sensores e rede asi_apost 7s

Módulo 7 SRedes ASI e Sensores

Seminários Técnicos 2003Engenheiros e Projetistas

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Produtos e Sistemas Industriais,

Prediais e Automação Siemens

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s

Sensores e Redes de Sensoriamento – AS interface 1

Módulo 7S

Sensores e Redes de Sensoriamento – AS interface

s


Índice

1. Introdução

1.1. Sensores 031.2. Características fundamentais dos sensores para automação 031.3. Visão geral das famílias de sensores e seus principais tipos 05

2. Sensores Indutivos2.1. Princípio de funcionamento 062.2. Características de resposta 062.3. Zonas livres na montagem em metal 072.4. Características construtivas 072.5 Fatores de redução 082.6. Classes de saídas 2, 3 e 4 condutores 092.7 Configuração de saída do tipo pnp e npn com 3 condutores 092.8. Aplicações 10

3. Sensores Capacitivos3.1. Princípio de funcionamento 113.2. Aspectos construtivos 123.3. Sensores faceados 133.4. Sensores não-faceados 133.5. Características técnicas e aplicações 143.6. Distância de operação 143.7. Fatores de redução 153.8. Classes de saídas 2, 3 e 4 condutores 16

4. Sensores Óticos4.1. Princípios de funcionamento 174.2. Difusão 174.3. Sensores reflexivos 184.4. Sensor reflexivo em um espelho de 3 vias 184.5. Sensores Barreira de luz direta 194.6. Comparação da distância sensora 194.7. Condutores de fibra ótica 204.8. Laser com saída analógica 204.9. Marca cor 214.10. Fenda 214.11. Cor 214.12. Reserva de função 224.13. Função anti-interferência 224.14. Sensibilidade à luz externa 234.15. Configurações de saídas 234.16. Zonas de atuação 234.17. Exemplos de aplicações 24

5. Sensores ultra-sônicos5.1. Princípio de funcionamento 25

5.1.1. Alinhamento angular 265.1.2. Alinhamento angular – Aplicação 265.1.3. Cone sonoro – Ganho em dB 26

5.2. Formas de atuação 275.3. Zonas livres 275.4. Vantagens 275.5. Comparação entre sensores de proximidade ultra-sônicos e óticos 285.6. Materiais e objetos 28

s


5.7. Exemplos de aplicações 295.8. Influências ambientais 305.9. Como especificar um sensor 31

6. Redes de sensoriamento6.1. Introdução 326.2. Topologias e especificações normal e avançada 356.3. Principais características 376.4. Escravo 38

6.4.1. Lado de rede do escravo 386.5. Mestre 39

6.5.1. Estrutura mestre 396.6 Interação mestre/escravos 406.7 Processo de comunicação – mestre 416.8. Troca de dados mestre-escravo 416.9. Interação mestre/escravo 416.10. Campos de dados do mestre 426.11. LES, LAS e LPS 426.12. Estrutura da mensagem do AS-Interface 426.13. Codificação de sinal 436.14. Modulação APM (Alternate Pulse Modulation) 436.15. Medição do reconhecimento de erro 436.16. Funcionamento do mestre AS-Interface 446.17 Os escravos: módulos de I/O, sensores, botoeiras, etc. .. 446.18 Escravos AS-Interface IP67 44

7. AS-Interface Versão 2.17.1. Comparação 467.2. Escravos V2.1: quais as diferenças? 477.3. Escravos A/B: Como isso funciona? 477.4. Versão 2.1 permite qualquer combinação entre escravos padrão e A/B 487.5. Safety work – O princípio 487.6. Exemplo de circuito 50

7.6.1. Monitor com um circuito de segurança 507.6.2 Transmissão de valores analógicos 507.6.3. Transferência de dados com os analógicos 51

7.7. Como dimensionar uma fonte AS-Interface 517.8. Modularidade da AS-Interface 527.9. Operação com repetidor e extensor 537.10. Repetidor 547.11. Benefícios da AS-Interface 547.12. Simplicidade 55

8. Bibliografia 55

s


oscilador ~ ~

amplificador

1. Introdução1.1 Sensores

Sensores são dispositivos construídos para detectar a presença ou passagem de materiais metálicos ou

não metálicos, por proximidade ou aproximação, sem contato físico. Esta detecção é feita pela face sensora

do sensor, que ao serem acionados ativam as entradas do controlador lógico programável, para automação

da planta industrial. 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.

Figura 1.1: Sensor Indutivo de proximidade

1.2. Características Fundamentais dos Sensores para Automação

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 sistemas de controle de malha aberta

(não automáticos), orientando o usuário, sendo caracterizados por:

LinearidadeÉ 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 sistema

de controle. Os sensores não lineares são usados em faixas limitadas, em que os desvios são aceitáveis, ou

com adaptadores especiais, que corrigem o sinal.

Faixa de atuação

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

s


Histerese

É a distância entre os pontos de comutação do sensor, quando um atuador dele se aproxima e se afasta.

Sensibilidade

É a distância entre a face do sensor e o atuador no instante em que ocorre a comutação. As medidas na

tabela são determinadas para um atuador de chapa de aço quadrada com 1 mm de espessura, cujo lado é

igual ao diâmetro do sensor.

Superfície Ativa

É a superfície através da qual o campo eletro-magnético de alta freqüência se irradia no meio externo. Esta

área é definida pela superfície do núcleo e corresponde aproximadamente à superfície da área externa

deste núcleo.

Fator de correção

Fornece a redução da distância sensora em presença de materiais cujas características apresentam desvios

em relação ao ferro Fé 360 (definido pela ISSO 630).

Freqüência de Comutação

Corresponde à quantidade máxima de comutações por segundo. Baseado nas características operacionais

de cada dispositivo, os transdutores são elementos de campo mais utilizados para controle, enquanto que

os sensores, também elementos de campo, são utilizados mais especificamente em automação de

processos.

Distância SensoraDistância em que aproximando-se o acionador da face sensora, o sensor muda o estado da saída.

Distância Sensora NominalDistância 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.

s


De acordo com a tabela a seguir, é possível ter uma visão geral dos sensores a serem abordados:

1.3 Visão Geral das famílias de sensores e seus principais tipos

Família Tipo Princípio de funcionamento

Indutivos Proximidade Geração de campo eletro-magnético em alta freqüência

Capacitivos Proximidade Geração de campo magnético desenvolvido por oscilador

Difusão

RetroreflexivoÓpticos

Barreira

Transmissão e recepção de luz infravermelha que pode ser

refletida ou interrompida por um objeto a ser detectado

Difusão

Reflexivo

Sensores

Ultra-sônicos

Barreira

Transmissão ou recepção de onda sonora que pode ser

refletida ou interrompida por um objeto a ser detectado

Tabela 1.2: Principais tipos de Sensores

2. Sensores Indutivos

Dispositivos de indução operam segundo o princípio de que havendo um movimento relativo entre um

campo magnético e um condutor, uma corrente poderá ser induzida no condutor. Usualmente, o condutor é

um fio, esse fio é enrolado de tal maneira a produzir uma bobina. Assim que o campo magnético passa pela

bobina, ele induz nessa mesma bobina uma tensão que é proporcional à intensidade do campo magnético,

à velocidade do movimento e ao número de voltas do fio da bobina.

A relutância em circuitos magnéticos é o equivalente à resistência em circuitos elétricos. Um caminho de

baixa relutância é um bom condutor magnético. Como exemplo, se um material ferromagnético é

aproximado de um imã permanente, o campo que circunda o imã aumenta em intensidade, fazendo com

que o fluxo seja redirecionado para passar através do material.

De acordo com a figura a seguir, cada vez que o material magnético se aproxima, o campo deverá ser

alterado, e um pulso de corrente será induzido na bobina.

s


2.1. Princípio de Funcionamento

Geração de um campo eletromagnético de alta freqüência, que é desenvolvido por uma bobina ressonante

instalada na face sensora.

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, absorve a energia do campo,

diminuindo a amplitude do sinal gerado no oscilador. Esta diminuição do valor original aciona o estágio de

saída. Os sensores de proximidade indutivos são equipamentos eletrônicos capazes de detectar a

aproximação de peças, componentes, elementos de máquinas, 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.

2.2. Característica de resposta

BERO não ativado BERO ativado

Objeto metálico

Superfícieativa

Bobina

BERO não ativado BERO ativado

Objeto metálico

Superfícieativa

Bobina

Elemento normalizado

de qualquer direção

Curva característica de resposta

Superfície ativa

BERO

Elemento normalizado

de qualquer direção

Curva característica de resposta

Superfície ativa

BERO

s


2.3. Zonas livres na montagem em metal

Face SensoraÉ a superfície onde emerge o campo eletromagnético

Distância Sensora (S)É a distância em que aproximando-se o acionador da face sensora, o sensor muda o estado da saída.

Distância Sensora Nominal (Sn)É a distância sensora teórica, a qual utiliza um alvo padrão como acionador. 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.

