivo deve conter qualquer um ou todos os elementos opcionais descritos abaixo:

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a) Um transformador para fornecer isolação galvânica e um transformador de impedância entre trunk e spur;

b) Conectores, para fornecer conexões fáceis de spur e/ou trunk;

c) Resistores de proteção como visto na figura abaixo, para proteger o barramento do tráfego entre outras estações dos efeitos de um spur em curto-circuito num trunk desenergizado, não intrinsecamente seguro.

Acopladores ativos, que requerem alimentações externas, podem conter componentes para amplificação do sinal e retransmissão.

Figura 5.49. Acoplador FIELDBUS.

5.17.5.6.4 Splices

Um splice é qualquer parte da rede na qual as características de impedância do cabo da rede não são preservadas. Isto é possivelmente oportuno para operação dos condutores de cabos, remoção da blindagem do cabo, troca do diâmetro do fio ou seu tipo, conexão à spurs, conexão em terminais nús, etc. Uma definição prática para splice é, portanto, qualquer parte da rede que não tem um comprimento contínuo de um meio condutor especificado.

Para redes que têm um comprimento total de cabos (trunk e spurs) maior que 400 m, a soma de todos os comprimentos de todos os splices não deve exceder 2,0 % do comprimento do cabo. Para comprimento de cabos de 400 m ou menos, a soma dos comprimentos de todos splices não deve exceder 8 m. O motivo para esta especificação é preservar a qualidade de transmissão requerendo que a rede seja construída quase totalmente com o meio condutor especificado.

A continuidade de todos os condutores do cabo devem ser mantidas em um splice.

5.17.5.6.5 Terminadores

Um terminador deve estar em ambas pontas do cabo de trunk, conectado de um condutor de sinal para o outro. Nenhuma conexão deve ser feita entre o terminador e a blindagem do cabo.

Pode-se ter o terminador implementado internamente à uma caixa de campo (Junction Box) como sugere a figura 5.50.

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Figura 5.50. Ligações internas de uma caixa de campo.

O valor da impedância do terminador deve ser 100 20% dentro da faixa de frequência 0,25 fr à 1,25 fr (7,8 KHz a 39 KHz). Este valor é aproximadamente o valor médio da impedância característica do cabo nas frequências de trabalho e é escolhido para minimizar as reflexões na linha de transmissão.

O vazamento de corrente direta pelo terminador não deve exceder 100 µA. O terminador deve ser não polarizado.

Todos os terminadores usados em aplicações intrinsecamente seguras devem atender as necessidades de isolação e distanciamento (necessárias para a aprovação I.S.).

É aceito para as funções de fonte de alimentação, barreiras de segurança e terminadores a combinação de várias maneiras (desde que a impedância equivalente atenda os requisitos da norma ISA-S50.02).

5.17.5.6.6 Regras de Blindagem

Para atender os requisitos de imunidade a ruídos é necessário assegurar a continuidade da blindagem através do cabeamento, conectores e acopladores, atendendo as seguintes regras:

a) A cobertura da blindagem do cabo deverá ser maior do que 90% do comprimento total do cabo;

b) A blindagem deverá cobrir completamente os circuitos elétricos através também dos conectores, acopladores e splices.

Nota: O não atendimento das regras de blindagem pode degradar a imunidade a ruído.

5.17.5.6.7 Regras de Aterramento

O aterramento para um sistema FIELDBUS deve estar permanentemente conectado à terra através de uma impedância suficientemente baixa e com capacidade suficiente de condução de corrente para prevenir picos de voltagem, os quais poderão resultar em perigo aos equipamentos conectados ou pessoas, a linha comum (zero volts) pode ser conectada à terra onde eles são galvanicamente isolados do barramento FIELDBUS.

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Equipamentos FIELDBUS devem funcionar com o ponto central de um terminador ou de um acoplador indutivo conectado diretamente para a terra.

Equipamentos FIELDBUS não podem conectar nenhum condutor do par trançado ao terra em nenhum ponto da rede. Sinais podem ser aplicados e preservados diferencialmente através da rede.

É uma prática padrão para uma blindagem de um cabo do barramento FIELDBUS (se aplicável) ser efetivamente aterrado em um ponto único ao longo do comprimento do cabo. Por esta razão equipamentos FIELDBUS devem ter isolação DC da blindagem do cabo ao terra. É também uma prática padrão conectar os condutores de sinal ao terra de forma balanceada ao mesmo ponto, por exemplo, usando o tap central de um terminador ou um transformador acoplador. Para sistemas com barramento energizado, o aterramento da blindagem e dos condutores de sinal balanceado deverão ser pertos da fonte de alimentação. Para sistemas intrinsecamente seguros o aterramento deverá ser na conexão de terra da barreira de segurança.

5.17.5.6.8 Segurança Intrínseca

As barreiras de segurança intrínsecas devem ter impedância maior do que 400 em qualquer frequência no intervalo de 7,8 kHz a 39 kHz, essa especificação vale para barreiras de segurança intrínsecas do tipo equipamento separado ou incorporadas internamente em fontes de alimentação.

Dentro do intervalo de voltagem de funcionamento da barreira de segurança intrínseca (dentro do intervalo 7,8-39 kHz) a capacitância medida do terminal positivo (lado perigoso) para a terra não deverá ser maior do que 250 pF da capacitância medida do terminal negativo (lado perigoso) para a terra.

Uma barreira de segurança intrínseca não deverá estar separado do terminador por mais de 100 m. A barreira pode apresentar uma impedância de 400 na frequência de trabalho e a resistência do terminador deve ser suficientemente baixa para que quando colocada em paralelo com a impedância da barreira, a impedância equivalente deverá ser inteiramente resistiva.

5.17.5.6.9 Especificações e Descrições dos Cabos

Para novas instalações devemos especificar cabos de par trançado com blindagem do tipo A, outros cabos podem ser usados mas respeitando as limitações da tabela abaixo como por exemplo os cabos múltiplos com pares trançados com uma blindagem geral (denominado cabo tipo B).

O tipo de cabo de menos indicação é o cabo de par trançado simples ou multiplo sem qualquer blindagem (denominado cabo tipo C).

O tipo de cabo de menor indicação é o cabo de múltiplos condutores sem pares trançados (denominado cabo tipo D) e sem blindagem.

A seguir a tabela de especificações dos tipos de cabos (a 25 ºC):

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TABELA 5.14

Parâmetros Condições Tipo “A” Tipo “B” Tipo “C” Tipo “D”

Impedância característica,

Z0, Ω

fr (31,25 kHz) 100 ± 20 100 ± 30 ** **

Resistência DC máxima,

Ω/km

por condutor 22 56 132 20

Atenuação máxima, dB/km 1,25 fr (39 kHz) 3.0 5.0 8.0 8.0

Área seccional nominal do condutor (bitola), mm2

0.8

(#18 AWG)

0.32

(#22AWG)

0.13

(#26 AWG)

1.25

(#16 AWG)

Capacitância máx. não balanceada, pF

1 metro de comprimento

2 2 ** **

Tabela 5.14 Especificações dos tipos de cabos

Comprimentos típicos de barramento e derivações:

TABELA 5.15

Cabo tipo Distância (m)

A 1200

B

C 400

D 200

Tabela 5.15. Comprimentos típicos de barramento e derivações

5.17.6 Benefícios do Fieldbus

Os benefícios da tecnologia FIELDBUS podem ser divididas em melhoria e maior quantidade de informações de controle e não de controle e benefícios econômicos.

