96986637 Mecatronica Saber EletA55webS (1)

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Redes de CLPs –Parte 2

Sensores –Guia Prático

Acoplamento por impedância comum

Transformadores de Baixa Tensão

SIS - Sistemas Instrumentados de Segurança – Parte 5

AnáliseEspectral

Sensor Hall – A Tecnologia dos Posicionadores Inteligentes

Uso de entradas e saídas remotas em Profibus-PA

Profibus – Tempo de Barramento

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índice

Editorial

Notícias

0305

Índice de Anunciantes:GoIndustry .......................... 09Mectrol .............................. 11PHM .............................. 23Nova Saber ......................... 47

Mecânica 2012 .......... Capa 02Festo .......................... Capa 03Cognex ........................ Capa 04

5 Março/Abril 2012 :: Mecatrônica Atual

//notíciasA HMS libera a NetbiterA HMS garante aos seus clientes o acesso gratuito ao serviço de controle remoto Netbiter Argos, agora disponível em nove línguas.

A solução de controle remoto Netbiter®, baseada em nuvem, permite aos usuários monitorarem e controlarem o equipamento de campo, tais como geradores de energia, turbinas eólicas, tanques e outras aplicações através de um computador fixo, portátil ou smartphone. A HMS dis-ponibiliza agora o centro de dados online, Netbiter Argos (www.netbiter.net), sob a forma de um serviço gratuito.

Ao conectar um gateway de comunicação Netbiter ao equipamento de campo pretendido, é possível aceder imediatamente ao Netbiter Argos, visualizar todos os pa-râmetros da instalação de campo e controlá-lo à distância. Além disso, a partir de março de 2012, o Netbiter Argos estará disponível em nove línguas: alemão, italiano, francês, espanhol, português, chinês e japonês. As versões inglesa e sueca já estavam disponíveis anteriormente.

Uma utilização cada vez mais fácilÉ com muita satisfação que oferecemos aos nossos clien-

tes acesso gratuito ao Netbiter Argos,” diz Henrik Arleving, Diretor da Linha de Produtos, Gestão Remota na HMS. “Este é mais um passo para facilitar a utilização da gestão remota aos usuários. Esta nova possibilidade permitirá não apenas poupar custos de subscrição aos usuários, mas tam-bém proporcionar uma conexão mais rápida. O serviço de nuvem gratuito e o apoio linguístico mais abrangente torna o Netbiter único no mercado.”

Como funciona o NetbiterO Netbiter é um pacote completo de controle remoto

composto de três elementos principais: O primeiro é a forma física: um gateway Netbiter anexado ao equipamento remoto que envia e recebe dados.

O segundo é o centro de dados Netbiter Argos que recolhe e guarda os dados do equipamento de campo. Este

Carregadeiras Hyundai modelo HL770 série 7A, da BMCA máquina possui painel de controle digital, cabine ampla e confortável projetada em 3-D, construída sob o padrão ROPS/FOPS e avançado centro de monitoramento das funções

A BMC acaba de anunciar a entrada do modelo HL770 série 7A na linha de pás carregadeiras Hyundai. O equipamento amplia e reforça a atuação da brasileira nos segmentos da mineração, in-dústria extrativa e, na construção, em serviços de terraplanagem.

A pá carregadeira HL770 série 7A tem o sistema de braços tipo “Z bar” para maior força de desagregação. Equipada com caçamba reforçada de 3,7 m³, com design avançado e ideal para movimentação de toneladas de materiais, oferece alta produti-vidade com economia, graças ao econômico motor do equipa-mento, considerado amigo do ambiente pela baixa emissão de poluente e nível de ruído.

“Introduzimos a carregadeira HL770 série 7A na nossa linha de produtos para atender à demanda de clientes que buscam máquinas modernas adequadas às necessidades do mercado brasileiro e que ofereçam baixo custo de operação em serviços dos mais diferentes tipos e portes”, garante José Couto, gerente de treinamento da BMC.

Os três elementos da solução Netbiter: gateways de conec-tividade, alojamento seguro e interface Web.

centro de dados garante um armazenamento seguro da informação e permite aos usuários obterem es-tatísticas e relatórios relativos ao desempenho dos seus serviços.