2.4. Características Construtivas

Faceados Não faceados

≥ 3 · Sn ≥ 3 · d1

d1

Zona livre

Metal

Metal

≥ 2 · Sn

≥ 3 · Sn ≥ 3 · d1

d1

Zona livre

Metal

Metal

≥ 2 · Sn

s


Distância Sensora Operacional (So)É a distância em que seguramente pode-se operar, considerando-se todas as variações de industrialização,

temperatura e tensão de alimentação.

So = Fr x 0,8 x Sn

2.5. Fatores de Redução

São fatores que devem ser aplicados em função do tipo de sensor e atuador que por sua vez pode ter alta

ou baixa permeabilidade magnética, influenciando na distância de atuação do dispositivo.

Influência do AtuadorA distância sensora operacional varia ainda com o tipo de metal, ou seja, é especificada para o ferro ou aço

e necessita ser multiplicada pelo fator de redução.

HistereseÉ 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.

Elemento padrãonormalizadoST 37

a

aa

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

aMetal

BERO montado embutido BERO montado não embutido

Aço(V2A)

AlumínioLatãoCu

Fator de redução Elemento padrãonormalizadoST 37

Aço(V2A)

Alumínio, BronzeCu

Elemento padrãonormalizadoST 37

a

aa

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

aMetal

BERO montado embutido BERO montado não embutido

Aço(V2A)

AlumínioLatãoCu

Fator de redução Elemento padrãonormalizadoST 37

Aço(V2A)

Alumínio, BronzeCu

s


2.6. Classes de saídas 2, 3 e 4 condutores

2.7. Configuração de saída do tipo pnp e npn com 3 condutores

��

��

��

3 condutores

3 condutores

L+

L-

I

2 condutores

2 condutores

L+

L-

I

4 condutores

4 condutores

L+

L-

I

1 NA

1 NA

1 NA + 1 NF

��

��

��

3 condutores

3 condutores

L+

L-

I

3 condutores

3 condutores

L+

L-

I

2 condutores

2 condutores

L+

L-

I2

condutores2

condutores

L+

L-

I

4 condutores

4 condutores

L+

L-

I4

condutores4

condutores

L+

L-

I

1 NA

1 NA

1 NA + 1 NF

Saída A(L+) - conectando

Saída A(L-) - conectando

Saída A(L+) - conectando

Saída A(L-) - conectando

s


2.8. Aplicações

Posicionar por ex.em máquinas deprodução automáticas,dispositivos de fixação

Alta exatidãode repetição

Alta freqüênciade operação

Atuação semcontato físico

Tempos de operação curtos

Contador por ex. emequipamentos deseleção, esteiras detransporte

Sensor de proximidadepor ex. portões, grades e elevadores

Gerador de pulsospor ex. para monitoramentode repouso, e sentidode rotação

Posicionar por ex.em máquinas deprodução automáticas,dispositivos de fixação

Alta exatidãode repetição

Alta freqüênciade operação

Atuação semcontato físico

Tempos de operação curtos

Contador por ex. emequipamentos deseleção, esteiras detransporte

Sensor de proximidadepor ex. portões, grades e elevadores

Gerador de pulsospor ex. para monitoramentode repouso, e sentidode rotação

s


3. Sensores Capacitivos

A capacitância depende da área das placas A, da constante dielétrica do meio, εr, e da distância entre as

placas, d:

C = εr A / d

Nos sensores Capacitivos podemos variar qualquer destes fatores, sendo mais prático alterar a distância

entre uma placa fixa e uma móvel, ou a área, fazendo uma placa móvel cilíndrica ou em semicírculo (ou

várias paralelas, como no capacitor variável de sintonia) se mover em direção à outra fixa.

A variação na capacitância pode ser convertida num desvio na freqüência de um oscilador, ou num desvio

do equilíbrio (tensão) numa ponte feita com dois capacitores e dois resistores, alimentada com corrente

alternada. O desvio de tensão será inversamente proporcional ao desvio na capacitância, neste caso e,

usando um sensor de distância entre as placas, será proporcional ao deslocamento entre as placas.

Este método é usado em sensores de posição, força e pressão, havendo uma mola ou diafragma circular

suspenso por borda elástica (como o cone de um alto-falante), suportando a placa móvel. Há também o

sensor por diferença de capacitância, que é um capacitor duplo, com duas placas fixas e uma móvel no

centro.

3.1. Princípio de Funcionamento

Baseia-se na geração de um campo elétrico, desenvolvido por um oscilador controlado por capacitor.

O lado sensível de um sensor capacitivo é formado por dois eletrodos metálicos dispostos concentricamente

que se equivalem a um capacitor.

As superfícies dos eletrodos são conectadas em uma ramificação de alimentação de um oscilador de alta-

freqüência sintonizado de tal maneira que não oscilem quando a superfície está livre. Quando um objeto se

aproxima da face ativa do sensor, ele entra no campo elétrico sob a superfície do eletrodo e causa uma

mudança na capacitância do conjunto, ocorrendo uma oscilação com uma amplitude tal que seja detectada

por um circuito e convertida em um comando de chaveamento.

Figura 3.1 – Lados de um Sensor Capacitivo

Detecção de plásticos, madeiras, vidro, pós e líquidos

Eletrodo

Campo elétrico

Objetodielétrico

Detecção de plásticos, madeiras, vidro, pós e líquidos

Eletrodo

Campo elétrico

Objetodielétrico

s


3.2. Aspectos Construtivos

Quando um objeto se aproxima da face ativa do sensor, ele entra no campo elétrico sob a superfície do

eletrodo e causa uma mudança na capacitância do conjunto, ocorrendo uma oscilação com uma amplitude

tal que seja detectada por um circuito e convertida em um comando de chaveamento.

A distância efetiva de atuação depende da constante dielétrica relativa do meio e de seu valor

característico, obtido em tabelas.

Um sensor de proximidade capacitivo é constituído basicamente de um oscilador, cujo capacitor é formado

por 2 eletrodos localizados na face sensora do equipamento.

Sendo εr a constante dielétrica que depende do material do objeto, no ar (εr = 1), a capacitância do

capacitor é Co.

Figura 3.2.a: Capacitor de Proximidade

O objetivo é detectar qualquer material com εr > 2, ou seja, quando um objeto de qualquer material (εr > 2)

estiver próximo à face sensora, ele modifica o valor da capacitância (C1). Esta variação da capacitância

(C1>C0) provoca o acionamento do oscilador; após a formatação, um sinal de saída é liberado, de acordo

com o esquemático:

Figura 3.2.b: Capacitor de Proximidade com elemento a ser detectado

Eletrodo

Campo Elétrico

Ar εr = 1C = C0

Eletrodo

Objeto com εr > 2

C = C1

s


3.3. Sensores Faceados

São modelos cilíndricos (invólucro metálico) ou retangulares (invólucro plástico). Utilizados para a detecção

de materiais isolantes (madeira, plástico, papelão, vidro, etc).

Este tipo é recomendado quando:

• As distâncias de detecção são relativamente pequenas;

• As condições de montagem necessitam que o sensor seja embutido;

• Deve-se efetuar a detecção de um material não condutor através de uma parede que não seja

condutora (exemplo: detecção de vidro através de uma embalagem de papelão).

3.4. Sensores Não – Faceados

São os modelos cilíndricos (invólucro plástico), utilizados para a detecção de materiais condutores (metal,

água, líquidos, etc). Este tipo é recomendado para:

• A detecção de um material condutor a grandes distâncias;

• A detecção de um material condutor através de uma parede isolante;

• A detecção de um material não condutor colocado sobre ou diante de uma peça metálica aterrada.

Perturbações

Eletrodo PrincipalEletrodo de TerraEletrodo de Compensação

Fase SensoraPerturbações

Eletrodo PrincipalEletrodo de TerraEletrodo de Compensação

Fase Sensora

Eletrodo Principal

Fase SensoraTerra

(a)

Eletrodo Principal

Fase SensoraTerra

(a)

s


3.5. Características Técnicas e Aplicações

A distância nominal é definida com uma placa quadrada de aço doce, com 1 mm de espessura, similar à

usada nos sensores indutivos. A dimensão da lateral da placa é igual à dimensão da face sensora.

Uma regulagem nominal da sensibilidade é efetuada em fábrica.

Dependendo da aplicação, um ajuste da sensibilidade poderá ser necessário, dependendo de:

• aumento da sensibilidade para os objetos de fraca influência

• (εr baixo) : papel, papelão, vidro, plástico,

• manutenção ou diminuição da sensibilidade para os objetos de forte influência (εr elevado) : metais,

líquidos.

• Os sensores capacitivos possuem eletrodos de compensação, que permitem eliminar as influências

das variações do meio

• ambiente (umidade, poluição).

Com variações acentuadas do meio ambiente, deve-se tomar a precaução de que o aumento da

sensibilidade não coloque o produto em uma faixa crítica de funcionamento.

O aumento da sensibilidade corresponde a um alongamento da histerese de comutação.

3.6. Distâncias de operação

As distâncias de funcionamento dependem da constante dielétrica εr do material a ser detectado. Quanto

maior for o valor de εr, mais facilmente o material será detectado. A distância de funcionamento depende do

material do objeto a ser detectado:

St = Sn x Fc

St = distância de trabalho,

Sn = distância sensora nominal,

Fc = fator de correção relacionado ao material do objeto a ser detectado.

