sensores na automação industrial sensores Ópticos

7/24/2019 Sensores Na Automao Industrial Sensores pticos

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Instrutor (Senai Sp.): Wilton Campos Marcelino Pgina 1

Sensores na Automao Industrial

Sensores pticos, a fibra ptica,

sensores de temperatura e redeAS-I

Trataremos, neste artigo, de alguns sensores muito utilizados nos sistemas de Automao Industrial, tais como: sensores decor, sensores com fibra ptica, sensores de temperatura, etc. Como este assunto muito extenso, no possvel esgot-loem um s artigo. Apresentaremos, ainda, a rede AS-Interface (ou AS-i) para mostrar a interconectividade dos sensoresdescritos em diversos processos fabris.

Sensores de Cor Ainda dentro da famlia dos sensores pticos, temos o sensor de cor. Com uma eletrnica mais complexa,este sensor opera com trs transmissores (vermelho, verde, azul), conforme podemos observar pela figura 1.

Atravs da modulao do emissor (figura 2); O receptor avalia o sinal. Se h coincidncia para determinado padro, a sada acionada. Este componente pode ser programado para reagir determinada cor. Os fabricantes denominam estaoperao de Teach-in.


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Uma grande qualidade do sensor de cor sua imunidade luz externa. Atravs do uso de grupos de sensores, podemosclassificar, separar e organizar peas segundo a cor, em um processo contnuo ou discreto. Cuidado! Alguns integradoresconfundem o sensor de cor com sensor marca cor. Este ltimo reage apenas diferenciao de contraste, e transmiteapenas luz vermelha ou verde. Sua utilizao bem especfica.

Sensores com Fibra ptica A fibra ptica tem sido muito utilizada na construo de sensores pticos industriais. A figura3 mostra um exemplo deste sensor na arquitetura barreira direta

J a figura 4 ilustra outro do tipo retro reflexivo.


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Quais as vantagens de utilizar sensores pticos com fibra ptica no lugar dos convencionais? Depende do processo,masas mais significativas so: Capacidade de deteco em reas restritas, por exemplo: pequenos furos. Operao em

ambientes hostis (calor, umidade, radiao, etc.) Alta preciso na deteco de pequenos objetos.Tanto o de barreiradireta como o retror-reflexivo pode ser feitos com fibras plsticas (polmeros) ou de vidro. A opo por uma ou por outrapode ser avaliada segundo a tabela 1.

A figura 5 traz um exemplo de deteco de pequenos objetos atravs de um sensor retro reflexivo de fibra ptica

E a figura 6 um detector de peas colocado em uma mquina de costura industrial.


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Sensores de Temperatura Com certeza, a temperatura uma das grandezas mais comuns a ser monitorada e controlada emum processo fabril. Podemos encontrar uma vasta gama de dispositivos utilizados como sensores de temperatura, porm,os termistores e os termopares so os mais comuns.

a) Termistores Dizer que os termistores (nome oriundo de thermal + resistors) so componentes semicondutoressensveis temperatura e, de acordo com o seu tipo, NTC ou PTC, apresentam um coeficiente negativo ou

positivo da resistncia em funo da temperatura no novidade para ningum. Contudo, j vi algumas dvidasassaltarem o integrador:

Quando utilizar um ou outro? Somente a temperatura pode sersensoriada por esses componentes? Quais so

suas limitaes? A faixa de operao dos termistores encontra-se entre200 C a + 1000C. A temperatura funodo tipo de encapsulamento, que pode ser de bolha de vidro, microplaquetas (parecido com capacitores), e como pontade prova. Podemos observar a comparao entre as curvas do NTC e PTC na figura 7.


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Teoricamente, e salvo pequenas alteraes, os circuitos que tratam os sinais dos termistores so quase iguais. Isto

significa que para monitorar a temperatura podemos utilizar tanto o NTC quanto o PTC. A figura 8 ilustra um alarmede sobre temperatura feito com um amplificador operacional e um PTC. O funcionamento bem simples, uma vezque o amplificador est na configurao de malha aberta. O PTC faz parte de um divisor resistivo, ento, quando atemperatura sobre ele se elevar, sua resistncia tambm aumentar. Ora, pela lei de Ohm, a tenso sobre ele ter suaamplitude incrementada de forma diretamente proporcional ao aumento da resistncia. Quando este valor ultrapassaro valor de referncia aplicado na entrada no inversora, a sada do operacional passar de +Vcc para 0 Volt, acionandoo LED. Notem pela figura 9 que podemos fazer a mesma coisa com um NTC, apenas alterando sua posio nodivisor resistivo. Como sua resistncia, agora, diminui com a temperatura, a tenso em R aumentar. Quando essaultrapassar o valor de referncia, o LED acender.