O terceiro é o acesso seguro a dados por meio de um computador fixo, portátil ou smartphone, onde os usuários podem verificar o estado dos seus dispositivos e monitorizar e controlar o equipamento num painel gráfico.

Para mais informações, visite www.netbiter.com e experimente a interface Web Netbiter Argos através de uma conta de demonstração.

O modelo HL770 série 7A equipado com caçamba reforçada de 3,7 m3.

6 Mecatrônica Atual :: Março/Abril 2012

//notíciasAs novas tecnologias na indústria serão apresentadas na Feira da MecânicaAtuadores eletromecânicos Exlar, nova linha de CNC Mitsubishi M700V/M70V, acionamentos inteli-gentes RDrive, redutores planetários Neugart, freio Mayr Topstop para eixos verticais são exemplos dos lançamentos que serão apresentados.

Novidades das empresas Automotion, Neugart do Brasil e Rdrive

Também apresentaremos a linha de atuadores eletro-mecânicos lineares e rotativos Exlar. A estrela da linha é a Tritex II™ Series. A série oferece potência de até 1500 watts, Acionamento e Controlador de Posicionamento Digital em um único e compacto produto. Os atuadores combinam um servomotor AC brushless com um atuador rotativo ou linear multifuso, montados em um corpo compacto e totalmente selado para aplicações em quaisquer ambientes. Com sua me-cânica agregada, a série Tritex II™ elimina o uso de Fusos de Esfera ou outros mecanismos de redução - todos os controles de posicionamento e potência estão incorporados em sua pró-pria estrutura, oferecendo uma solução completa e compacta.

Na linha Mayr, destaque para o freio Topstop para eixos verticais. Esse produto oferece mais segurança e está em conformidade com a norma ISO13849-1. Mantém a segurança de todos os eixos verticais, mesmo com motor não instalado. Compatível com grande número de servo motores/interfaces utilizados no mercado, é de fácil aplicação para retrofit de sistemas antigos.

Da linha Mitsubishi CNC, traremos o novo CNC M700V/M70VCNC especialmente desenvolvido para Máquinas de Alta Velocidade. Para centros de usinagem de alta precisão , para tornos, hobbing machines, para tornos com múltiplos eixos e com sistemas múltiplos, alta velocidade e alta precisão de usi-nagem de moldes e/ou fresamento e controle de interpolação simultânea de 5 eixos.

Destaques da 3MA 3M lançará, inclusive, novidades em máquinas pneumáti-

cas, a inovação do Mineral Cubitron II, nova linha de Rebolos Especiais e uma nova linha de máscara de proteção individual da marca 3M Speedglass.

Sistema para Verificação de Porcas (SVP), que evita a ocorrência de soldagem de porca invertida - da ConAn

Alem do SVP, também, estamos trazendo ao mercado bra-sileiro Pinos-Guia de Ferrite, que substituem os atuais pinos de cerâmica, que apresentam alto custo e baixa resistência.

Confira outros produtos que estarão em exposição no estande da ConAn:

•Máquinas de Solda por resistência;•Acessórios e Insumos para máquinas de solda;•Controladores de Solda;•Dispositivos para Solda.

Novos motores elétricos e inversores de frequência, da Bonfiglioli do Brasil

Os inversores de frequência Agile e Active permitem fazer um diagnóstico completo do desempenho de motores ou redutores de velocidade. A série foi projetada para co-brir faixas de potência de 0,25 kW a 11 kW, monofásicos e trifásicos, 230 V e 400 V. Além disso, os tamanhos menores não precisam de ventoinha, o que assegura uma operação livre de manutenção por toda a vida útil da unidade. Os produtos são equipados com módulos baseados nos pro-tocolos CANopen e Modbus, têm nove entradas digitais, duas analógicas, quatro saídas digitais, incluindo um relé, e uma analógica. Todos os modelos apresentam uma entrada de backup de 24 V, um filtro EMI, bem como uma função de “Safe torque off”.

Entre outras vantagens, os inversores Agile e Active têm baixo custo de instalação e operação devido ao for-necimento de funções pré-programadas prontas para uso, que orientam até mesmo programadores inexperientes na configuração, além de um ciclo de vida capaz de garantir maior longevidade, em relação à média de mercado.