A tabela a seguir, indica os valores da constante dielétrica dos principais materiais, e respectivos fatores de

correção (Fc) da distância sensora nominal em função do material do objeto a ser detectado.

s


Material εr Fc Material εr Fc

Ar 1 0 Mica 6…7 0,5…0,6

Álcool 24 0,85 Nylon 4…5 0,3…0,4

Araldite 4 0,36 Papel 2…4 0,2…0,3

Acetona 20 0,8 Parafina 2…2,5 0,2

Amoníaco 15…25 0,75…0,8 Plexiglass 3,2 0,3

Madeira seca 2…7 0,2…0,6 Resina de poliéster 2,8…8 0,2…0,6

Madeira úmida 10…30 0,7…0,9 Poliestireno 3 0,3

Borracha 2,5…3 0,3 Porcelana 5…7 0,4…0,5

Cimento (pó) 4 0,35 Leite em pó 3,5...4 0,3...0,4

Cereais 3…5 0,3…0,4 Areia 3...5 0,3...0,4

Água 80 1 Sal 6 0,5

Gasolina 2,2 0,2 Açúcar 3 0,3

Etileno glicol 38 0,95 Teflon 2 0,2

Farinha 2,5…3 0,2…0,3 Vaselina 2...3 0,2...0,3

Óleo 2,2 0,2 Vidro 3...10 0,3...0,7

Mármore 6…7 0,5…0,6

Tabela 3.4.2.a: Valores de εr e seus fatores de correção

3.7. Fatores de redução

Tabela 3.5: Distância de operação em função do material do atuador

s


Interferências eletromagnéticasOs sensores são testados sob interferências eletromagnéticas segundo as exigências da norma IEC 947-5-

2 (descargas eletrostáticas, campo eletromagnético irradiado, transientes rápidos, impulsos de tensão).

Interferências térmicasO desrespeito aos valores indicados nos dados técnicos resulta em desvios na distância sensora, o que

pode comprometer o bom funcionamento dos sensores.

VibraçõesOs sensores são testados conforme a norma IEC-68-2-6.

Influência do aterramentoO aterramento de um objeto de alta condutividade aumenta a distância sensora. Para evitar uma

interferência mútua entre os sensores deve-se respeitar, durante a montagem, as distâncias indicadas nas

precauções de colocação em funcionamento dos produtos.

3.8. Classes de saídas 2, 3 e 4 condutores

��

��

��

3 condutores

3 condutores

L+

L-

K

2 condutores

2 condutores

L+

L-

K

4 condutores

4 condutores

L+

L-

K

1 NA

1 NA

1 NA + 1 NF

��

��

��

3 condutores

3 condutores

L+

L-

K

3 condutores

3 condutores

L+

L-

K

2 condutores

2 condutores

L+

L-

K2

condutores2

condutores

L+

L-

K

4 condutores

4 condutores

L+

L-

K4

condutores4

condutores

L+

L-

K

1 NA

1 NA

1 NA + 1 NF

s


4. Sensores Ópticos

4.1. Princípios de Funcionamento

Baseiam-se na transmissão e recepção de luz infravermelha, que pode ser refletida ou interrompida pelo

objeto a ser detectado.

4.2. DifusãoO 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.

Sensor difuso(sensor energético)

Sensor difuso comsupressão de fundo

Sensor reflexivo

Sensor barreira Sensor para condutoresde fibra ótica

Sensor reflexivocom saída analógica

Sensor marca cor Sensor de cores Sensor fenda

Sensor difuso(sensor energético)

Sensor difuso comsupressão de fundo

Sensor reflexivo

Sensor barreira Sensor para condutoresde fibra ótica

Sensor reflexivocom saída analógica

Sensor marca cor Sensor de cores Sensor fenda

Luzinfravermelha

Luzinfravermelha

A luz é refletidadiretamente pelo

objeto


objeto

Energético

Supressão de Fundo

Luzinfravermelha

Luzinfravermelha


objeto


objeto

Energético

Supressão de Fundo

s


4.3. Sensores reflexivos

O transmissor e o receptor são montados em uma única unidade. O feixe de luz chega ao receptor após a

incidência em um espelho e o acionamento da saída ocorre quando o objeto interrompe o feixe.

4.4. Sensor Reflexivo em um espelho de 3 vias

Luz vermelhavisível


Espelho de três vias


A luz é refletidapor uma espelho

especial


especial

O feixe de luz é interrompido por

um objeto


um objeto






especial


especial


um objeto


um objeto

Refletor "normal"

Variação possível+/- 15°


Espelho de 3 viasA luz polarizada do

transmissor é modificada e atravessa o filtro de

polarização do receptor.

A luz polarizada NAO é modificada e o receptor não

pode vê-la.

Refletor "normal"



Espelho de 3 viasA luz polarizada do

transmissor é modificada e atravessa o filtro de

polarização do receptor.

A luz polarizada NAO é modificada e o receptor não

pode vê-la.

s


4.5. Barreira de luz direta

4.6. Comparação da distância sensora

A luz do emissor atinge o receptor


O objeto interrompe esteraio de luz “escuro ligado“O objeto interrompe esteraio de luz “escuro ligado“



O objeto interrompe esteraio de luz “escuro ligado“O objeto interrompe esteraio de luz “escuro ligado“

Sensor com supressão de fundo

Sensor energético

TransiçãoPreto / Branco

100 %40 %

100 %94 %

Sensor com supressão de fundo

Sensor energético

TransiçãoPreto / Branco

100 %40 %

100 %94 %

s


4.7. Condutores de fibra ótica

4.8. Laser com saída analógica

De acordo com as fibras usadas, podem ser usadoscomo sensor difuso ou sensor de barreira

A distância sensora depende da fibra ótica utilizada: fibras óticas de vidro ou de plástico.

De acordo com as fibras usadas, podem ser usadoscomo sensor difuso ou sensor de barreira

A distância sensora depende da fibra ótica utilizada: fibras óticas de vidro ou de plástico.

Um raio laser é refletido no objeto e é direcionado a um diodo especial (PSD).O ponto de encontro depende da distância do objeto.

Resolução 20µm ou 80µm.

0V85 mm45 mm

10V

Um raio laser é refletido no objeto e é direcionado a um diodo especial (PSD).O ponto de encontro depende da distância do objeto.

Resolução 20µm ou 80µm.

0V85 mm45 mm

10V

s


4.9. Marca cor

4.10. Fenda

4.11. Cor

O sensor marca cor reage a diferenças de contraste. De acordo com a aplicação ele transmite luzvermelha ou verde.Ele é um “sensor energético“ especial.

O sensor marca cor reage a diferenças de contraste. De acordo com a aplicação ele transmite luzvermelha ou verde.Ele é um “sensor energético“ especial.

O sensor fenda reage a diferençasde contraste. Ele envia um raio de luz através do objeto e o recebe ao mesmotempo. De acordo com a aplicação eleemite luz verde/vermelha ou infra-vermelha.Ele é um “sensor energético“ especial

O sensor de cor pode reconhecer uma determinada cor. Trabalha com 3 transmissores: vermelho, verde, azul.Pode reconhecer uma cor ou uma graduação de cor. É acionado através de função “Teach-In“.Não reage a diferenças de luminosidade.

s


4.12 Reserva de Função

4.13 Função anti-interferência

Nível recebido

Reserva de funçãoEmissão de luz em excesso

(LED verde)Saída de comutação

(LED amarelo)

Hysterese de ligaçãoReserva de funçãoEmissão de luz em excesso

325µs 325µs325µs 215µs 110µs110µs215µs325µs

Emissor

Receptor

1 ms

Receptor “reconhece“ o impulso de luz

O emissor modula o raio de luz

O receptor avalia o sinal. Se o sinal está correto, a saída é acionada.


Emissor


Emissor

ReceptorReceptor

1 ms1 ms

Receptor “reconhece“ o impulso de luz

O emissor modula o raio de luz

O receptor avalia o sinal. Se o sinal está correto, a saída é acionada.

VANTAGENS:• Quase insensível à luz externa• Sem influências mútuas• Sem instruções de montagem

VANTAGENS:• Quase insensível à luz externa• Sem influências mútuas• Sem instruções de montagem

s


4.14. Sensibilidade à luz externa

4.15. Configurações das Saídas

Quanto à incidência de luz

LIGHT ON - A saída é chaveada quando a PRESENÇA da luz é detectada pelo receptor.

DARK ON - A saída é chaveada quando a AUSÊNCIA de luz é detectada pelo receptor.