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Ento, qual deles utilizar na prtica?

Depende da faixa de resposta que se deseja. Conforme podemos observar na figura 10, o PTC varia sua resistnciaem um range muito menor que o NTC para a mesma faixa de temperatura. Isto tem prs e contras. Se

necessitarmos cobrir uma larga faixa de temperatura, o NTC a melhor soluo, porm, se esta faixa for estreita eprecisarmos de uma medida mais precisa, ento, o PTC ser mais indicado.

Resumindo, o NTC cobre uma faixa maior com menor preciso, e o PTC uma faixa menor com maior preciso. E

quanto s aplicaes? Os termistores no so empregados apenas para medir temperaturas, mas tambm para operarcom tudo o que a variao desta grandeza influi. Duas outras tpicas aplicaes, por exemplo, so os circuitos deproteo e desmagnetizao. - PTC Devido as suas caractersticas, o PTC o termistor mais usado em circuitos cujafinalidade no seja necessariamente sensoriar temperaturas. A figura 11 ilustra um circuito utilizado em monitores eaparelhos de TV mais antigos, para desmagnetizao do tubo de raios catdicos (TRC). Quando o circuito ligado, acorrente oscila entre um valor mximo (PTC frio), e um mnimo (PTC quente). Essa oscilao sub-amortecida geraum contra fluxo magntico que protege o TRC a cada operao. Reparem que, desta vez, o termistor est sendoutilizado de modo inverso ao de um sensor de temperatura. Na realidade, no se pode consider-lo como tal nestaaplicao, mas sim como um componente limitador de corrente.


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Quando projetamos um circuito para monitorar a temperatura, uma das regras mais bsicas evitar o autoaquecimento do sensor. Isto feito de modo que o mnimo de corrente possvel circule pelo elemento. Assim, o calordevido ao efeito Joule minimizado, e de influncia desprezvel em relao temperatura ambiente. Amplificadoresoperacionais, graas a sua alta impedncia, so coadjuvantes de suma importncia nesses circuitos. O princpio defuncionamento dos circuitos de desmagnetizao, ao contrrio, justamente o auto aquecimento.

Outro exemplo de aplicao pode ser visto na figura 12. Trata-se de um circuito de proteo tipo crowbar parafonte de alimentao. Neste caso utilizamos uma fonte linear, porm, o mesmo pode ser empregado para fonteschaveadas. O SCR tem seu Catodo e Gate ligados atravs de um PTC. Por esse componente, circula a corrente decarga. Uma vez que esta assuma valores acima da capacidade da fonte, a tenso VGK atinge 0,7 Vcc, disparando oSCR, e, consequentemente, desligando a sada. Novamente o acrscimo de corrente provocou o aumento datemperatura, que aumentou a resistncia do PTC, levando a uma maior ddp entre seus terminais.


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Existe ainda uma funo hbrida, ou seja, monitorar uma temperatura, mas no para medi-la, e sim para executardeterminada tarefa aps essa atingir um valor limtrofe. A figura 13 nos traz o mais clssico exemplo, onde um ou maisPTCs so alocados nas cabeas das bobinas do motor. Caso ocorra um acrscimo de temperatura, o circuito decomando ser desabilitado.

O NTC tambm pode trabalhar nestas mesmas funes, isto : desmagnetizao, proteo, compensao, entreoutras. Entretanto, devido a sua maior sensibilidade em funo da variao da temperatura, geralmente ele empregado na medio propriamente dita. A tabela 2 mostra um comparativo entre o PT100 (PTC cuja resistnciaencontra-se prximo a 100 ); e um NTC de 30 k . Reparem que, enquanto o PTC variou 36 , em funo de uma

variao de temperatura de 92 C, o NTC variou 28000 , segundouma variao de 89 C (t = 91 C 2 C).


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- Solues para medir temperatura com o NTC.

Basicamente, h 2 configuraes possveis para ligarmos um NTC ao circuito de medio: de forma direta ou atravs

de uma ponte. A figura 14 mostra um exemplo de aplicao direta. Um divisor resistivo formado por umpotencimetro de ajuste (P1) e o NTC, variam a tenso de entrada no amplificador operacional de modo inversamenteproporcional temperatura. O ganho do circuito definido pela razo: - R2 /R1.