Já os motores elétricos BE e ME podem ser usados princi-palmente em transportadores horizontais e verticais, mistu-radoras e máquinas de processamento, como linhas de corte, laminadores, entre outras. Além da eficiência energética, a tecnologia dos motores BE e ME destaca-se pelo tamanho compacto, instalação mais rápida e corte térmico otimizado. Certificados pelo INMETRO, os produtos seguem a norma IEC 60034:30 e podem ser identificados com o selo Procel.

O grupo Bonfiglioli diz que implementará, até 2013, um processo de otimização das atividades, com foco na elimina-ção de desperdício e a correta alocação dos investimentos. Até 2013, a empresa prevê um crescimento de 35% na unidade de negócios Soluções Industriais.


//notíciasNovo relatório sobre o mercado de testes automatizados para 2012

Outras grandes novidadesA GSK apresentará no evento a automatização, atua-

lização e reforma de máquinas CNC (tornos, fresadoras, centros de usinagem e mandrilhadoras). Servo drive, servo motor, spindle servo drive e spindle servo motor.

A Farex apresentará uma máquina de curvar tubos CNC e Prensa Dobradeira CNC.

A Refrisat apresentará no evento a unidade de Água Gelada, Chiller, Termorregulador, sendo que toda linha conta com CLP Siemens e IHM Touch para maior in-teratividade.

A Makino irá expor o Centro de Usinagem Horizontal e Eletroerosão a fio.

E isso é apenas uma amostra do que você vai encontrar no maior evento do setor industrial

Para estar por dentro de muitas outras informações da feira, baixe o Aplicativo Mecânica Mobile®, com ele você pode:

•Navegar pela lista de expositores;•Obter informações sobre novos produtos;•Filtrar expositores por categoria de produto;•Fazer seu credenciamento;•Acessar o Facebook;•Traçar uma rota de um expositor a outro na planta

do evento;•Saber mais sobre o evento, como chegar, onde

estacionar, dicas de visitação;•Conferir as fotos do evento diariamente;•Fazer a contagem regressiva para o check-in no

evento.Acesse www.mecanica.com.br/A-Feira/Apli-

cativo-Mobile/ para baixar. “A Mecânica na palma da sua mão.”

comitês especializados de clientes. Tendo esses dados como base, o relatório oferece uma abrangente amostra das próximas tendências relativas aos desafios empresa-riais e técnicos da área de teste e medição.

O Automated Test Outlook é parte do NI Test Lea-dership Council, criado pela National Instruments para transmitir as melhores práticas obtidas com nosso trabalho com milhares de clientes de diversas indústrias ao redor do globo. O NI Test Leadership Council facilita a discussão entre os líderes do setor de teste sobre questões empresariais e técnicas. Entre as atividades do Test Leadership Council estão reuniões de liderança, contatos entre profissionais da área e trocas de infor-mações tecnológicas.

Para ler o relatório 2012 Automated Test Outlook, visite www.ni.com/ato.

A National Instruments lançou o relatório Automated Test Outlook, que oferece as conclusões das pesquisas feitas pela empresa sobre as mais recentes tecnologias e metodologias de teste e medição. O relatório detalha tendências que afetam nu-merosas indústrias, incluindo eletrônica de consumo, automotiva, semicondutores, aeroespacial e defesa, medicina e comunicações. Com os pontos de vista apresentados no relatório, engenheiros e gerentes podem aproveitar as mais modernas estratégias e melhores práticas para otimizar qualquer organização de teste.

O relatório 2012 está organizado em cinco categorias: estra-tégia empresarial, arquiteturas, computação, software e E/S. Ele discute as principais tendências da indústria:

•Otimização de organizações de teste: As organizações estão elevando a engenharia de teste à posição de um ativo estratégico que lhes proporciona vantagens competitivas;•Medições e simulação no fluxo do projeto: Combi-nando modelos sofisticados com medições do mundo real, elas aumentam a qualidade e reduzem o tempo de desen-volvimento de seus produtos;•Interfaces PCI Express externas: Esse barramento de alta velocidade e baixa latência, interno no PC, está levando as vantagens da interface externa às novas topologias de sistema;•Proliferação de dispositivos móveis: A realidade de “um smartphone em cada bolso e um tablet em cada bolsa” está mudando a maneira como os sistemas de teste são controlados e monitorados;•Portabilidade dos algoritmos de medição: Novas ferramentas tornam possível desenvolver a PI (propriedade intelectual) de medição uma vez e implementá-la em uma ampla diversidade de elementos de processamento.O 2012 Automated Test Outlook é baseado em informações

fornecidas por pesquisadores da universidade e indústria, fóruns e pesquisas com usuários, inteligência empresarial e análises por

O NI PXIe-1082 e seus relatórios.