4.16. Zonas de Atuação

Especificação: 10.000 Lux (Luz natural)3.000 Lux (luz artificial)

Radiação solar direta 10.000 - 100.000 Lux(meio-dia)Céu nublado 1.000 LuxIluminação interior 300 - 1.000 LuxIluminação de rua 0,5 - 30 Lux

Uma lâmpada incandescente de 100 W gera em 1m de distânciaaprox. 100 Lux. (média)

s


4.17. Exemplos de aplicações

Controle de rasgosno rolo de tearusando um sensordifuso

Contagem de garrafasutilizando um sensordifuso

Controle de rasgosno rolo de tearusando um sensordifuso

Contagem de garrafasutilizando um sensordifuso

Contagem de CI'susando um sensorde fibra ótica

Controle de tampasusando um sensor defibra ótica do tipobarreira

1 7 1 3

Contagem de CI'susando um sensorde fibra ótica

Controle de tampasusando um sensor defibra ótica do tipobarreira

1 7 1 31 7 1 3

Medição do comprimentode rolo em mesa de cortecom um sensor defibra ótica de barreira

Sinalização iminente dofim do rolo usando um sensor difuso

Medição do comprimentode rolo em mesa de cortecom um sensor defibra ótica de barreira

Sinalização iminente dofim do rolo usando um sensor difuso

s


5. Sensores Ultra-sônicos5.1. Princípio de Funcionamento

O sensor emite pulsos cíclicos ultra-sônicos que refletidos por um objeto incidem no receptor, acionando a

saída do sensor.

Definição da faixa de medição.

tEtoImpulso emitido Eco



Início da faixade operação

Final da faixade operação

Distância do objeto

Faixa de mediçãoZonaCega

Início da faixade operação

Final da faixade operação

Distância do objeto

Faixa de mediçãoZonaCega

s


5.1.1. Alinhamento angular

5.1.2. Alinhamento Angular - Aplicação

5.1.3. Cone sonoro – Ganho em dB

+3° -3°

Permitido

Não permitido

+3° -3°

Permitido

Não permitido

+3° -3°

Permitido

Não permitido

3°

Água

Areia

45°

3°

Água

Areia

45°

-40 dB-30 dB

-20 dB-10 dB

0 dB

30°

30°

0°

-3 dB

-40 dB-30 dB

-20 dB-10 dB

0 dB

30°

30°

0°

-3 dB

s


5.2. Formas de Atuação

5.3. Zonas Livres

5.4. Vantagens

• Para detecção de objetos a distâncias determinada

• Detecção de objetos de diferentes materiais, formas e cores

• Detecção de objetos pequenos em longa distância

• Pode ser usado:

- como sensor de proximidade com supressão de fundo

- como barreira de reflexão

- para saída da distância de objeto de forma digital ou analógica

• Funcionamento constante sem manutenção

Sensor de proximidade

O eco é produzido

Barreira de reflexo

O eco de referência não é refletido;São necessários 2 chaveamentos

Sensor de proximidade

O eco é produzido

Barreira de reflexo

O eco de referência não é refletido;São necessários 2 chaveamentos

X Y Distânciasensora X

cmY

cmcm

6 - 13020 - 13040 - 30060 - 600

80 - 1000

> 3> 15> 30> 40> 70

> 6> 30> 60> 80> 150

s


5.5. Comparação entre Sensores de proximidades Ultra-sônicos e Ópticos

5.6. Materiais e Objetos

Ultrasônico

• Ponto de operação independente da superfície de materiais, cor, intensidade de luz e contrastesóticos

• Insensível a poluição, por isso nãonecessita manutenção

• Exatidão > 1 mm

• Freqüência 8 Hz

• Sensível a turbulências atmosféricase temperatura

Ótico

Características típicas

• Ponto de operação dependenteda superfície de materiais, cor, intensidade de luz e contrastesóticos

• Sensível a poluição, por issonecessita manutenção

• Exatidão > 0,25 mm


• Insensível a turbulênciasatmosféricas e temperatura

Ultrasônico

• Ponto de operação independente da superfície de materiais, cor, intensidade de luz e contrastesóticos

• Insensível a poluição, por isso nãonecessita manutenção

• Exatidão > 1 mm


• Sensível a turbulências atmosféricase temperatura

Ótico

Características típicas

• Ponto de operação dependenteda superfície de materiais, cor, intensidade de luz e contrastesóticos

• Sensível a poluição, por issonecessita manutenção

• Exatidão > 0,25 mm


• Insensível a turbulênciasatmosféricas e temperatura

Exemplos para objetos

TelhasGarrafasPaletaBlocos de açoPessoasPortasVeículosFogõesPlacas de chumboTransparênciasVidro planoEntulhoEsteirasNíveis líquidosPartes de máquinaPeças de automóveis

Exemplos para materiais

MetalPedraTerraCimentoMadeiraVidroTabacoEsmaltePlástico (transparente e colorido)StyroporRoupasPapelBorrachaKoksLíquido

Exemplos para objetos

TelhasGarrafasPaletaBlocos de açoPessoasPortasVeículosFogõesPlacas de chumboTransparênciasVidro planoEntulhoEsteirasNíveis líquidosPartes de máquinaPeças de automóveis

Exemplos para materiais

MetalPedraTerraCimentoMadeiraVidroTabacoEsmaltePlástico (transparente e colorido)StyroporRoupasPapelBorrachaKoksLíquido

s


5.7. Exemplos de Aplicações

s


Laços de controle para prensasou máquinas de extrusão

Medição de alturase controle de qualidade emcorreias transportadoras

Aplicações com vidroclaro ou objetos transparentesem correias transportadoras

Monitoramento individual devagas em estacionamentos

Laços de controle para prensasou máquinas de extrusão





Monitoramento individual devagas em estacionamentos

Deteção do nível de líquidos emrecipientes

Medição do diâmetrodo rolo de papéis, plástico ou produtostêxteis

Monitoramentode rupturas de cabos e cordas

Medição de alturasde tábuas de madeira, vidro, plástico, bóias de metal, etc ...

Deteção do nível de líquidos emrecipientes

Medição do diâmetrodo rolo de papéis, plástico ou produtostêxteis

Monitoramentode rupturas de cabos e cordas

Medição de alturasde tábuas de madeira, vidro, plástico, bóias de metal, etc ...

s


5.8. Influências AmbientaisInsensível a pó, neblina

5.9. Como especificar um sensor

1. Distância sensora SN

2. Tensão de alimentação: VCA / VCC

Tipos de saída: CA

CC PNP

NPN

Saídas: NA, NF ou NANF

4. Material a ser detectado:

- Metal (ferroso, não-ferroso, opaco, translúcido, transparente)

- Não metal

5. Dimensões do alvo:

- Diâmetro

- Final alvo: brilhante / escuro

6. Conexão elétrica: cabo, conector

7. Temperatura de operação ambiente: ºC

8. Ambiente: poeira, óleo, umidade/névoa

9. Detecção cores

- Proteção contra água

- Tipo de Excitação: LO e DO

Temperatura ambiente0,17% / °C Umidade do ar

Movimento do arPressão atmosférica

Temperatura ambiente0,17% / °C Umidade do ar

Movimento do arPressão atmosférica

s


6. Redes de Sensoriamento

6.1. Introdução

Dentro de uma planta automatizada é possível classificar diferentes níveis de automação que caracterizam

as hierarquias do processo de acordo com a funcionalidade específica.

A figura abaixo representa a chamada Pirâmide de Automação com os diferentes níveis de automação

encontrados em uma planta industrial.

Figura 6.1: Pirâmide de Automação – Visão Geral

Na base da pirâmide está envolvido o Controlador Programável atuando sobre máquinas e motores, estes

por sua vez alimentados por inversores, conversores ou sistemas de partida suave.

No topo da pirâmide, a característica marcante é a informatização ligada ao setor corporativo da empresa.

Quanto aos níveis intermediários, é possível fazer uma breve descrição de cada nível:

• Nível 1: É o nível das máquinas, dispositivos e componentes (chão de fábrica), onde a automação é

realizada pelo controlador programável. Ex: Máquinas de Embalagem/Linhas de Montagem/Máquinas de

Formulário.

• Nível 2: Este nível se caracteriza quando algum tipo de supervisão está associado ao processo. É o

nível onde se encontram Sistemas Supervisórios e IHM’s (Interfaces Homem Máquina), normalmente

interligados em redes de comunicação. Ex: Máquina Automatizada para linha de engarrafamento e

processos de batelada.

s


• Nível 3: Este nível permite o controle do processo produtivo da planta. Normalmente é constituído por

bancos de dados com informações dos índices de qualidade da produção, relatórios e estatísticas de

processo, índice de produtividade, etc. Ex: Avaliação e controle de qualidade em processo químico ou

alimentício.

• Nível 4: Este é o nível responsável pela programação e planejamento dos elementos constituintes da

fábrica, realizando o controle de suprimentos e sendo responsável pela manutenção da qualidade. Ex:

Acompanhamento de suprimentos e estoques em função do planejamento produtivo da indústria.

• Nível 5: Finalmente este nível é o responsável pelo planejamento dos recursos da empresa, onde se

encontram os softwares responsáveis pela gestão de vendas e gestão financeira. Aqui são realizados a

decisão e o gerenciamento de todo o sistema. Ex: Indústrias de Fermentação: sistema produtivo de

fabricação de bebidas em conjunto com soluções de gestão empresarial.