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J a figura 15 apresenta o NTC ligado em ponte. Seu aquecimento desequilibra essa ponte, gerando uma pequena ddpentre os terminais do primeiro A.O. Como a tenso de baixa amplitude, o primeiro circuito um amplificador dediferena. P1 prov o ajuste do ponto zero, e se R6 =R7; e P2 =R5, ento o ganho do circuito pode ser calculadopor: P2 /R3.

Quando utilizar um ou outro?

O primeiro tem ajustes menos crticos, e de maior simplicidade. Nesse caso, no necessria uma fonte dealimentao simtrica, contudo, sua sensibilidade menor. O segundo, ao contrrio, tem ajuste mais crtico; e umafonte de alimentao simtrica deve fornecer um melhor resultado. Agora, entretanto, sua sensibilidade maior.

b) Termopares Ao contrrio dos termistores,feitos de xidos semicondutores (titanato de brio para os NTCs emagnsio para PTCs), os termopares so concebidos a partir de uma juno de dois metais. Uma vez submetida aaltas temperaturas, essa juno gera uma pequena ddp entre seus terminais.

Quais parmetros devem ser considerados na utilizao de termopares? Vrios, mas trs so fundamentais. So eles:

tipo, arquitetura de instalao e identificao dos seus terminais.

- Tipos A tabela 3mostra as faixas de temperaturas tpicas para os termopares do tipo B at S. De acordo com a faixade temperatura do processo, temos o melhor tipo de termopar. Claro que o preo varia muito em funo dosdiferentes metais utilizados.


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- Arquitetura de instalao.

Quanto mais longe o termopar estiver do sistema de medidas, maior ser a resistncia dos seus cabos (RL1 e RL2) e,consequentemente, a influncia sobre os resultados. Por outro lado, se permitirmos que o sistema de medidas

aproxime-se demais da fonte de calor, tambm tero erros de medio. Para resolver isto, dependendo da natureza doprocesso, os fios de um termopar podem variar de 1 m a 3 m. Conforme podemos ver na figura 16, podemos instal-los de trs formas: a dois fios; a trs fios; e a quatro fios. As duas ltimas tcnicas compensam as perdas e influnciasdos fios de ligao.


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-Identificao:A identificao dos fios depende do fabricante, mais especificamente, da nacionalidade do fabricante.

Isto pode ser visto atravs da figura 17.


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REDE ASInterface:

Agora que temos uma boa ideia sobre os principais sensores empregados nos sistemas de automao industrial, chegou omomento de tratarmos de sua interconectividade. Para isso, vamos utilizar a rede AS- -Interface. claro que, quandofalamos em rede de sensores, significa que a planta sob anlise grande. O que ser grande? Bem, que eu saiba, no huma definio padro do nmero de sensores e demais componentes para especificar uma planta grande, mdia, oupequena. Entretanto, todo sistema organizado atravs de softwares supervisrios, com CLPs, IHM's, e atuadorestrabalhando em vrios nveis de informao grande.


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a) Pirmide da Automao.A figura 18 mostra como um processo fabril seja ele discreto, contnuo, ou ambospode ser organizado. O nvel 1 muito conhecido como cho de fbrica, onde atravs de controladores

programveis (geralmente CLPs); motores, inversores, sensores, e outros atuadores operam com baixo volume deinformao, porm, em alta velocidade. A camada imediatamente superior (nvel 2) caracteriza-se por possuiralgum tipo de supervisrio. Neste ponto, j podemos encontrar IHMsinterligados as demais camadas via rede.No nvel 3 est o controle produtivo da planta. Relatrios, estatsticas, banco de dados, entre outros caracterizamo tipo de informao nesta camada. Os demais nveis (4 e 5) so relativos ao planejamento e gesto financeira.

E onde est a AS-Interface nesta pirmide?

A cada nvel que subimos, a rapidez com que as informaes devem trafegar diminui, porm, seu volume aumenta.Ora, se desejo saber quando devo comprar insumos, ou qual o tempo mdio de mquina parada na minha fbrica,

velocidade no to importante quanta assertividade. Resumindo, uma vez solicitada uma dessas informaes, nofar diferena se ela estar presente neste exato momento, ou daqui a alguns segundos. Far?! Por outro lado, se umboto de emergncia acionado no cho de fbrica, por razes bvias, importante (para no dizer vital), que orespectivo dispositivo atue, ou deixe de faz-lo. Caso um motor, por exemplo, deva parar imediatamente, o quepoder ocorrer a um operador de mquinas se ele no corresponder? O mesmo ocorre com um freio hidrulico, eoutros sistemas de segurana. Contudo, no se trata apenas de segurana, mas tambm do sincronismo da produo.Como j comentado, nesse nvel de baixo volume de informao e alta velocidade que a rede AS-Interface umaboa soluo. Para os demais nveis temos outras redes que se adequam com maior propriedade. Ethernet, Profibus,Devicenet (entre outras) so algumas delas.