//notíciasSistema de visão In-Sight 5605 permite identificação de código super-rápida, na Continental Alemanha

outra bandeja não codificada passasse como clandestina”, afirma Wilhelm. Segundo ele, a medição confiável da altura exclui essa vulnerabilidade de segurança improvável, mas concebível.

Comparado ao antigo escaneador manual, o novo sistema possui diversas vantagens. O processo se torna significantemente mais veloz e elimina o potencial de erros no trabalho manual. Códigos duplicados ou não escaneados são, portanto, uma coisa do passado para a Continental.

Parceiro útilWilhelm enfatiza a boa cooperação com o Stemmer

Imaging, que oferece uma grande ajuda no planejamento e implantação do sistema. “Durante a fase de projeto, pude-mos utilizar o laboratório do Stemmer Imaging para con-duzir testes preliminares sobre os possíveis componentes de processamento de imagem e já os selecionar em grande extensão. A especificação final foi então determinada por nós no local, usando equipamento emprestado.”

A cooperação com antecedência, no entanto, foi ainda mais longe, de acordo com Wilhelm: “O Stemmer Image nos deu um forte suporte no desenvolvimento do software e também realizou um curso perto do final do projeto, que aprofundou ainda mais nosso conhecimento de processa-mento de imagem. A obtenção de todos os componentes necessários de uma única fonte e ser capaz de utilizar ampla gama de serviços de nosso parceiro foram, na minha opinião, muito úteis para o projeto.”

Encontrando o desafioAlém das diferentes cores das várias bandejas, o fato

de as zonas de borda à esquerda e à direita dos códigos de barras serem muitas vezes demasiado pequenas, apresentou um desafio-chave que teve de ser superado pelos peritos em processamento de imagens da Stemmer Imaging. Estas zonas de borda são precisamente o que era necessário para identificar o código antes de lê-lo.

O conceito de “rastreabilidade” está agora firmemente es-tabelecido na indústria de fornecimento automotivo. Centenas de milhares de bandejas de transporte desempenham um papel chave no sistema de transporte interno na fábrica da Conti-nental, em Frankfurt, Alemanha. A Continental, um fornecedor internacional do setor automotivo, move a maioria de seus componentes sobre essas bandejas de transporte. As bandejas padronizadas, às vezes, cobrem distâncias muito longas em sua vida produtiva e formam base importante da logística interna.

Complexidade requer controleEssa produção e rede de abastecimento altamente distri-

buídas requerem um controle preciso e confiável de inspeção. Os códigos de barras 2-D ou os códigos matriciais atribuem às bandejas suas identidades singulares. Para garantir a logística segura, é necessário que a localização de um lote de peças in-dividuais seja rastreável em todos os momentos. Para alcançar este objetivo, é preciso proporcionar unidades de inspeção a intervalos regulares e também nas interfaces críticas. Isto ainda hoje é implementado, muitas vezes, na forma de funcionários lendo laboriosamente os códigos com scanners portáteis, que atualizam a localização da bandeja de transporte, e é assim que as peças necessárias no processo de produção são atualizadas no sistema logístico.

Localização, tipo e conteúdoA Continental, em Frankfurt, deu agora mais um importante

passo adiante. Em colaboração com o processador de imagem especializado Stemmer Imaging, a antiga entrada manual de códigos de barras foi automatizada com o sistema de visão inteligente de alta resolução da Cognex, In-Sight® 5605. Graças à mais alta resolução de 5 megapixels, o sistema de visão lê e reconhece os códigos em pilhas altas com diferentes números de bandejas dentro de alguns milissegundos.

“Primeiro, o sistema de visão localiza até onze códigos na pilha, e então diferencia seus tipos, sejam eles códigos de barras ou códigos matriz 2-D, e então lê as informações inseridas no sistema de logística”, explica Marc Wilhelm, da Continental, descrevendo o processo na estação onde implantou como gerente do projeto com sua equipe de desenvolvimento. “O código na extremidade inferior da pilha na bandeja serve como mestre de forma que toda a pilha possa ser identificada. Em um ponto de inspeção abaixo, não é então necessário ler todos os códigos individualmente de novo; checar a extremidade inferior já é o suficiente.”