Da análise da Pirâmide de Automação, chega-se a conclusão que as plantas devem possuir seus níveis

funcionais cada vez mais interconectados, buscando um fluxo de dados tanto entre camadas de mesmo

nível (fluxo horizontal) quanto níveis diferentes (fluxo vertical). O fluxo vertical visa integrar níveis diferentes,

dentro de uma visão sistêmica.

Uma das maneiras de iniciar esse processo de sinergia entre as camadas que compõem a operação é

iniciar a integração pelo nível 1 (operacional), onde se encontram os dispositivos e componentes da

operação propriamente dita. Os sinais de processo gerados neste nível operacional são convertidos em

elétricos e transmitidos aos controladores programáveis por meio dos sensores e transdutores. Deve-se

observar que estes são sinais elétricos originários de operações físicas dos elementos do “chão de fábrica”.

De posse desses sinais elétricos, faz-se necessário interconectar os elementos em uma rede de

comunicação. Essa comunicação é feita geralmente utilizando a abordagem clássica da filosofia “mestre-

escravo”, em que uma estação “mestre” controla o fluxo de informações com as estações “escravas”

dispostas ao longo da planta.

A presença de uma estrutura física para troca de informações (meio físico) torna possível essa

movimentação de dados, ou seja, uma rede de comunicação dedicada à conexão dos elementos sensores

e transdutores dispostos ao longo da planta, no nível operacional.

Além da estrutura física, um padrão de comunicação também é requerido, de maneira a gerenciar a troca de

“pacotes” de informações.

Diante disto, o uso de soluções envolvendo ASI (Actuator Sensor Interface – Interface para Sensores e

Atuadores) é uma das mais tradicionais aplicações dentro do nível 1 ou “chão de fábrica”.

A rede AS-Interface existe desde 1994, com a qual sinais analógicos e digitais juntos ao processo e à

máquina podem ser transmitidos de forma digital.

A AS-Interface é uma interface universal entre os sinais de comando e os sensores / atuadores dos níveis

de chão-de-fábrica. Não faz muito tempo que a pressão para redução de custos na automação exigiu uma

s


mudança estrutural. O que alavancou esta mudança foram os imensos custos provocados pela instalação

dos cabos que tinham que ser usados para a conexão do nível de campo aos equipamentos de automação

(normalmente controladores lógicos programáveis), pois cada um dos atuadores ou sensores tinha que ser

conectado com o comando central e sua respectiva alimentação. Isso não provocava somente custos altos

de montagem, mas também de cablagem, bem como um maior número de falhas e consequentemente,

menor confiabilidade do sistema.

A análise termo-a-termo do conceito AS-Interface (Interface Sensor Atuador) define a sua aplicação técnica,

referindo-se a uma interface simplificada voltada à conexão de sensores e atuadores, no ambiente

operacional caracterizando aplicações para as chamadas redes de sensoriamento.

Dois aspectos técnicos são responsáveis pela aplicação de tal tecnologia:

• o emprego de controladores e CPU’s (Unidade Central de Processamento) permitiram o uso de

dispositivos digitais e uma forte descentralização dos sistemas instalados. Onde monitores (interfaces) e

teclados possuem elevada importância nas soluções apresentadas. Assim sistemas descentralizados e

com certo grau de “inteligência” necessitam de um aumento de capacidade na comunicação entre

unidades de controle e elementos periféricos, de maneira a atingir um bom desempenho.

• O uso da tecnologia de via de dados digital está substituindo os cabos paralelos usados na comunicação

entre controles e dispositivos digitais por um cabo único, gerando uma grande economia principalmente

em hardware e periféricos.

O conjunto de cabos em árvore, usado na arquitetura de comunicação tradicional, de acordo com a figura a

seguir, é uma solução de elevado preço na instalação e manutenção dos equipamentos.

Rede Convencional Rede AS-Interface

s


6.2. Topologias e especificações normal e avançada

A topologia de uma rede AS-Interface pode ser escolhida, permitindo que a configuração da rede se adapte

melhor à aplicação, às necessidades do local e pode ser do tipo estrela, anel ou em linha (barramento). Os

“escravos” podem estar localizados tanto em linha (dispostos na rede) ou em grupos. Resistores de

terminação (fim de linha) não são necessários.

As possíveis topologias são mostradas a seguir:

Figura 6.2.a: Ponto-a-ponto Figura 6.2.b: Barramento

Figura 6.2.c: Anel Figura 6.2.d: Árvore

A rede AS-Interface pode ser montada como instalações elétricas usuais. Por ser robusta não há nenhuma

restrição quanto a estrutura (topologia de rede).

Os módulos AS-Interface podem ser instalados em forma linear, estrela, árvore ou anel.

Em um sistema AS-Interface normal pode-se conectar no máximo 31 escravos sendo que cada escravo

pode ter até quatro entradas e quatro saídas (no total até 124 bits de entrada e 124 de saída).

Em um sistema AS-Interface segundo a especificação avançada, pode-se conectar até 62 escravos A/B.

Estes têm no máximo quatro entradas e três saídas (isto é, até 248 bits para entradas e 186 para saídas

dentro de um sistema AS-Interface).

Mestreponto a ponto

linha (barramento) Mestre

árvore Mestreanel Mestre

s


O ASI é um sistema de interconexão entre redes, não proprietário e padronizado, voltado à conexão de

sensores, atuadores e outros equipamentos atuando no nível operacional da planta.

A figura a seguir dá uma visão geral da aplicação de tal tecnologia e seus elementos básicos constituintes:

Figura 6.2.e.: Visão geral do emprego de uma solução AS-Interface

Os sinais provindos do processo (planta) são normalmente transmitidos para um sistema de controle,

através de uma grande quantidade de cabos (fios) paralelos que se originaram dos elementos dispostos na

planta. Isto significa que, cada dispositivo está individualmente conectado a uma placa de entrada/saída

através de um fio ou cabo dedicado.

A solução envolvendo ASI possibilita retirar essa fiação e colocar em seu lugar um cabo de dois fios (não

blindado), possibilitando assim, tanto o envio de informações (dados) quanto controle de energia para os

dispositivos.

Para tal, faz-se necessário que uma estação “mestre” se comunique com os nós (escravos) espalhados pela

planta, utilizando o meio que suporte ASI enquanto uma fonte de energia, também dedicada, fornece

energia necessária para os elementos dispostos na rede, interconectando e alimentando os dispositivos. O

cabo de comunicação ASI é instalado como qualquer outro cabo de comunicação padrão existente no

mercado. Caso seja necessário, novos pontos podem ser anexados e instalados. Essa versatilidade permite

trabalhar com diferentes topologias de rede (árvore, estrela, anel, etc). Não se faz necessário o uso de

blindagem nos cabos e resistores de terminação de linha

Uma solução ASI pode ser uma solução independente ou pode estar associada a outra solução de rede,

fortalecendo assim o conceito de interconectividade, exemplo, a figura 1.5:

s


Figura 6.2.f: Implementação de uma solução As-Interface com periféricos

6.3. Principais Características

As principais características envolvidas na solução AS-Interface são apresentadas a seguir:

• os componentes da rede conseguem se interagir entre si em um conceito de interoperabilidade, por

exemplo, cada escravo da rede consegue trabalhar em conjunto com outro escravo.

Este conceito é mantido, independente, das mudanças ou extensões que venham a ocorrer no sistema.

• AS-Interface é uma solução que envolve um único “mestre” por rede com varredura cíclica, a qual varre

todos os “escravos” utilizando os endereços de rede.

• Todos os pacotes de dados envolvidos na troca de informações são pequenos, de estrutura simplificada

e têm um comprimento fixo. Os bits de dados são trocados entre o “mestre” e cada “escravo”, de

maneira individual, durante um ciclo de varredura.

• O cabo utilizado não é blindado e é formado por 2 fios os quais transferem dados e alimentação. Embora

não tenha uma blindagem, a integridade dos dados é garantida, mesmo em ambientes agressivos por

mecanismos de controle da taxa de erros no envio das informações.

s


6.4. “Escravo”

Escravos são, no fundo, módulos de E/S descentralizados do controlador programável (CLP).

O escravo AS-Interface reconhece os bits de dados enviados pelo mestre e envia de volta os seus próprios.

Em um módulo AS-Interface padrão pode-se pendurar, de cada vez, até quatro sensores e quatro atuadores

binários. Fala-se de um escravo inteligente quando o chip do AS-Interface está integrado no sensor ou

atuador.

Escravos AS-Interface existem tanto em módulos digitais, analógicos e pneumáticos, como também em

componentes inteligentes, como por exemplo: partidas de motores, sinalizadores coluna ou botoeiras.

Com os módulos pneumáticos pode-se comandar cilindros pneumáticos simples ou de ação dupla. Isto não

economiza somente em cablagem, mas também em canaletas.

Devido à concepção de projeto e à própria filosofia de implementação da AS-Interface, o “escravo” é

concebido como um elemento compacto e pequeno, com boa relação custo / benefício, possuindo alta

integrabilidade. Independente de como o “escravo” tenha sido construído, é sempre importante observar

que o acoplador precisa ser uma estrutura física e não-lógica.