5.17.6.1 Benefícios na obtenção de informação

Nos sistemas de automação tradicionais, o volume de informações disponíveis ao usuário não ia muito além daquele destinado às informações de controle.

Nos sistemas FIELDBUS, o volume de informações extra controle é bem maior devido às facilidades atribuídas principalmente à comunicação digital entre os equipamentos.

5.17.6.2 Benefícios econômicos

Baixos custos de implantação:

Engenharia de detalhamento.

Mão de obra/materiais de montagens.

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Equipamentos do sistema supervisório.

Configuração do sistema.

Obras civil.

Ar condicionado.

Baixos custos no acréscimo de novas malhas

Instalação apenas de novos instrumentos no campo.

Baixos custos de implantação da automação por área

Instalação apenas de placas de interfaces

Ganhos tecnológicos

Instrumentação de ponta (estado da arte)

Vantagens operacionais do sistema (sistema aberto)

Tecnologia atualizada (sistema de controle)

5.17.7 Comparações com as tecnologias anteriores

Seguramente, devido as vantagens da tecnolgia FIELDBUS o SDCD tradicional não é mais recomendado para novos projetos, para os sistemas existentes os altos custos de substituição dos instrumentos e a obsolência do sistema de controle podem abreviar a sua vida útil e provocar a introdução da tecnologia FIELDBUS.

5.17.7.1 Documentação Básica

Para a elaboração dos dois tipos de projetos (SDCD e FIELDBUS) são gerados diversos documentos, tanto para o SDCD como para o FIELDBUS, porém com graus de complexidades diferentes, que são característicos de cada tecnologia.

Podemos observar a seguir uma tabela comparativa:

TABELA 5.16

Projeto SDCD FIELDBUS / Grau de Complexidade

Revisão de fluxogramas de engenharia Sim Igual

Diagrama de malhas Sim Menor

Diagrama funcional Sim Igual

Diagrama lógico Sim Igual

Base de dados Sim Igual

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Planta de instrumentação Sim Menor

Detalhe típico de instalação Sim Igual

Arranjo de painéis Sim Não tem

Diagrama de interligações de Painéis Sim Não tem

Diagrama de alimentação Sim Menor

Arranjo de armários Sim Menor

Lista de cabos Sim Menor

Tabela 5.16. Comparação entre SDCD e FIELDBUS.

5.17.8 Possibilidades de topologias

Várias topologias podem ser aplicadas em projetos Fieldbus. As topologias mais comumente utilizadas em sistemas FIELDBUS são:

a) Topologia de barramento com Spurs (derivações):

Nesta topologia utiliza-se um barramento único onde equipamentos ou barramentos secundários (spurs) são conectados diretamente a ele. Pode-se ter ainda vários equipamentos diferentes em cada spur.

b) Topologia ponto-a-ponto:

Nesta topologia tem-se a ligação em série de todos os equipamentos utilizados na aplicação. O cabo FIELDBUS é roteado de equipamento para equipamento neste seguimento e é interconectado nos terminais de cada equipamento FIELDBUS. As instalações que utilizam esta topologia devem usar conectores de forma que a desconexão de um simples equipamento não interrompa a continuidade do segmento.

c) Topologia em árvore:

A topologia em árvore concentra em acopladores/caixas de campo a ligação de vários equipamentos. Devido a sua distribuição, esta topologia é conhecida também como “Pé de Galinha”.

d) Topologia “End-to-End”

Esta topologia é utilizada quando se conecta diretamente apenas dois equipamentos. Esta ligação pode estar inteiramente no campo (um transmissor e uma válvula sem nenhum outro equipamento conectado) ou pode ligar um equipamento de campo (um transmissor) ao “Device Host”.

e) Topologia mista:

Nesta configuração encontra-se as 3 topologias mais comumente utilizadas ligadas entre si. Deve-se observar noentanto, o comprimento máximo do segmento que deve incluir o comprimento dos spurs no comprimento total.

5.17.9 Componentes de Um Projeto FIELDBUS e Suas Características

Nesta seção serão abordados os principais componentes utilizados em um projeto FIELDBUS.

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5.17.9.1 Cabos

De acordo com os requisitos da norma ISA-S50.02, o cabo utilizado para ligar equipamentos FIELDBUS com o modo de voltagem de 31,25 kbit/s pode ser um simples par de fios trançados com a sua blindagem atendendo os seguintes requisitos mínimos (a 25 ºC):

a) Z0 em fr (31,25 kHz) = 100 20%;

b) Atenuação máxima em 1,25 fr (39 kHz) = 3.0 dB/Km;

c) Máxima capacitância não balanceada da blindagem = 2 nF/km;

d) Resistência DC máxima (por condutor) = 22 /km;

e) Atraso máximo de propagação entre 0,25 fr e 1,25 fr = 1.7 s/km;

f) Área seccional do condutor (bitola) = nominal 0,8 mm2 (#18 AWG);

g) Cobertura mínima da blindagem deverá ser maior ou igual a 90%.

O cabo tipo A se enquadra nas especificações para novas instalações de cabos FIELDBUS. A maioria dos cabos utilizados para o sistema 4-20 mA podem ser classificados como tipos B, C e D. Estes tipos (B, C e D) não são considerados ideais para a comunicação FIELDBUS. As distâncias listadas para os tipos B, C e D são apenas estimativas baseadas em cabos instalados.

A tabela a seguir mostra os tipos de cabo com seus respectivos comprimentos máximos:

TABELA 5.17

Tipo Descrição Bitola Comprimento

Máximo

A Par trançado com blindagem #18 AWG 1900 m

B Multi-pares trançados com blindagem #22 AWG 1200 m

C Multi-pares trançados sem blindagem #26 AWG 400 m

D Múltiplos condutores sem blindagem #16 AWG 200 m

Tabela 5.7 - Tipos de cabos e comprimentos máximos

5.17.9.2 Aterramento, “Shield” e Polaridade

ATERRAMENTO:

As regras de aterramento para um sistema FIELDBUS devem ser utilizadas em conformidade com a instalação e manutenção do nível físico que seguem práticas padrões de corrente baseadas na empresa, padrões de plantas e padrões internacionais.

Os equipamentos FIELDBUS não devem conectar ao terra nenhum dos condutores do par trançado em nenhum ponto da rede pois isto provocaria a perda da comunicação entre os equipamentos deste barramento cujo codutor fosse aterrado.

SHIELDS:

O shield (blindagem) do cabo FILEDBUS é, por prática padrão, aterrado em apenas uma de suas pontas ao longo do cabo e não deve ser utilizado como condutor de energia.

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É uma prática padrão em algumas plantas o aterramento do mesmo shield em mais de um ponto ao longo do cabo. Esta prática pode ser aceita em loops de controle de 4-20 mA DC mas pode causar interferências no sistema FIELDBUS. Se um esquema de múltiplo aterramento é utilizado, os requisitos para o aterramento do shield destes cabos devem ser revistos.

POLARIDADE:

Todos os sistemas endereçados por este tipo de aplicação devem ser sensíveis à polarização. Baseado nos padrões de nível físico, não há nenhum requerimento para que os equipamentos sejam insensíveis à polaridade, apesar de alguns equipamentos poderem ser ou não polarizados. O meio (par trançado) deve indicar a polaridade e a esta deve ser mantida em todos os pontos de conexão.

5.17.9.3 Comprimento dos Barramentos

O comprimento máximo indicado nas especificações são recomendações contendo um fator de segurança que reduz satisfatoriamente os problemas de comunicação. Em geral, a distância máxima do cabo relaciona-se com o tipo de cabo e suas características, a topologia utilizada e o número e tipo dos equipamentos utilizados.