b) Topologia da rede ASInterface A rede ASInterface foi criada em 1994. Na verdade, ela surgiu em funo da

necessidade de reduo dos custos e aumento da confiabilidade das plantas industriais. De que modo elaproporcionou isto? A figura 19 ilustrao processo. A rede convencional necessita de uma maior calibragem, comcondutores distintos para a alimentao, sinais analgicos, e sinais digitais. Alm dos altos custos gerados pelaimensa quantidade de cabos e suas respectivas instalaes, a confiabilidade no boa. Cabos partidos, maus


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contatos, e coisas do gnero so comuns neste tipo de instalao. J, a rede ASInterface reuniu alimentao,sinais analgicos e digitais no mesmo par de fios. Ora, desta forma, tanto os custos com infraestrutura comomatria-prima caram. Ao mesmo tempo, a confiabilidade aumentou, uma vez que h um nmero menor deconexes.

Conforme podemos ver atravs da figura 20, h quatro modos, ou melhor, topologias em que a rede ASInterfacepode se estruturar: ponto-a-ponto; barramento; anel e rvore.

Em qual parmetro devo me basear para escolher uma ou outra?

O mais significativo de todos: as caractersticas do layout da planta. Em outras palavras, em funo de onde passaremos eletrodutos, que saberemos qual topologia utilizar. A figura 21 nos traz um exemplo de um mdulo (categoriaIP67) com seu respectivo cabo. O yellow cable (cabo amarelo), tambm chamado de cabo achatado, tem uma


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c)

Interao Mestre/escravo e estrutura da mensagem

A ASInterface uma soluo que envolve um nico mestre por rede com varredura cclica, a qual varre todos osescravos utilizando os endereos de rede. Todos os pacotes de dados envolvidos na troca de informao sopequenos, de estrutura simplificada e tm um comprimento fixo. Os bits so trocados entre o mestre e cada escravode maneira individual, durante um ciclo de varredura. Portanto, os escravos na essncia, so mdulos de entrada esada descentralizados. O mestre, por sua vez, capaz de estabelecer uma conexo com redes de nveis superiores.Atravs do prprio gerenciamento do trnsito de informaes, disponibilizando- -as em um bus. Paralelamente consulta de sinais, o mestre tambm transita parmetros a cada um dos participantes e realiza diagnsticos. Umagrande vantagem desse sistema a autoconfigurao, isto , o usurio no precisa configurar nenhum parmetro. Omestre executa automaticamente todas as funes que so necessrias para o seu correto funcionamento. Atravs doautodiagnostico, ele reconhece as falhas em qualquer ponto, indica o tipo dessa falha e em qual escravo ocorreu. Afigura 24 ilustra um diagrama simplificado desse processo.


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Na figura 25 podemos ver a estrutura da mensagem da ASInterface, e na figura 26 um exemplo da leitura cclica.

No caso, um boto de emergncia liga ou desliga um sistema atravs de um ciclo binrio.

SumrioNenhuma entrada de sumrio foi encontrada.


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d) Dimensionando a fonte de alimentao para a rede AS-Interface

Cada mdulo escravo AS-I precisa, aproximadamente, de uma corrente de at 40 mA cada, e pticos 90 mA. Qualseria a fonte necessria para um sistema, com 30 mdulos; 100 sensores indutivos e 20 pticos?

Soluo:Tenso de sada: 24 Vcc Corrente Total: 30 mdulos = 30 x 40 mA = 1,2 A 20 pticos = 20 x 90 mA = 1,8A IT = 7A Potncia Total(Fs = 0 ou Fs = 1) = 168 W.

e) Custo/benefcio

A relao custo/benefcio da rede AS- -Interface em relao a uma convencional depende muito das caractersticas decada planta. Entretanto, a figura 27 mostra uma anlise da Siemens, que leva em considerao: calibragem, montagem,sensores, entre outros fatores. Reparem que, no mnimo, ela 26 % mais barata. Cabe lembrar que sua confiabilidade,ainda assim, maior.


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Concluso

Uma abordagem prtica dos principais sensores utilizados na Automao Industrial. Esses conceitos so vlidos tantopara processos contnuos como discretos.


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BibliografiaCapelli, A. (ano 10 numero 54 2012). Sensores na Automao Industrial. Mecatrnica Atual, 18-26.

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