Conforme visto anteriormente, dependendo da especificação normal ou avançada do tipo de rede os

“escravos” poderão ser:

• Padrão: com 4 entradas e 4 saídas, em um total de até 31 unidades por rede.

• Tipo A/B: com 4 entradas e 3 saídas, em um total de até 62 unidades por rede.

6.4.1. Lado de Rede do “Escravo”

Cada “escravo” deve se comunicar sem problemas com o “mestre” e não deve interferir com a comunicação

entre outros “escravos” e o “mestre”.

Os terminais de operação do “escravo” devem atuar em uma faixa de tensão da ordem de 26,5 a 31,6 VDC.

O “escravo”, neste ponto, pode drenar corrente da rede e fornecer a seus próprios componentes internos e

à conexão sensor e/ou atuador.

É de responsabilidade do usuário, durante a concepção da solução que a energia total requerida pelos

“escravos” não suplante a energia disponibilizada pelo circuito.

Nas junções eletromecânicas, é possível e permitido conectar e desconectar os “escravos” durante a

operação. O “escravo” não necessita corrente elevada no momento de contato e troca de dados com outros

“escravos”, caracterizando uma rede de comunicação de dados que drena baixa corrente.

A AS-Interface opera sem um sistema de aterramento e para prevenir distorções de sinal e suprimir

interferências, é considerado que as impedâncias dispersas para a “terra” sejam simétricas e que

s


contenham certos limites de valores que não sejam excedidos. Isto deve ser levado em consideração no

momento de desenvolvimento de certos módulos, facilitando a vida do usuário quanto às restrições na

conexão dos elementos da rede.

6.5. “Mestre”

O Mestre da AS-Interface forma uma conexão com redes superiores. Ele organiza através de atividade

própria o trânsito de dados no cabo AS-Interface e os disponibiliza se necessário a um sistema bus num

nível superior.

Paralelamente à consulta dos sinais, o mestre transmite também parâmetros a cada um dos participantes,

controla a rede continuamente e realiza diagnósticos.

Ao contrário de sistemas de barramentos de comunicação de dados complexos, a AS-Interface é quase

completamente capaz de se autoconfigurar. O usuário não precisa configurar nada, como por exemplo:

direito à entrada, taxa de dados, tipo de telegrama, etc.

O mestre executa automaticamente todas as funções que são necessárias para o funcionamento correto da

AS-Interface.

Além disso, ele possibilita o auto-diagnóstico do sistema. Ele reconhece as falhas em qualquer ponto da

rede, indica o tipo de falha e pode ainda determinar em que escravo ocorreu o problema.

O “mestre” possibilita a interface entre o sistema de transmissão e o controle, de acordo com a figura a

seguir, onde se verifica que todas as entradas / saídas são mapeadas com 4 bits pelo escravo, somando-se

a isso, o “mestre” oferece possibilidades para diagnóstico de possíveis problemas que ocorram na rede.

A configuração da rede é continuamente monitorada e comparada com configurações armazenadas. Por

exemplo, se um “escravo” falha, ele pode ser trocado rapidamente e o “mestre” automaticamente fornece o

seu endereçamento.

6.5.1. Estrutura “Mestre”

A especificação do “mestre” é composta por 4 camadas principais, as quais são responsáveis pelo

encaminhamento da mensagem pelo cabo de comunicação até a estação de controle. De acordo com a

figura a seguir, é possível ter uma idéia da localização dessas camadas:

s


Estação

Interface da Estação Interface para o controle

Controle de Execução Funções Mestre, Controle de Seqüência, Endereçamento Automático

Controle de Transmissão Transferência de Mensagem, Proteção de Dados

Transferência Física Envio, Recebimento, Monitoramento de Tensão

Uma importante tarefa das camadas é a manipulação de erros ou operações anormais, não permitindo que

estas informações sejam transmitidas para endereços de rede incorretos.

Características básicas do funcionamento do”Mestre”:

Leitura e Escrita cíclica para todos os Escravos lendo as entradas/escrevendo nas saídas.

Operação Padrão.

• Comunicação com as Entradas e Saídas

Operação Extendida

• Com blocos de funções e/ou chamada de funções no Mestre (por exemplo, para configurar escravos).

• Pré-planejamento deve considerar a configuraçãoMonitoramento de escravos e fonte AS-Interface.

6.6. Interação Mestre / Escravos

Input data

Outputdata

EscravosMestre AS-i

Programa

Input data

Outputdata

CPU

1

2

3

...

Input dataInput data

Outputdata

Outputdata

EscravosMestre AS-i

Programa

Input data

Outputdata

CPU

1

2

3

...

s


6.7. Processo de Comunicação - Mestre

6.8. Troca de Dados Mestre-Escravo

6.9. Interação mestre-escravo

requisição1resposta

requisição2resposta

requisição3resposta ...

chamada de parâmetroXresposta

Chamada de diagnóstico?

???Mestre Escravos

ciclomax. 5ms

Pausa-Mestre 0 I1I3 I2 I0 PB 1

EBST

0 A3 PB 1SB A4 I3 I0I2 I1A2 I4A1 A0

ST EB

Dado de entradaDado de entrada

Saída de dadosSaída de dados

Requisição do mestre Resposta do escravo

Escravo

Mestre AS-Interface

Dado deSaída

1100

Dado deEntrada

0110

Dado deSaída

1100

Dado deSaída

1100

Dado deEntrada

0110

Dado deEntrada

0110 0110

011

0

Entradas

Saídasrequisição

resposta

s


6.10. Campos de Dados do Mestre

6.11. LES, LAS, LPS

O mestre controla três listas internas (Tabelas):

• LRS ... Lista de escravos reconhecidos

• LAS ... Lista de escravos ativos

• LCS ... Lista de escravos configurados

Atualização da lista pelo escravo:

• Endereço do Escravo

• Perfil do Escravo (Código I/O e de ID)

6.12. Estrutura da mensagem do AS-Interface

LCS(interna)

LAS(interna)

LRS(interna)

Dado deEntrada

Dado deSaída

CLP, PC

opcional

Escravos

Mestre

4E 4E 2E2A

4A .... .... .... ....

LCS(interna)

LCS(interna)

LAS(interna)

LAS(interna)

LRS(interna)

LRS(interna)

Dado deEntradaDado deEntrada

Dado deSaída

Dado deSaída

CLP, PC

opcional

Escravos

Mestre

4E 4E 2E2A

4A .... .... .... ....

0 A3 PB 1SB A4 I3 I0I2 I1A2 I4A1 A0 0 I1I3 I2 I0 PB 1

Requisição do mestre Pausa do Mestre Resposta do Mestre

Pausa-escravo

ST EB EBST

ST Start bit, sempre "0"SB Bit de Controle

0... Dado-/Parâmetro-/pedido de Endereço1... Comando call

A4...A0 Endereço do escravo requisitado (5 Bit)I4 Bit de Informação

0...Pedido de Dado1...Pedido de Parâmetro

I3...I0 Dado-/Bits de Parâmetroameter (4 Bits)PB Bit de ParidadeEB Stop bit, sempre "1"

ST Start bit, sempre "0"I3...I0 Bits de Dado/ParâmetroPB Bit de ParidadeEB Stop bit, sempre "1"

0 A3 PB 1SB A4 I3 I0I2 I1A2 I4A1 A0 0 I1I3 I2 I0 PB 1

Requisição do mestre Pausa do Mestre Resposta do Mestre

Pausa-escravo

ST EB EBST

ST Start bit, sempre "0"SB Bit de Controle

0... Dado-/Parâmetro-/pedido de Endereço1... Comando call

A4...A0 Endereço do escravo requisitado (5 Bit)I4 Bit de Informação

0...Pedido de Dado1...Pedido de Parâmetro

I3...I0 Dado-/Bits de Parâmetroameter (4 Bits)PB Bit de ParidadeEB Stop bit, sempre "1"

ST Start bit, sempre "0"I3...I0 Bits de Dado/ParâmetroPB Bit de ParidadeEB Stop bit, sempre "1"

s


6.13. Codificação de Sinal

6.14. Modulação APM (Alternate Pulse Modulation)

O Sinal não possui componente DC

• Isso é um requisito quando dados e energia são transmitidos em um único cabo

Permite espectro de banda em freqüência

• Reduz reflexões no fim do cabo

Aumenta os impulsos (2 por Bit)

• Sincronização é feita mais fácil

• Redundância resulta em efetivo reconhecimento de erro

6.15. Medição do reconhecimento de erro

Start bit: Impulso Negativo

Alternância: Troca de polaridade depois de cada impulso

Pausa de Impulso: Sempre no início de um comprimento definido entre dois pulsos

Dados: Um pulso na segunda metade do bit

Checagem de Paridade: Soma de todos os pulsos positivos é par

End bit: Impulso positivo

Interrogation length: Nenhum impulso diretamente após o end bit

Bit Nr. 1 2 3 4 5 6

0 0 00 1 1Sinal

CodificaçãoManchester II

Modulação APM

s


6.16. Funcionamento do Mestre AS-Interface

6.17. Os Escravos: módulos de I/O, sensores, botoeiras, etc.

6.18. Escravo AS-Interface IP67: por que usar cabos perfilados?

LRS(interna)