A mínima tensão para funcionamento dos equipamentos FIELDBUS é de 10 V DC, portanto deve-se calcular a queda de tensão que ocorre no cabo, desde a fonte de alimentação até o equipamento, de forma a verificar se esta condição é atendida.

5.17.9.4 Conectores

Os conectores são dispositivos opcionais que são muito utilizados em instalações onde os equipamentos devem ser periodicamente desconectados e/ou movidos, e poderia ser utilizada em uma conveniente conexão de um equipamento temporário num determinado local.

Os conectores FIELDBUS devem seguir as especificações da IEC/ISA Phisical Layer Standard, Annex B.

Neste mesmo anexo encontram-se especificações técnicas de conectores comerciais.

5.17.9.5 Blocos de Terminais

O mesmo bloco terminal utilizado para 4-20 mA pode ser usado para FIELDBUS.

Os blocos terminais possibilitam múltiplas conexões de barramentos de modo que um equipamento pode ser conectado a qualquer set de terminais de barramento.

O diagrama da figura 5.51 mostra um método de conexão e terminação de um segmento FIELDBUS a vários equipamentos de campo em uma caixa de campo.

5.17.9.6 “Host Devices”

O “Host Device” é um equipamento ligado ao sistema FIELDBUS com o qual pode-se configurar, monitorar e interagir com o processo sem a necessidade de se permanecer no campo.

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Pode ser um SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído), um sistema SCADA ou um microcomputador da linha PC que deve ter ao menos as seguintes características:

a) Microprocessador Intel Pentium II MMX, 233Mhz;

b) Placa de vídeo SVGA com 4 Mbytes de memória;

c) 64 Mbytes EDO RAM;

d) HD 4.1 Gbytes;

e) 1 drive 3 1/2 ” 1.44 Mbytes;

f) 1 porta paralela e 2 portas seriais;

g) Monitor SVGA colorido 20”;

h) Mouse PS/2;

i) CD-ROM 24X-IDE

j) Teclado ABNT padrão;

k) Placa de rede NE2000

l) Sistema Operacional Windows NT Workstation – Service Pack 3 instalado

Figura 5.51. Terminador interno à uma caixa de campo.

5.17.9.7 Repetidores, “Bridges” e “Gateways”

REPETIDOR

É um equipamento com barramento energizado ou não, utilizado para extender um segmento FIELDBUS.

Podem ser utilizados no máximo 4 repetidores e/ou acopladores ativos entre quaisquer 2 equipamentos num segmento FIELDBUS utilizando 4 repetidores, a máxima distância entre quaisquer 2 equipamentos num segmento é de 9.500 metros.

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BRIDGE

É um equipamento com barramento energizado ou não, utilizado para conectar segmentos FIELDBUS de diferentes velocidades (e/ou níveis físicos como fios, fibras ópticas, rádio, etc.) a fim de formar uma extensa rede (figura 5.52).

Figura 5.52 - Extendendo o sistema com o uso de Bridges

Normalmente são utilizadas as bridges como interfaces entre os níveis H1 e H2 de uma aplicação (Alta e Baixa velocidade de transmissão, respectivamente.

GATEWAY

É um equipamento com barramento energizado ou não utilizado para conectar um ou mais segmentos em outros tipos de protocolo de comunicação como Ethernet, RS232, MODBUS, etc.

5.17.10 Arquitetura de Sistemas

5.17.10.1Tempo de ciclo de supervisão de parâmetros na rede FIELDBUS

Um importante aspecto quando se trabalha com sistemas FIELDBUS é o tempo gasto para que todos os devices da linha possam "publicar" parâmetros de controle e monitoração de um processo. Este tempo deve ser minimizado tanto quanto possível pois pode-se comprometer o tempo de atualização dos links entre os blocos funcionais que operam na malha de controle em relação a velocidade do processo.

A atualização dos links é feita a cada Macro Cycle (MC) e este tempo pode variar dependendo do tipo de instrumento e seus parâmetros para publicação. Num projeto, deve-se verificar o tempo do MC para comparar com o tempo crítico do processo e verificar se o MC deste barramento não compromete a dinâmica do processo.

O tempo de ciclo em um barramento Fieldbus Foundation é dividido em Tráfego Operacional (onde estão publicadas as informações de controle), que tem função cíclica e

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Tráfego acíclico (onde são publicadas informações não de controle, como por exemplo dados de monitoração ou atuações vindas do software supervisório).

O tempo de tráfego acíclico pode ser definido e configurado pelo usuário através do software SYSCON (o típico é 100 mseg).

O tempo de tráfego cíclico pode ser determinado pelo maior valor entre:

a somatória dos tempos de execução dos blocos funcionais de cada device, e

o cálculo do número de links externos (entre os devices ) multiplicados por 30mseg.

5.17.11Uso de Barreiras de Proteção

Uma explosão pode ocorrer quando se tem energia na forma de calor ou eletricidade e estas são adicionadas a uma mistura de vapores inflamáveis, ou poeiras ou fibras. As práticas de projeto inicialmente previam o uso de métodos como : caixas e invólucros a prova de explosão, invólucros com pressurização ou purga, encapsulamento em resina epoxy, imersão em óleo, preenchimento de dutos ou canaletas de passagem com talco ou areia, entre outros. Depois da Segunda guerra Mundial tivemos o surgimento da tecnologia das Barreiras de Segurança Intrínseca que é um método de limitação de energia elétrica para os instrumentos localizados na área classificada, sem ser necessário o uso dos sistemas pesados e caros da tecnologia anterior.

5.17.11.1Normas de Classificação de Áreas Explosivas

Como informação sobre classificação de áreas explosivas vamos nos concentrar na classificação baseada no National Electrical Code, NFPA 70, Articles 500 até 504 dos Estados Unidos e na C22.1, Part I do Canadian Electrical Cobe, em ambos países as áreas perigosas são classificadas em 3 classes, dependendo do tipo de substancias que podem estar presentes :

Classe I - Presença de substâncias como gases ou vapores

Classe II - Presença de substâncias como líquidos, fibras ou sólidos

Classe III - Presença de substâncias como poeiras ou talcos

Cada classificação é dividida de acordo com o nível de risco que pode estar presente :

Divisão 1 - O perigo pode estar presente durante a condição de funcionamento normal, durante reparos ou manutenções, ou onde uma falha pode causar a falha simultaneamente do equipamento elétrico.

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Divisão 2 - Existe a presença de material combustível mas confinado em um sistema fechado, ou numa área adjacente a uma localidade Divisão 1.

Ainda temos a divisão da Classe I em 4 grupos, dependendo do tipo de gases ou vapores inflamáveis presentes :

Grupo A - Acetileno

Grupo B - Hidrogênio, combustíveis ou gases de processo com mais de 30 % de hidrogênio em volume, ou gases vapores de butadieno, óxido de etileno, óxido de propileno.

Grupo C - Éter, etileno ou gases ou vapores de risco equivalente

Grupo D - Acetona, amônia, benzeno, butano, etanol, metano, gás natural, nafta, propano ou gases ou vapores de risco equivalente.

Na Classe II as localizações perigosas são subdivididas em 3 grupos :

Grupo E - Atmosferas contendo poeiras metálicas, incluindo alumínio, magnésio, ou outra poeira ou partículas em suspensão combustíveis

Grupo F - Atmosferas contendo poeiras carbonáceas, incluindo carbono preto, poeiras de carvão ou coque que tenham mais do que 8 % de voláteis ou poeiras que sejam sensibilizados por outros materiais que estejam presentes em explosões perigosas.