Sem “clandestinos”Em adição à gravação dos códigos, a medida da altura da pilha

é também realizada. Isto serve como uma verificação adicional do resultado da leitura. “Se, por exemplo, o sistema de visão detectasse apenas um único código, haveria o risco de que


//notícias

liderou o projeto em nome da Stemmer Imaging. “O PatMax captura a geometria do código com a ajuda de várias curvas de contorno que não estão vinculadas a qualquer grade de pixels, e depois busca por formas semelhantes na imagem, sem fazer uso de valores específicos em tons de cinza. O resultado é uma melhoria significativa na capacidade de localização e de precisão, mesmo com diferentes ângulos, tamanhos e sombra”.

Assim, a Stemmer Imaging obteve sucesso na leitura de códigos anteriormente ilegíveis. Com a inovadora tecnologia igualmente comprovada do In-Sight 5605 e do PatMax da Cognex e com o apoio de peritos de processamento de imagens da Puchheim, o projeto-piloto da Continental, em Frankfurt, é pioneiro de uma cadeia logística segura e veloz que, segundo Wilhelm, em breve também poderá ser implementada de forma semelhante em outras aplicações de logística em Frankfurt.

Para solucionar esta tarefa, a Stemmer Imaging usou a tecnologia PatMax® da Cognex. “O PatMax utiliza uma tec-nologia sofisticada para o padrão geométrico correspondente para ser capaz de localizar peças de forma confiável e precisa, mesmo nas piores condições”, explica Christian Berg, da área de vendas de soluções de processamento de imagem, que

Sistema de visão In-sight 5605.

http://www.sabereletronica.com.br

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http://www.go-dove.com


//notíciasFluke apresenta os Analisadores de Qualidade de Energia Trifásicos 430 série II

Novas Funções de medição: Unified Power, Inverter Efficiency, Power Wave

A partir de um primeiro algoritmo desenvolvido por Vicente Leon e Joaquín Montañana como uma extensão do padrão IEEE 1459, a função “Unified Power” na Série 430 II foi desenvolvida em cooperação entre Fluke Corporation e engenheiros-cientistas da Universidade de Valência. A função marca a primeira vez que qualquer ferramenta de teste tem a capacidade de automaticamente quantificar o desperdício de energia por harmônicos e desequilíbrio, e introduzindo a estrutura tarifária de serviços públicos, o usuário pode até mesmo calcular o custo monetário da energia desperdiçada.

A função “Inverter Efficiency”, da Série 430 II, mede simultaneamente a entrada e a saída de potência de inversores em sistemas solares, turbinas eólicas e fontes de alimentação, permitindo que o operador veja quanto de eletricidade o in-versor consome e se ele está operando de forma eficiente. As medições permitem aos operadores ajustarem as configura-ções ou fazerem uma substituição de uma unidade defeituosa.

O modelo 435 inclui a função “Power Wave”, uma “captura rápida “ do sinal que exibe formas de onda de meio ciclo RMS de tensão e corrente com todos os detalhes para que os técnicos e engenheiros de manutenção de motor e gerador possam medir a interação durante as operações de chaveamento. Isso permite que os eletricistas de instalações, prestadores de serviço e empreiteiras do setor elétrico, efe-tuem medições com uma ferramenta para diagnosticar perfis de carga e evitar falhas em motores e inversores durante o comissionamento e fases de start ups.

Os modelos 430 da Série II incluem uma maleta de trans-porte, bateria tipo Li-Íon com até 10 horas de operação por carga, sondas de corrente, cabos de teste com clipes, carre-gador de bateria, cabo USB, e software PowerLog. Ambos os modelos estarão disponíveis desde janeiro de 2012. Para mais informações, visite: www.fluke.com.br

A Fluke Corporation apresenta o Analisador de Qualidade de Energia Trifásico Fluke 430 série II, principal ferramenta com algoritmo patenteado para reduzir desperdício de energia e melhorar o desempenho e duração de equipamentos eletrome-cânicos, fornecendo a justificação ROI para mitigar a distorção de qualidade de energia e quantificar custos.