Testatodo escravo

na AS-i

ListaMapeada LCS

(interna)

Compara

LAS(interna)

AtivadoOK

ErroErro de Configuração

não ativado

Mestre (internamente)Usuário

LRS(interna)

Testatodo escravo

na AS-i

ListaMapeada LCS

(interna)

Compara

LAS(interna)

AtivadoOK

ErroErro de Configuração

não ativado

Mestre (internamente)Usuário

UauxUauxUauxUaux

MóduloDistribuidor

MóduloDistribuidor

MóduloDistribuidor

BotoeiraBotoeira

Módulo de E/SMódulo de E/S

Chave de PartidaChave de Partida

MestreAS-InterfaceMestreAS-Interface Fonte

AS-InterfaceFonteAS-Interface

SinalizadorColunaSinalizadorColuna

Sensor comAS-InterfaceIntegrado

Sensor comAS-InterfaceIntegrado

CLPCLP

��

��

eletrônica mecânica

��

��


��

��


s


Auto programação dos endereços dos escravos, no caso de uma troca de um módulo defeituoso.Cabo deComunicação

O cabo amarelo e perfilado, padrão da AS-Interface, tornou-se um tipo de marca registrada. Ele possui uma

seção geometricamente determinada e transmite ao mesmo tempo dados e energia auxiliar para os

sensores.

Para os atuadores é necessária uma tensão auxiliar alimentada adicionalmente (24VCC).

Para se poder utilizar a mesma técnica de instalação para os atuadores, foram especificados cabos com as

mesmas características, mas de outra cor. Desta forma, o cabo para a energia auxiliar 24VCC é um cabo

perfilado preto.

O isolamento dos condutores é composto normalmente por uma borracha (EPDM).

Para aplicações com exigências maiores podem se utilizar cabos com outras composições químicas como:

TPE perfilado (elastômero termoplástico) ou PUR perfilado (poliuretano).

Como condutor de transmissão podem ser utilizados também cabos redondos com sistema de condução

duplo sem condutor PE.

Uma blindagem do condutor não é necessária em função da técnica de transmissão empregada.

O chamado cabo padrão amarelo ou “YELLOW CABLE” é o mais simples componente e talvez o mais vital

para o sistema AS-Interface, sendo constituído por 2 fios. Este cabo tem a capacidade de transmitir ao

mesmo tempo dados e energia para os “escravos” conectados e atuadores.

Figura 6.18.a: Yellow Cable: configuração e método de conexão

O cabo amarelo ou “YELLOW CABLE” como é conhecido é um cabo achatado com dois isolados entre si,

com as seguintes características:

• Dois fios dispostos ao longo de um cabo achatado.

• Tamanho externo total de 8 por 4 mm2.

• Seção transversal do fio de 2 por 1,5 mm2.

• Proteção de polaridade reversa.

s


• Não-blindado.

• Padrão DIN VDE 0295 Classe 6

• Código de cores: Azul (-) e Marrom (+).

A seção de corte do fio é de 1,5 mm2, no entanto, uma tensão de corte de 3V no final do cabo permanece

dentro da faixa de tolerância de tensão sensível para atuadores onde a corrente de 2 A é usada até uma

distância máxima de 100m.

Figura 6.18.b: Cabo de Comunicação – Vista em corte

7. AS-Interface Versão 2.17.1. Comparação

Versão 2.0 Versão 2.1

Número de escravos Máx. 31 Máx. 62

Número de E/S 124E + 124S 248E + 186S

Transmissão Dados e energia até 7A Dados e energia até 7A

Meio físico Cabo não blindado 2x1,5 mm2 Cabo não blindado 2x1,5 mm2

Máx. Ciclo 5 ms 10 ms

Manuseio de dados analógicos Com bloco de função Integrado no mestre

Número de dados analógicos 16 bytes para dados digitais e

analógicos

248 bytes para dados analógicos

possíveis

Método de acesso Mestre / Escravos Mestre / Escravos

Comprimento máximo do cabo 100m, extensão com repetidor até

500m

100m, extensão com repetidor até

500m

s


7.2. Escravos v 2.1: quais são as diferenças?

7.3. Escravos A/B: Como isso funciona?

endereço: 1A

E EEE

SSS

endereço: 1B

E EEE

SSS

endereço: 1A

E EEE

SSS

endereço: 1B

E EEE

SSS

endereço: 1A

E EEE

SSS

endereço: 1B

E EEE

SSS

Versão 2.0: 1 endereço / escravo

(Máx. 4E/4S)

endereço: 1

E EEE

S SSS

endereço: 1

E EEE

S SSS

E EEE

S SSS

Versão 2.1:2 Escravos porendereço comum: Escravos A e B!

(Máx. 4E/3S)

A B

1) chama todos osescravos A e padrão

Escravo 1A Escravo 2A Escravo 31A Escravo 1B

Escravo 1B Escravo 31A Escravo 2A Escravo 1A

Escravo 2B

Escravo 2B

Resposta de todos osescravos A e padrão

2) chama todos osescravos B e padrão

Resposta de todos osescravos B e padrão

1) chama todos osescravos A e padrão

Escravo 1A Escravo 2A Escravo 31A Escravo 1B

Escravo 1B Escravo 31A Escravo 2A Escravo 1A

Escravo 2B

Escravo 2B

Resposta de todos osescravos A e padrão

2) chama todos osescravos B e padrão

Resposta de todos osescravos B e padrão

Para escravos padrão o tempo de ciclo continua 5 ms!!!

Chamada 1. Ciclo = max. 5ms:- todos os escravos padrão- todos os escravos A- todos os escravos B (se não existir o correspondente escravo A, ou seja, por ex., o 5A não está na rede mas o 5B está)

Chamada 2. Ciclo = max. 10ms:- todos os escravos padrão- todos os escravos B (se o correspondenteestá presente na rede)- todos os escravos A (se o correspondenteB está presente)

s


7.4. Versão 2.1 permite qualquer combinação entre escravos padrão e A/B

7.5. Safety at Work – O Princípio

Slave 1 Slave 2 Slave 31Slave 3

Slave 1A Slave 2 Slave 31BSlave 3A

Slave 1A Slave 2A Slave 31ASlave 2B

Funcionamento Misturado

Somente escravos padrão

.......

.......

.......

Somente escravos A/B






.......

.......

.......







.......

.......

.......


Análise de sinal do Escravo Seguro pelo Monitor de Segur.Análise de sinal do Escravo Seguro pelo Monitor de Segur.Informação do Mestre (via transferência normal de E/S)Informação do Mestre (via transferência normal de E/S)

CLP e Mestre padrão

��

��

��

Monitor de Segurança Escravo Seguro

EscravoPadrão

EscravoPadrão

EscravoPadrão

s


Escravo Seguro

13753186

13753186

. . . . .

Monitor

1

4n

Tabela de códigos dosescravos seguros

n

Comparação do código:

0 1 0 0Ciclo :

5835

10127

45835

10127

45835

10127

45835

127

123456780 1 0 11 0 0 00 0 1 10 1 0 11 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1

Cód. Ok = sistema ligado

10

EscravoSeguro

13753186

13753186

. . . . .

Monitor

1

4583510127

n

Tabela de Códigos dosescravos seguros

n

0 0 0 0

Comparação do Código:Cód. ñ Ok = Sistema desliga!Comparação do Código:Cód. ñ Ok = Sistema desliga!Comparação do Código:Cód. ñ Ok = Sistema desliga!

4

0 1 0 0

0

...

s


7.6. Exemplo de Circuito:7.6.1. Monitor com um circuito de segurança

7.6.2. Transmissão de valores analógicos

CLP Mestrev2.1

Módulo Analógico

Sinal Analógico

Valor Digital

DA

Transmissão de valores analógicoscompletos para o

CLP

Módulo de AI:Sensores à correnteSensores à tensãoSensores de Temperatura

Saída à corrente

Módulo de AO:Saída à tensão

CLP Mestrev2.1

Módulo Analógico

Sinal Analógico

Valor Digital

DA

Transmissão de valores analógicoscompletos para o

CLP

Módulo de AI:Sensores à correnteSensores à tensãoSensores de Temperatura

Saída à corrente

Módulo de AO:Saída à tensão

s


7.6.3 Transferência de dados com os analógicos: o que acontece com tempos?

Transferência de dados de acordo com o perfil analógico 7.1/7.2: versão 2.0

Transferência de dados de acordo com o perfil analógico 7.3/7.4: versão 2.1

7.7. Como dimensionar uma fonte AS-Interface?

1) Módulos AS-i (< 40 mA cada um)

2) Sensores a serem utilizados em cada entrada

- sensores indutivos (~ 40 mA cada)

- sensores ópticos (~ 90 mA cada)

3) Consumo do Mestre AS-i (< 40 mA)

Exemplo: 120E / 90S

- 30 módulos de 4E/3S + mestre - consumo total = 31 x 40= 1,2A

- 100 sensores indutivos - consumo total = 100 x 40 = 4A

- 20 sensores ópticos - consumo total = 20 x 90 = 1,8A

(Atenção - limite de corrente por módulo, normalmente < 250 mA!)