Grupo G - Atmosferas contendo poeiras combustíveis não incluídas no grupo E ou grupo F, incluindo farinha, grãos, madeira e químicos.

Na Classe III as localizações perigosas são aquelas que são perigosas por causa da presença de fácil ignição de fibras ou sólidos em suspensão, mas tal fibras ou sólidos suspensos não podem ser suspensos em quantidades suficientes para produzir misturas explosivas.

Classe III, Divisão 1 são aqueles locais que facilmente dão ignição em fibras ou materiais que produzem combustíveis sólidos suspensos quando são manuseados, processados ou usados.

Classe III, Divisão 2 são aqueles locais que facilmente dão ignição em fibras quando são armazenadas ou manuseadas.

Locais que pertencem a essas classes geralmente incluem partes de moinhos têxteis, algodoeiras, fábricas de produtos de madeira, fábrica de roupas manufaturadas, etc.

Fibras de fácil ignição e sólidos suspensos incluem rayon, algodão, sisal, fibra de coco, etc.

Locais de Classe III não são mais subdivididos.

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5.17.12Definição de Segurança Intrínseca

Segurança intrínseca (SI) é um método que segue atmosferas inflamáveis encontradas em uma área de explosão vindo de um contato com equipamento elétrico externo causando uma explosão, esta segurança é acompanhada por limites de valores de tensão e corrente que podem ocasionar faíscas ou aquecimento de superfícies como resultado das condições normais de operação ou quedas elétricas estão também causando ignição. Características de ignição de materiais inflamáveis são caracterizadas por dois parâmetros não relacionados: a mínima quantidade de energia de ignição de faiscamento necessária para criar uma explosão no gás inflamável especificado, e a mínima temperatura de uma superfície aquecida que terá o mesmo efeito.

5.17.13A tecnologia Fieldbus Foundation e a Segurança Intrínseca

A norma ANSI/ISA – S50.02 – 1992 estabelece que se pode conectar de um até 4 instrumentos (depois das Barreiras de Segurança Intrínsecas) nas áreas perigosas e mais dois equipamentos nas áreas seguras no mesmo barramento.

Com as limitações de energia disponíveis para cada equipamento na área perigosa, alguns instrumentos precisarão ser alimentados através de outras fontes de tensão.

Portanto, equipamentos tais como analisadores de processo, subsistemas de I/O, medidores magnéticos ou por efeito Coriolis poderão combinar segurança intrínseca com outras técnicas de instalação ou contenção para proteção contra possíveis explosões.

Figura 5.53. Esquema básico da Barreira de Segurança Intrínseca

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Figura 5.54. Circuito elétrico equivalente de Instalação de Campo.

Onde:

Rc – resistência do cabo Cc – capacitância equivalente

Lc – indutância do cabo Ceq – capacitância equivalente

Característica tensão x corrente do lado da saída para área classificada

Figura 5.55. Curva de carga a Barreira de Segurança Intrínseca

Observação: A barreira não deve ser aterrada, somente a blindagem do cabo deve ter continuidade.

5.18 CABOS PARA REDES FIELDBUS

5.18.1 Índice de Refração

Grandeza que expressa a velocidade que a luz possui num determinado meio de transmissão. É definido por n=c/v, onde:

c é a velocidade da luz no vácuo

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v é a velocidade da luz no meio em questão

Cabe salientar que o índice de refração depende do comprimento de onda da luz, o que, nas fibras ópticas, irá provocar a dispersão do impulso luminoso, limitando a capacidade de transmissão de sinais. Esse efeito explica a experiência de Newton da decomposição da luz branca através de um prisma, como também a formação do arco-íris. Exemplos: vácuo n=1,0; água n=1,3; vidro n=1,5; diamantes n=2,0.

5.18.2 Reflexão e Refração

Quando uma onda incide numa superfície de separação de dois meios de índice de refração diferentes, com uma certa inclinação, uma parcela da energia atravessará a superfície e propagará através do meio de transmissão, enquanto que outra parcela refletirá na superfície, continuando no meio incidente.

Ao passar para o meio de transmissão, a onda sofre um desvio de sua direção natural regido pela lei de Snell (ni.seni=nt.sent).

5.18.3 Raios de Luz

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Podemos, por simplicidade, representar a luz indicando apenas a sua direção de propagação utilizando os raios de luz.

5.18.4 Ângulo Crítico e Reflexão Interna Total

Quando um raio de luz muda de um meio que tem índice de refração grande para um meio que tem índice de refração pequeno a direção da onda transmitida afasta-se da normal (perpendicular). A medida que aumentamos o ângulo de incidência i, o ângulo do raio refratado tende a 90o. Quando isso acontece, o ângulo de incidência recebe o nome de ângulo crítico. Uma incidência com ângulo maior do que este sofre o fenômeno da reflexão interna total.

5.18.5 Fibras Ópticas

Uma fibra óptica é um capilar formado por materiais cristalinos e homogêneos, transparentes o bastante para guiar um feixe de luz (visível ou infravermelho) através de um trajeto qualquer. A estrutura básica desses capilares são cilindros concêntricos com determinadas espessuras e com índices de refração tais que permitam o fenômeno da reflexão interna total. O centro (miolo) da fibra é chamado de núcleo e a região externa é chamada de casca. Para que ocorra o fenômeno da reflexão interna total é necessário que o índice de refração do núcleo seja maior que o índice de refração da casca. Os tipos básicos de fibras ópticas são:

Fibra de índice degrau

Fibra de índice gradual

Fibra monomodo

5.18.5.1 Fibra de Índice Degrau (Step Index)

Este tipo de fibra foi o primeiro a surgir e é o tipo mais simples. Constitui-se basicamente de um único tipo de vidro para compor o núcleo, ou seja, com índice de refração constante. O núcleo pode ser feito de vários materiais como plástico, vidro, etc. e com dimensões que variam de 50 a 400 m, conforme o tipo de aplicação.

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A casca, cuja a função básica de garantir a condição de aguiamento da luz pode ser feita de vidro, plástico e até mesmo o próprio ar pode atuar como casca (essas fibras são chamadas de bundle).

Essas fibras são limitadas quanto à capacidade de transmissão. Possuem atenuação elevada (maior que 5 dB/km) e pequena largura de banda (menor que 30 MHz.km) e são utilizadas em transmissão de dados em curtas distâncias e iluminação.

5.18.5.2 Fibra de Índice Gradual (Graded Index)

Este tipo de fibra tem seu núcleo composto por vidros especiais com diferentes valores de índice de refração, os quais temo o objetivo de diminuir as diferenças de tempos de propagação da luz no núcleo, devido aos vários caminhos possíveis que a luz pode tomar no interior da fibra, diminuindo a dispersão do impulso e aumentando a largura de banda passante da fibra óptica.

A variação do índice de refração em função do raio do núcleo obedece à seguinte equação n(r)=n1.(1-(r/a).), onde

n(r) é o índice de refração do ponto r

n1 é o índice de refração do núcleo

r é a posição sobre o raio do núcleo

é o coeficiente de optimização

é a diferença entre o índice de refração da casca e do núcleo

Os materiais tipicamente empregados na fabricação dessas fibras são sílica pura para a casca e sílica dopada para o núcleo com dimensões típicas de 125 e 50 m respectivamente. Essas fibras apresentam baixas atenuações (3 db/km em 850 nm) e capacidade de transmissão elevadas. São, por esse motivo, empregadas em telecomunicações.

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5.18.5.3 Fibra Monomodo

Esta fibra, ao contrário das anteriores, é construída de tal forma que apenas o modo fundamental de distribuição eletromagnética (raio axial) é guiado, evitando assim os vários caminhos de propagação da luz dentro do núcleo, consequentemente diminuindo a dispersão do impulso luminoso.