Anteriormente, apenas especialistas podiam calcular o quanto de energia havia sido desperdiçado devido a problemas com a qualidade de energia; concessionárias de energia podiam calcular o custo, mas o processo requerido de medição estava além do alcance da maior parte dos eletricistas. Com a nova e patenteada função Unified Power do 430 série II, eletricistas, técnicos de concessionárias de energia, engenheiros eletricistas, técnicos de serviços em campo e consultores de energia podem automaticamente determinar o quanto de energia está sendo desperdiçado e calcular exatamente quais são os gastos extras de energia com uma única ferramenta.

Os Analisadores de Qualidade de Energia Fluke 430 série II permitem que as plantas verifiquem o impacto de eficiência energética, em aplicações de eletrônica de potência e sistemas de iluminação até controles de motores e HVAC. Enquanto os novos equipamentos consomem menos energia em instalações individuais, eles aumentam o nível de distúrbios na rede elétrica e na maior parte dos sistemas elétricos, aumentando o desperdício de energia devido aos harmônicos e reduzindo o total de eco-nomia de energia. O Fluke 430 série II calcula monetariamente custos do desperdício de energia.

O mais famoso Analisador está ainda melhorHá tempos o mais popular Analisador de Qualidade de Energia

de três fases no mercado com exibição simultânea de diversos parâmetros e infinidade de recursos, o 430 Series II apresenta três novos modelos de funções de medição, bem como melhorias de hardware, software e firmware. Os novos modelos têm até 32 GB (8 GB padrão) de memória, um cartão de memória SD de fácil troca/substituição e conectividade USB para aumentar a capacidade de registro de energia e rápido download de dados. A resolução da tela e a bateria estão ainda melhores e o sof-tware que acompanha foi redesenhado para dar aos usuários mais opções para analisar a qualidade e o consumo de energia. Ambos modelos são totalmente compatíveis com a norma internacional IEC 61000-4-30 e rigorosos padrões Classe-A. Cada um pode monitorar os sistemas com até dez parâmetros de qualidade de energia em uma única tela e pode gravar até 150 parâmetros em 4 fases simultaneamente, de acordo com a norma EN50160, e estão com classificação de segurança 600 V CAT V CAT III IV/1000.

http://www.fluke.com.br/


//notíciasPara aplicações de acionamento dinâmico e funcionalidades

complexas, a NORD DRIVESYSTEMS apresenta um novo mo-delo de conversor para painel, o SK 540E. Este novo conversor inteligente possui todas as caraterísticas já comprovadas da série, mas suporta uma maior variedade de unidades do que os mode-los anteriores e a programação livre e conveniente de funções relacionadas com acionamentos, em conformidade com a norma IEC 61131; consegue controlar motores síncronos e integra uma nova interface universal para encoder na recuperação de energia.

O SK 540E realiza até tarefas sofisticadas sem um CLP externo, permitindo assim economia de custo considerável. Os motores de bombas, por exemplo, podem ser atualizados com funções de monitoração e funções de curva caraterística, que lhes permitem reagir diretamente às taxas de vazão flutuantes. Graças ao seu microprocessador de elevado desempenho, o novo modelo de conversor também é adequado para processos de corte com alta velocidade em trabalhos de torneamento e fresagem.

Tal como os modelos da série já comprovados, o SK 540E proporciona a função de segurança “Safe Torque Off”, bem como controle vetorial da corrente sem sensor e um gerenciador de freio integrado para operação regenerativa e identificação automática de parâmetros do motor conectado.

Gerenciamento de tarefas relacionadas ao acionamento sem controlador externo

O novo conversor SK 540E da NORD DRIVESYSTEMS com controlador incorpo-rado permite aos usuários programarem livremente funções relacionadas com acionamentos.

Analisador de qualidade de energia trifásico 430 série II.

http://www.mectrol.com.br

http://www.mectrol.com.br


automação

saiba maisRedes de CLPs - parte 1 Mecatrônica Atual 54

Redes de Comunicação: Instalação de CLP na Indústria Mecatrônica Atual 51

Como melhorar o desempenho de Sistemas Baseados em CLP? Saber Eletrônica 453

Apontamentos de Eng.º Filipe Alexandre de Sousa Pereira, Schneider Electric

AS-InterfaceEsta tecnologia foi desenvolvida como

uma alternativa de baixo custo em relação às redes de cabos convencionais e, após vá-rios anos de utilização em diversos setores industriais, provou ser bastante confiável.