- Fator de Serviço: 0,5 < F < 1,0 - verificar sempre se os sensores podem estar atuados simultaneamente

(dado do cliente!)

- E as Saídas??? - Fonte Auxiliar: normalmente em 24VCC!

Dimens. similar da fonte (alimentação do atuador via cabo preto)

MóduloAnalógico

��

��

��

AS-Interfacemestre

Doze ciclos dePrograma com SFC

(System FunctionCall)

Seis ciclosAS-Interface,

com 5msmáx. cada

CPU

��

��

��

AS-Interfacemestre

HUM ciclo dePrograma com SFC

(System FunctionCall)

Sete ciclosAS-Interface,

com 5 msmáx. cada

CPU MóduloAnalógico

s


7.8. Modularidade da AS-Interface

O emprego de soluções modulares tem se tornado a característica principal de aplicações utilizando

AS-Interface.

Cada módulo é composto de duas partes: a parte inferior chamada de módulo de acoplamento oferece uma

grande facilidade de instalação no momento de formação de novas redes. A parte superior, chamada de

módulo do usuário, contém as funções de “escravo” para a rede.

Entre elas, existe uma interface eletro-mecânica padronizada, a chamada EMI, que tem como função

simplificar a instalação de novos módulos, garantindo flexibilidade na inclusão de novas conexões de rede.

A figura, a seguir, exemplifica as possíveis conexões dos elementos em rede:

Figura 7.8.a: Construção de uma rede AS-Interface com módulos de conexão

Da figura acima, é interessante observar que a construção de toda a rede As-Interface foi realizada por meio

da interconexão de módulos, onde o cabo de conexão é formado por apenas dois fios. Os módulos de

acoplamento são mostrados em a e b, bem como outras possibilidades de conexão.

Dentro deste contexto, fica a pergunta de como uma rede pode ser ampliada para assumir novos sensores /

atuadores (“escravos”).

Essas ampliações pedem a colocação de repetidores, cuja função é amplificar sinais permitindo alcance de

até 500 m e, extensores, cuja função é simplesmente permitir extensão da rede até 100 m.

Critérios para um correto uso de repetidores e extensores devem ser obedecidos, de acordo com as figuras

a seguir:

s


Figura 7.8.b: Modularidade com emprego de repetidores

Figura 7.8.c: Modularidade com emprego de repetidores e extensores

7.9. Operação com Repetidor e Extensor

..Repetidor

21 3 4 5 6

L1

N

ASI+

ASI-

SIEMENSPOWER SUPPLY

AS I +

AS I -

Sc h irm

Schirm

21 3 4 5 6

L1

N

ASI+

ASI-

SIEMENSPOWER SUPPLY

AS I +

AS I -

Sc h irm

Schirm

��...

máx. 100m Repetidor

21 3 4 5 6

L1

N

ASI+

ASI-

SIEMENSPOWER SUPPLY

AS I +

AS I -

Sc h irm

Schirm

Fonte

21 3 456L1N

ASI+ASI-

SIEMENSPOWER SUPPLYASI +ASI -Schirm

Schir m

21 3 4 56L1N

AS I+AS I-

SIEMENSPOWER SUPPLYASI +ASI -Schi rm

Schi rm

21 3 4 5 6L 1N

A SI+A SI-

SIEMENSPO WER SUP PLYASI +ASI -Schi rm

Schir m

21 3 4 5 6L 1N

A SI+A SI-

SIEMENSPO WER SU PPLYASI +ASI -Schi rm

Schir m ...Fonte

Repetidor

21 3 4 5 6

L1

N

ASI+

ASI-

SIEMENSPOWER SUPPLY

AS I +

AS I -

Sc h irm

Schirm

21 3 4 5 6

L1

N

ASI+

ASI-

SIEMENSPOWER SUPPLY

AS I +

AS I -

Sc h irm

Schirm

��...

máx. 100m Repetidor

21 3 4 5 6

L1

N

ASI+

ASI-

SIEMENSPOWER SUPPLY

AS I +

AS I -

Sc h irm

Schirm

Fonte

21 3 456L1N

ASI+ASI-


Schir m

21 3 456L1N

ASI+ASI-


Schir m

21 3 4 56L1N

AS I+AS I-


Schi rm

21 3 4 56L1N

AS I+AS I-


Schi rm

21 3 4 5 6L 1N

A SI+A SI-


Schir m

21 3 4 5 6L 1N

A SI+A SI-


Schir m

21 3 4 5 6L 1N

A SI+A SI-


Schir m

21 3 4 5 6L 1N

A SI+A SI-


Schir m ...Fonte

Fonte

Extensor��

21 3 4 5 6

L1

N

ASI+

ASI-

SIEMENSPOWER SUPPLY

ASI +

ASI -

S chi rm

Schirm

21 345 6L1N

ASI+ASI-


Schir m

21 3 4 56L1

N

AS I+AS I-


Schi rm

21 34 5 6L1

N

AS I+AS I-


Schi rm

máx. 100m

máx. 100m

Fonte

Extensor��

21 3 4 5 6

L1

N

ASI+

ASI-

SIEMENSPOWER SUPPLY

ASI +

ASI -

S chi rm

Schirm

21 345 6L1N

ASI+ASI-


Schir m

21 345 6L1N

ASI+ASI-


Schir m

21 3 4 56L1

N

AS I+AS I-


Schi rm

21 3 4 56L1

N

AS I+AS I-


Schi rm

21 34 5 6L1

N

AS I+AS I-


Schi rm

21 34 5 6L1

N

AS I+AS I-


Schi rm

máx. 100m

máx. 100m

s


7.10. Repetidor

• Permite extensão do cabo por mais 100m (pode-se chegar até 500m)

• Escravos podem ser instalados em ambos os lados do repetidor

• As Fontes AS-Interface são necessárias em ambos os lados do repetidor

• Isolação galvânica para os dois cabos (dois lados)

• Mesma construção de um módulo de aplicação IP67

• Mestre pode ser instalado até 100m de distância do segmento AS-Interface

• Escravos podem ser instalados somente nos 100m seguintes (saída do extensor)

• Nenhuma fonte é necessária entre o mestre e o extensor

• Não faz isolação galvânica dos dois segmentos

• Instalados em módulos

7.11. Benefícios da AS-Interface

Comparativo de Custos:

Técnica Convencional x AS-Interface

��

��

Custos anteriormente:100%

26,2%

Comparativo de Custos CLPCLPCablagemCablagemMontagem de CabosMontagem de CabosE/S Distribuídas:MaterialE/S Distribuídas:MaterialE/S Distribuídas:MontagemE/S Distribuídas:MontagemE/S - CablagemE/S - Cablagem

E/S - Cablagem:MontagemE/S - Cablagem:MontagemSensoresSensores

Convencional

s


7.12. Simplicidade

• Endereçamento de escravos via Endereçador

• Botão no master possibilita configuração automática: reconhecimento automático dos escravos já

endereçados

• O modo de operação pode ser definido como Protegido: Transfere a configuração do sistema como

obrigatória

• Integração de sinais fail-safe via bus de campo

usando CLP padrão

Se um escravo falha:

• Mestre reconhece uma falha e marca o endereço do escravo

• Um escravo em falha tem que ser trocado, e na troca o mestre escreve o endereço necessário

automaticamente para o novo escravo idêntico (requisitos de manutenção reduzidos)

• Garantia de uma construção Simples fácil instalação e operação

• Transferência de dados e energia num único cabo economia nos custos de fiação e instalação

• Alta segurança na operação via monitoramento contínuo dos escravos conectados

• Simples e fácil comissionamento e manutenção

8. Bibliografia

[1] Kriesel, Werner R.; Madelung, Otto W. The Actuator – Sensor – Interface for Automation.

Editora Hanser, 2a Edição revisada e expandida, 1999.

[2] Webb, John; Greshock, Kevin. Industrial Control Electronics.

Editora Merrill Publishing Company, 1992.

[3] Moraes, Cícero Couto de; Castrucci, Plínio. Engenharia de Automação Industrial.Editora LTC, 2001

Módulo 7 SRedes ASI e Sensores

Seminários Técnicos 2003Engenheiros e Projetistas

s

Produtos e Sistemas Industriais,

Prediais e Automação Siemens

Central de Atendimento Siemens

Tel. 0800-119484

e-mail: [email protected]

www.siemens.com.br

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Porto Alegre:Tel. (55 51) 3358-1818Fax (55 51) 3358-1714

Recife:Tel. (55 81) 3461-6200Fax (55 81) 3461-6276

Rio de Janeiro:Tel. (55 21) 2583-3379Fax (55 21) 2583-3474

Salvador:Tel. (55 71) 340-1421Fax (55 71) 340-1433

São Paulo:Tel. (55 11) 3817-3000Fax (55 11) 3817-3071

sensores e rede asi_apost 7s

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