Para que isso ocorra, é necessário que o diâmetro do núcleo seja poucas vezes maior que o comprimento de onda da luz utilizado para a transmissão. As dimensões típicas são 2 a 10 m para o núcleo e 80 a 125 m para a casca. Os materiais utilizados para a sua fabricação são sílica e sílica dopada.

São empregadas basicamente em telecomunicações pois possuem baixa atenuação (0,7 dB/km em 1300 nm e 0,2 dB/km em 1550 nm) e grande largura de banda (10 a 100 GHz.km).

5.18.6 Guiamento de Luz Em Fibras Ópticas

5.18.6.1 Abertura Numérica

É um parâmetro básico para fibras multimodos (degrau e gradual) que representa o ângulo máximo de incidência que um raio deve ter, em relação ao eixo da fibra, para que ele sofra a reflexão interna total no interior do núcleo e propague-se ao longo da fibra através de reflexões sucessivas.

5.18.6.2 Modos de Propagação

Quando tratamos a luz pela teoria ondulatória, a luz é regida pelas equações de Maxwell. Assim, se resolvermos as equações de Maxwell para as condições (chamadas

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condições de contorno) da fibra, que é um guia de onda, tais como diâmetro do núcleo, comprimento de onda, abertura numérica, etc. encontramos um certo número de soluções finitas. Dessa maneira, a luz que percorre a fibra óptica não se propaga aleatoriamente, mas é canalizada em certos modos.

Modo de propagação é, portanto, uma onda com determinada distribuição de campo eletromagnético que satisfaz as equações de Maxwell e que transporta uma parcela individual (mas não igual) da energia luminosa total transmitida. Esses modos podem ser entendidos e representados como sendo os possíveis caminhos que a luz pode ter no interior do núcleo. Numa fibra óptica, o número de modos está relacionado com a freqüência normalizada V que é uma

grandeza definida por Va AN

2

, onde

a é o raio do núcleo

é o comprimento de onda

AN é a abertura numérica

A relação entre a freqüência normalizada e o número de modos M é dada por

MV

2

4 para fibras de índice gradual

MV

2

2 para fibras de índice degrau

5.18.7 Propriedades das Fibras Ópticas

A fibra óptica apresenta certas características particulares, que podemos tratar como vantagens, quando comparadas com os meios de transmissão formados por condutores metálicos, tais como:

Imunidade a ruídos externos em geral e interferências eletromagnéticas em particular, como as causadas por descargas atmosféricas e instalações elétricas de altas tensões;

Imunidade a interferências de freqüências de rádio de estações de rádio e radar, e impulsos eletromagnéticos causados por explosões nucleares;

Imune a influência do meio ambiente, como por exemplo umidade;

Ausência de diafonia;

Grande confiabilidade no que diz respeito ao sigilo das informações transmitidas;

Capacidade de transmissão muito superior a dos meios que utilizam condutores metálicos;

Baixa atenuação, grandes distâncias entre pontos de regeneração;

Cabos de pequenas dimensões (pequeno diâmetro e pequeno peso) o que implica em economia no transporte e instalação.

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5.18.8 APLICAÇÕES DAS FIBRAS ÓPTICAS

Redes de telecomunicações

Entroncamentos locais

Entroncamentos interurbanos

Conexões de assinantes

Redes de comunicação em ferrovias

Redes de distribuição de energia elétrica (monitoração, controle e proteção)

Redes de transmissão de dados e fac-símile

Redes de distribuição de radiodifusão e televisão

Redes de estúdios, cabos de câmeras de TV

Redes internas industriais

Equipamentos de sistemas militares

Aplicações de controle em geral

Veículos motorizados, aeronaves, navios, instrumentos, etc.

5.18.9 Características de Transmissão da Fibra Óptica

5.18.9.1 Atenuação

A atenuação ou perda de transmissão pode ser definida como a diminuição da intensidade de energia de um sinal ao propagar-se através de um meio de transmissão. A fórmula

mais usual para o cálculo da atenuação é a seguinte 10 logP

Ps

e

, onde

Ps é a potência de saída

Pe é a potência de entrada

Nas fibras ópticas, a atenuação varia de acordo com o comprimento de onda da luz utilizada. Essa atenuação é a soma de várias perdas ligadas ao material que é empregado na fabricação das fibras e à estrutura do guia de onda. Os mecanismos que provocam atenuação são:

Absorção.

Espalhamento.

Deformações mecânicas.

5.18.9.1.1 Absorção

Os tipos básicos de absorção são

Absorção material.

Absorção do ion OH-.

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A absorção material é o mecanismo de atenuação que exprime a dissipação de parte da energia transmitida numa fibra óptica em forma de calor. Neste tipo de absorção temos fatores extrínsecos e intrínsecos à própria fibra.

Como fatores intrínsecos, temos a absorção do ultravioleta, a qual cresce exponencialmente no sentido do ultravioleta, e a absorção do infravermelho, provocada pela sua vibração e rotação dos átomos em torno da sua posição de equilíbrio, a qual cresce exponencialmente no sentido do infravermelho.

Como fatores extrínsecos, temos a absorção devido aos ions metálicos porventura presentes na fibra (Mn, Ni, Cr, U, Co, Fe e Cu) os quais, devido ao seu tamanho, provocam picos de absorção em determinados comprimentos de onda exigindo grande purificação dos materiais que compõem a estrutura da fibra óptica.

A absorção do OH- (hidroxila) provoca atenuação fundamentalmente no comprimento de onda de 2700 nm e em sobre tons (harmônicos) em torno de 950 nm, 1240 nm e 1380 nm na faixa de baixa atenuação da fibra. Esse ion é comumente chamado de água e é incorporado ao núcleo durante o processo de produção. É muito difícil de ser eliminado.

5.18.9.1.2 Espalhamento

É o mecanismo de atenuação que exprime o desvio de parte da energia luminosa guiada pelos vários modos de propagação em várias direções. Existem vários tipos de espalhamento (Rayleigh, Mie, Raman estimulado, Brillouin estimulado) sendo o mais importante e significativo o espalhamento de Rayleigh. Esse espalhamento é devido à não homogeneidade microscópica (de flutuações térmicas, flutuações de composição, variação de pressão, pequenas bolhas, variação no perfil de índice de refração, etc.

Esse espalhamento está sempre presente na fibra óptica e determina o limite mínimo de atenuação nas fibras de sílica na região de baixa atenuação. A atenuação neste tipo de

espalhamento é proporcional a 14

.

5.18.9.1.3 Deformações Mecânicas

As deformações são chamadas de microcurvatura e macrocurvatura, as quais ocorrem ao longo da fibra devido à aplicação de esforços sobre a mesma durante a confecção e instalação do cabo.

As macrocurvaturas são perdas pontuais (localizadas) de luz por irradiação, ou seja, os modos de alta ordem (ângulo de incidência próximo ao ângulo crítico) não apresentam condições de reflexão interna total devido a curvaturas de raio finito da fibra óptica.

As microcurvaturas aparecem quando a fibra é submetida a pressão transversal de maneira a comprimi-la contra uma superfície levemente rugosa. Essas microcurvaturas extraem parte da energia luminosa do núcleo devido aos modos de alta ordem tornarem-se não guiados.

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A atenuação típica de uma fibra de sílica sobrepondo-se todos os efeitos está mostrada na figura abaixo:

Existem três comprimentos de onda tipicamente utilizados para transmissão em fibras ópticas:

850 nm com atenuação típica de 3 dB/km

1300 nm com atenuação típica de 0,8 dB/km

1550 nm com atenuação típica de 0,2 dB/km

5.18.9.2 Dispersão

É uma característica de transmissão que exprime o alargamento dos pulsos transmitidos. Este alargamento determina a largura de banda da fibra óptica, dada em MHz.km, e está

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relacionada com a capacidade de transmissão de informação das fibras. Os mecanismos básicos de dispersão são:

Modal.

Cromática.

5.18.9.2.1 Dispersão Modal

Este tipo de dispersão só existe em fibras do tipo multimodo (degrau e gradual) e é provocada basicamente pelos vários caminhos possíveis de propagação (modos) que a luz pode ter no núcleo. Numa fibra degrau, todos os modos viajam com a mesma velocidade, pois o índice de refração é constante em todo o núcleo. Logo, os modos de alta ordem (que percorrem caminho mais longo) demorarão mais tempo para sair da fibra do que os modos de baixa ordem. Neste tipo de fibra, a diferença entre os tempos de chegada é dado por =t1, onde

t1 é o tempo de propagação do modo de menor ordem

é a diferença percentual de índices de refração entre o núcleo e a casca dada por =(n1-n2)/n1

A dispersão modal inexiste em fibras monomodo pois apenas um modo será guiado.

5.18.9.2.2 Dispersão Cromática

Esse tipo de dispersão depende do comprimento de onda e divide-se em dois tipos:

Dispersão material.

Dispersão de guia de onda.

5.18.9.3 Dispersão Material

Como o índice de refração depende do comprimento de onda e como as fontes luminosas existentes não são ideais, ou seja, possuem uma certa largura espectral finita (), temos que cada comprimento de onda enxerga um valor diferente de índice de refração num determinado ponto, logo cada comprimento de onda viaja no núcleo com velocidade diferente, provocando uma diferença de tempo de percurso, causando a dispersão do impulso luminoso.

A dispersão provocada pela dispersão material é dada por Ddn

cd

, onde

é a largura espectral da fonte luminosa

c é a velocidade da luz no vácuo

n é o índice de refração do núcleo

5.18.9.4 Dispersão de Guia de Onda

Esse tipo de dispersão é provocado por variações nas dimensões do núcleo e variações no perfil de índice de refração ao longo da fibra óptica e depende também do comprimento de

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onda da luz. Essa dispersão só é percebida em fibras monomodo que tem dispersão material reduzida ( pequeno em torno de 1300 nm) e é da ordem de alguns ps/(nm.km).

Os tipos de dispersão que predominam nas fibras são

Degrau: modal (dezenas de MHz.km).

Gradual: modal material (menor que 1 GHz.km).

Monomodo: material guia de onda (10 a 100 GHz.km).

A dispersão total numa fibra óptica multimodo gradual, levando-se em conta a dispersão

modal e a material é dada por T M C2 2 2 , onde

C é a dispersão cromática.

M é a dispersão material.

5.18.10Instalação de Cabos

Cabos ópticos requerem cuidados especiais para instalação pois as fibras são materiais frágeis e quebradiços. Deve-se observar que:

O cabo não deve sofrer curvaturas acentuadas, o que pode provocar quebra das fibras em seu interior .

O cabo não deve ser tracionado pelas fibras ou elementos de enchimento adjacentes a elas, mas sim pelos elementos de tração ou aço existentes no cabo.

A velocidade de puxamento não deve ser muito elevada para permitir uma paralização imediata se necessário.

Não se deve exceder a máxima tensão de puxamento especificada para o cabo. Esta deve ser monitorada, através de uma célula de carga ,durante todo o puxamento.

O cabo deve ser limpo e lubrificado a fim de diminuir o atrito de tracionamento.

Deve-se puxar o cabo com um destorcedor para permitir uma acomodação natural do cabo no interior do duto ou canalização.

5.18.11Confecção de Emendas

Existem dois tipos básicos de emendas que podem ser efetuadas:

Emenda por fusão.

Emenda mecânica.

5.18.11.1Emenda por Fusão

Neste tipo de emenda a fibra é introduzida numa máquina , chamada máquina de fusão, limpa e clivada, para , após o alinhamento apropriado, ser submetida à um arco voltaico que eleva a temperatura nas faces das fibras, o que provoca o derretimento das fibras e a sua soldagem. O arco voltaico é obtido a partir de uma diferença de potencial aplicada sobre dois eletrodos de metal.

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Após a fusão a fibra é revestida por resinas que tem a função de oferecer resistência mecânica à emenda, protegendo-a contra quebras e fraturas. Após a proteção a fibra emendada é acomodada em recipientes chamados caixa de emendas.

As caixas de emendas podem ser de vários tipos de acordo com a aplicação e o número de fibras. Umas são pressurizáveis ou impermeáveism, outras resistentes ao sol, para instalação aérea.

A CLIVAGEM é o processo de corte da ponta da fibra óptica. É efetuada a partir de um pequeno ferimento na casca da fibra óptica (risco) e a fibra é tracionada e curvada sob o risco, assim o ferimento se propaga pela estrutura cristalina da fibra.

A qualidade de uma clivagem deve ser observada com microscópio.

5.18.11.2Emenda Mecânica

Este tipo de emenda é baseado no alinhamento das fibras através de estruturas mecânicas. São dispositivos dotados de travas para que a fibra não se mova no interior da emenda e contém líquidos entre as fibras , chamados líquidos casadores de índice e refração, que tem a função de diminuir as perdas de Fresnel (reflexão). Neste tipo de emenda as fibras também devem ser limpas e clivadas.

Este tipo de emenda é recomendado para aqueles que tem um número reduzido de emendas a realizar pois o custo desses dispositivos é relativamente barato, além de serem reaproveitáveis.

5.18.12 CONECTORES

Os conectores utilizam acoplamentos frontais ou lenticulares, sendo que existem três tipos de acoplamentos frontais:

Quando a superfície de saída é maior que a de entrada.

Quando a superfície de saída é igual à de entrada.

Quando a superfície de saída é menor que a de entrada.

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E também existem dois tipos de acoplamentos lenticulares:

Simétrico

Assimétrico

Os requisitos dos conectores são:

Montagem simples;

Forma construtiva estável;

Pequenas atenuações;

Proteção das faces das fibras.

Os fatores que influenciam na qualidade de um conector são:

Alinhamento.

Montagem.

Características de transmissão das fibras.

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Existem conectores:

Para fibra única

Para várias fibras (múltiplo)

Conector para fibra única

Conector múltiplo

Com relação à forma que se realiza o alinhamento podemos ter vários tipos de estruturas sendo que os mais comuns são os circulares e os tipo V-GROOVE. Os tipos circulares são recomendados para conecções duradouras enquanto que os V-GROOVE para situações provisórias de conecções de fibras nuas (sem revestimento).

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Tipos de alinhamentos de fibras ópticas

5.18.13Tipos de Fontes Ópticas

Para sistemas ópticos, encontramos dois tipos de fontes ópticas que são freqüentemente utilizadas: LED e LASER.

Cada um destes dois tipos de fontes oferecem certas vantagens e desvantagens, e diferenciam-se entre sí sob diversos aspectos:

Potência luminosa: os lasers oferecem maior potência óptica se comparados com os leds.

LED : (-7 a -14dBm)

LASER : (1dBm)

Largura espectral: os lasers tem largura espectral menor que os leds, o que proporciona menor dispersão material.

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Tipos e velocidades de modulação: os lasers tem velocidade maior que os leds, mas necessitam de circuitos complexos para manter uma boa linearidade.

Acoplamento com a fibra óptica: o feixe de luz emitido pelo laser é mais concentrado que o emitido pelo led, permitindo uma eficiência de acoplamento maior.

Variações com temperatura: os lasers são mais sensíveis que os leds à temperatura.

Vida útil e degradação: os leds tem vida útil maior que os lasers (aproximadamente 10 vezes mais), além de ter degradação bem definida.

Custos: os lasers são mais caros que os leds, pois a dificuldade de fabricação é maior.

Ruídos: os lasers apresentam menos ruídos que os leds. Ambos podem ser fabricados do mesmo material, de acordo com o comprimento onda desejado:

* AlGaAs (arseneto de alumínio e gálio) para 850 nm.

* InGaAsP (arseneto fosfeto de índio e gálio) para 1300 e 1550 nm.

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Através das características de ambos os elementos, vemos que o laser é o que nos fornece uma maior potência luminosa e uma menor largura espectral, razão pela qual é amplamente empregado nos circuitos ópticos. Desta forma, faremos um breve entendimento sobre os conceitos básicos do laser, bem como o seu funcionamento como fonte óptica.

5.18.13.1Laser

Para entendermos o funcionamento de um laser, vamos tomar um laser a gás (HeNe) de maneira didática onde os números usados são ilusórios para maior visualização dos fenômenos.

Um átomo é composto de um núcleo e de elétrons que permanecem girando em torno do mesmo em órbitas bem definidas.

Quanto mais afastado do núcleo gira o elétron, menor a sua energia.

Quando um elétron ganha energia ele muda de sua órbita para uma órbita mais interna, sendo este um estado não natural para o átomo mas sim forçado.

Como esse estado não é natural, o átomo por qualquer distúrbio tende a voltar a seu estado natural, liberando a energia recebida em forma de ondas eletromagnéticas de comprimento de onda definido em função das órbitas do átomo.

Existem duas condições básicas para que o fenômeno laser aconteça:

Inversão de população.

Alta concentração de luz.

A inversão de população é o estado em que uma grande quantidade de átomos ficam com elétrons carregados de energia, girando em órbitas maior internas. É como se o átomo fosse engatilhado para o disparo de ondas eletromagnéticas (os fótons). Esse estado é conseguido através de altas tensões de polarização fornecidas ao laser (200 à 300V).

A alta concentração de luz é a perturbação necessária para que o átomo dispare, ou seja, volte a sua condição natural, liberando portanto, a energia armazenada em forma de ondas eletromagnéticas. Se tivermos uma quantidade de átomos suficientes engatilhados e se a concentração de luz for suficiente teremos um efeito multiplicativo onde o fóton gerado gera outros fótons, obtendo-se assim o fenômeno laser (emissão de radiação estimulada amplificada pela luz).

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As características típicas de um laser são:

Luz coerente.

Altas potências.

Monocromaticidade.

Diagrama de irradiação concentrado.

Altas tensões de polarização.

Fluxo de luz não proporcional à corrente.

Vida útil baixa (10000 horas).

Sensível a variações de temperatura.

Alto custo.

Próprio para sinais digitais.

Altas velocidades, ou seja, grande banda de passagem (1 Ghz ou mais).

Os lasers usados em sistemas ópticos são feitos de materiais semicondutores, os quais geram comprimentos de onda apropriados para transmissão (janelas de baixa atenuação). A cavidade onde ocorre o fenômeno laser é obtida através da diferença entre os índices de refração das várias camadas, da diferença de intensidade de campo elétrico e dos espelhos (face polida) do cristal semicondutor.

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Existem dois tipos de lasers quanto ao tipo de fabricação:

Lasers cujo guia de onda (cavidade ressonante) é induzida por corrente, chamados lasers GLD (gainguide laser diode).

Lasers cujo guia de onda é incorporado pela variação de índice de refração, chamados lasers ILD (index guide laser diode).

As suas principais diferenças são:

a) Corrente de acionamento

GLD: 50 à 120 mA

ILD: 10 à 60 mA

b) Astigmatismo

GLD: forte

ILD: muito fraco

c) Sensibilidade

GLD: baixa

ILD: alta

d) Técnica de fabricação

GLD: simples

ILD: complexa

Os lasers são geralmente montados em módulos que tem a função básica de garantir um perfeito funcionamento e alinhamento em condições de operação, pois são componentes herméticos ou selados.

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5.19 PAR TRANÇADO

Há alguns anos a rede feita com cabo de par trançado vem substituindo as redes construídas com cabos coaxiais de 50 Ohms devido principalmente a facilidade de manutenção, pois com o cabo coaxial é muito trabalhoso achar um defeito devido que se houver um mau contato ou qualquer problema com as conexões em algum ponto da rede o problema se refletirá em todas as maquinas da rede, o que não acontece em uma rede de par trançado.

Outro motivo é a vantagem de se atingir maior taxa de transferência podendo trabalhar não somente a 10 Mbps, mas também a 100 Mbps (Fast Ethernet) ou até 1000 Mbps (1 Gigabite Ethernet).

Da-se o nome de cabo de par trançado devido que os pares de fios se entrelaçarem por toda a extensão do cabo, evitando assim interferências externas, ou do sinal de um dos fios para o outro.

Se utilizarmos cabos convencionais haverá comunicação sim , mas com ruídos que prejudicaria muito a comunicação entre as maquinas.

Como em qualquer comunicação que estejam varias maquinas envolvidas os dados só podem ser recebidos ou enviados por uma máquina por vez, enquanto as outras máquinas esperam para enviar os seus dados, se o pacote de dados chegar corrompidos, a máquina que os recebeu pede que eles sejam enviados novamente e isto custará mais tempo de espera das outras máquinas, então quanto mais perfeito a linha que trafega os dados, mais rápida será a rede, utilizando-se placas especiais ´Fast Ethernet´ e cabos CAT 5 chegarmos até a 100 Mb por segundo.

Com a popularização das conexões rápidas ( Speed, Cabo etc... ) as placas de 100 Mb e os Hubs tornaram-se acessíveis no seu preço, portanto são as ideais para uma pequena rede ou rede domestica, e também deve ser utilizado o cabo UTP CAT 5.

Deve-se verificar também a ligação do cabo de acordo com os sinais envolvidos, como no conector RJ 45 para a ligação de rede convencional (10 ou 100 Mbps) somente os pinos 1,2,3 e 6 são na verdade utilizados então devemos fazer a ligação de acordo com o mostrado na figura 2, se ligarmos os pinos de acordo com a figura 1, a rede também funcionaria, mas com ruídos a menos de 10 Mb/s e jamais funcionaria a 100 Mb/s podendo até travar os computadores da rede.

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5.17.1 Tipos de Cabo Par Trançado

Existem dois tipos básicos de cabos par trançado:

UTP - Unshielded Twisted Pair - Par trançado sem blindagem.

Este é sem duvida o cabo mais utilizado neste tipo de rede, o cabo UTP é de fácil manuseio, instalação e permite taxas de transmissão em até 100 Mbps com a utilização do cabo CAT 5 são usados normalmente tanto nas redes domesticas como nas grandes redes industriais e para distancias maiores que 150 metros hoje em dia é utilizados os cabos de fibra ótica que vem barateando os seus custos.

STP - Shielded Twisted Pair - Par trançado com blindagem.

O cabo brindado STP é muito pouco utilizado sendo basicamente necessários em ambientes com grande nível de interferência eletromagnética. Deve-se dar preferência a sistemas com cabos de fibra ótica quando se deseja grandes distâncias ou velocidades de transmissão, podem ser encontrados com blindagem simples ou com blindagem par a par.

5.17.2 O Cabo UTP

Os cabos UTP foram padronizados pelas normas da EIA/TIA com a norma 568 e são divididos em 5 categorias, levando em conta o nível de segurança e a bitola do fio, onde os números maiores indicam fios com diâmetros menores, veja abaixo um resumo simplificado dos cabos UTP.

Tipo Uso

Categoria 1 Voz (Cabo Telefônico) São utilizados por equipamentos de telecomunicação e não devem ser usados para uma rede local Categoria 2 Dados a 4 Mbps (LocalTalk)

Categoria 3 Transmissão de até 16 MHz. Dados a 10 Mbps (Ethernet)

Categoria 4 Transmissão de até 20 MHz. Dados a 20 Mbps (16 Mbps Token Ring)

Categoria 5 Transmissão de até 100 MHz. Dados a 100 Mbps (Fast Ethernet)

5.17.3 Cabo UTP Secção

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5.17.4 Conector RJ-45

5.17.4.1 Pinagem

NÚMERO DOS PINOS

DESTINAÇÃO

1 TD+ Transmite dados

2 TD- Transmite dados

3 RD+ Recebe dados

6 RD- Recebe dados

4, 5, 7, 8 Reservados ( não utilizados )

5.17.4.2 Conector RJ-45 (Tomada) Pinagem

5.17.4.3 Conector RJ-45 Macho Para Montagem

5.17.4.4 Conector RJ-45 Montado

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A seqüência de cores na prática não é importante mas a norma EIA/TIA 568A determina: branco e verde, verde, branco e laranja, azul, branco e azul, laranja, branco e marrom, marrom. Essa seqüência deve ser usada pra ligar um computador a um hub. Se você quer ligar dois computadores diretamente deve ter o cuidado de inverter os fios 1 de um conector com o 3 do outro e o 2 de um com o 6 do outro.

5.17.5 Padrões de Conectorização

Conectorização T568A (Strainght Through) para 10BaseT e 100BaseT

Cor Pino Função Cor

1 + TD Vd/Br

2 - TD Verde

3 + RD Lr/Br

4 N/Utilizado Azul

5 N/Utilizado Az/Br

6 - RD Laranja

7 N/Utilizado Mr/Br

8 N/Utilizado Marrom

Esquema de ligação sem cruzamento algum (Strainght Through) conforme norma EIA/TIA 568A "Este é o esquema de ligação mais utilizado em todo o mundo"

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Conectorização T568B (Half Cross) para 10BaseT e 100BaseT

Cor Pino Função Cor

1 + TD Lr/Br

2 - TD Laranja

3 + RD Vd/Br

4 N/Utilizado Azul

5 N/Utilizado Az/Br

6 - RD Verde

7 N/Utilizado Mr/Br

8 N/Utilizado Marrom

Esquema de ligação com cruzamento parcial de T568A (Half Cross) conforme norma EIA/TIA 568A

Conectorização T568A (Strainght Through) para 1000BaseT (Gigabit Ethernet)

Cor Pino Função Cor

1 +BI_DA Vd/Br

2 - BI_DA Verde

3 +BI_DB Lr/Br

4 +BI_DC Azul

5 -BI_DC Az/Br

6 - BI_DB Laranja

7 +BI_DD Mr/Br

8 - BI_DD Marrom

Esquema de ligação conforme norma EIA/TIA 568A para 1000BaseT, a codificação das cores é a mesma, modificando-se somente os sinais e que neste tipo de ligação se utiliza todos os pinos de ligação para os sinais (full duplex)

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Conectorização Cross Over (Cruzamento Total) T568A para 1000BaseT (Gigabit Ethernet)

Cor Pino Função Cor

1 +BI_DA Lr/Br

2 - BI_DA Laranja

3 +BI_DB Vd/Br

4 +BI_DC Mr/Br

5 -BI_DC Marrom

6 - BI_DB Verde

7 +BI_DD Azul

8 - BI_DD Az/Br

5.17.6 Interligando Dois Computadores

Para se interligar apenas dois computadores com cabo par trançado podemos executar a interligação do tipo Cross (cruzamento) que é feito conforme o mostrado na figura abaixo, se não existisse o cruzamento não seria possível a comunicação pois um PC tentaria enviar sinais para a porta de transmissão de sinal do outro PC e não para a porta de recepção.

Vantagem : Neste tipo de conexão é a não necessidade de se investir em um HUB concentrador basta apenas obedecer os sinais obedecendo a inversão do pino 1 para 3 e 2 para 6.

Desvantagem : Somente é possível interligar dois computadores.

Observação: Este tipo de interligação também é utilizada para se interligar HUB a HUB (cascatear) quando não tem ou não é utilizada a porta UpLink do HUB

1 + TD Transmite dados para + RD Recebe dados 3

2 - TD Transmite dados para - RD Recebe dados 6

3 + RD Recebe dados para + TD Transmite dados 1

6 - RD Recebe dados para - TD Transmite dados 2

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Para fazer um cabo com cruzamento parcial, utilize a ligação T568A em uma ponta e T568B na outra (funciona para para 10Base-T e 100Base-TX

CONECTOR 1 "Half Cross" CONECTOR 2 "T568A"

cor pino função função pino cor

1 + TD + TD 1

2 - TD - TD 2

3 + RD + RD 3

4 N/Utilizado N/Utilizado 4

5 N/Utilizado N/Utilizado 5

6 - RD - RD 6

7 N/Utilizado N/Utilizado 7

8 N/Utilizado N/Utilizado 8

Para fazer um cabo com cruzamento total, utilize a ligação T568A em uma ponta e Cross Over na outra (funciona para para 10Base-T, 100Base-T,1000Base-T)

CONECTOR 1 "Cross Over" CONECTOR 2 "T568A"

cor pino função função pino cor

1 +BI_DA +BI_DA 1

2 -

BI_DA -

BI_DA 2

3 +BI_DB +BI_DB 3

4 +BI_DC +BI_DC 4

5 -BI_DC -BI_DC 5

6 - BI_DB - BI_DB 6

7 +BI_DD +BI_DD 7

8 -

BI_DD -

BI_DD 8

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5.17.7 INTERLIGANDO TRÊS OU MAIS COMPUTADORES

Para se interligar três ou mais computadores com cabo par trançado é necessário um HUB interligando todas as máquinas, no mercado encontra-se Hubs de 4,8,16 e 32 portas, a ligação é conforme a figura abaixo obedecendo-se a trança do cabo:

5.17.8 Montagem do Cabo de Rede de Par Trançado

1 - Corta-se o cabo no comprimento desejado.

2 - Em cada ponta, com a lamina do alicate climpador retira-se a capa de isolamento azul com um comprimento aproximado de 2 cm.

3 - Prepare os oitos pequenos fios para serem inseridos dentro do conector, obedecendo a seqüência de cores desejada. Após ajustar os fios na posição corta-se as pontas dos mesmos

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com um alicate ou com a lamina do próprio climpador para que todos fiquem no mesmo alinhamento e sem rebarbas, para que não ofereçam dificuldades na inserção no conector RJ-45.

4 - Segure firmemente as pontas dos fios e os insira cuidadosamente no conector observando que os fios fiquem posicionados no conector exatamente em sua posição correta.

5 - Inserir o conector já com os fios colocados dentro do alicate climpador, e pressionar até o final.

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6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Profibus. Associação Profibus Brasil. 2000.

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Como Implementar Projetos com Fieldbus Foundation. SMAR Equipamentos Industriais Ltda. 1998

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