O objetivo é ligar entre si, sensores e atuadores de diversos fabricantes, utilizando um cabo único, capaz de transmitir dados e alimentação simultaneamente.

O sistema AS-Interface utiliza o princípio de um cabo comum, onde se podem ligar todos os elementos periféricos. O elemento básico do AS-Interface é um “chip” “escravo”, através do qual os sensores e atuadores se ligam ao cabo AS Interface.

Exemplo da topologiaUm exemplo que ilustra a aplicabilidade

do AS-i é apresentado na figura 1. O “mes-tre” tem a função de gateway, transmitindo e recebendo informações das redes de nível superior, tal como Modbus, Profibus, entre outros. Pode ser utilizada uma fonte de alimentação auxiliar de acordo com neces-sidades de alimentação extra para módulos de I/O ou outro equipamento específico.

ModbusO Modbus é um dos protocolos mais

antigos e mais utilizados em redes de auto-mação. É um tipo de rede que normalmente aparece no nível de Campo/Processo, podendo noutras variantes, aparecer nos níveis supe-riores como é o caso do Modbus TCP/IP.

Meio físicoO protocolo Modbus permite uma fácil

implementação de comunicações em vários tipos de arquiteturas de rede. Podem ser utilizados vários meios físicos, tais como RS-232, RS-485 e Ethernet (figura 2).

Atendendo aos diferentes meios físicos, podemos dividir o protocolo Modbus em três vertentes:

•MODBUS é usado para comunicação entre CLPs e destes, com os dispo-sitivos de entrada e saída de dados, instrumentos eletrônicos inteligentes como relés de proteção, controladores de processo, atuadores de válvulas, transdutores de energia. O meio físico é o RS-232 ou RS-485 em conjunto com o protocolo “mestre”-”escravo”. Esta vertente permite somente um único “mestre” e vários “escravos”.

Redes de

Nesta 2ª parte deste artigo, apresentamos a rede AS-Interface (ou AS-i) para mostrar a interconectividade dos sensores des-critos em diversos processos fabris e descrevemos também a rede Ethernet TCP/IP (industrial).

Parte 2CLPsEngº Filipe Pereira

[email protected]


automação

F1. Exemplo de aplicação AS-I.

F2. Arquitetura de rede com diversas variantes do protocolo Modbus.

F3. Aproximação do protocolo MODBUS a pilha OSI.

•MODBUS TCP/IP é usado para comunicação entre sistemas de super-visão e CLPs. O protocolo Modbus é encapsulado no protocolo TCP/IP e transmitido através de redes padrão Ethernet com controle de acesso ao meio por CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Permite utilizar vários “mestres” e vários “escravos”.

•MODBUS PLUS (é propriedade da Schneider e não pertence à comu-nidade Modbus-Ida): é usado para comunicação de CLPs entre si, mó-dulos de E/S, arrancadores suaves de motores, interfaces homem-máquina, entre outros. O meio físico é o RS-485 com taxas de transmissão de 1 Mbps, controle de acesso ao meio por HDLC (High Level Data Link Con-trol). Permite também a utilização de vários ““mestre”s” e vários “escravos”.

A Topologia de rede também difere consoante a vertente, sendo que no MO-DBUS PADRÃO e no MODBUS PLUS a topologia usada é em barramento e no MODBUS TCP/IP a topologia é em estrela.

Modelo de ComunicaçãoA aproximação Modbus ao modelo OSI

(Open Systems Interconnection) aparece ao nível das camadas 1, 2 e 7, respectivamente camada física, ligação e aplicação (figura 3):

•Nívelfísico(nível1): Par trançado, máximo de 19200 bits/s, RS-232/RS-485/Anel de corrente.

•Ligaçãodedados(nível2): Acesso à rede por mecanismo tipo “mestre”/”escravo”. Controle de erros por CRC16 (Modo RTU). Num método de acesso tipo “mestre”/”escravo”, a iniciativa do en-vio de mensagens está restringida ao “mestre”. Se uma resposta fôr reque-rida, os “escravos” respondem à solici-tação do “mestre”, ou então limitam--se a executar as ações pedidas pelo “mestre”. O “mestre” pode dirigir-se individualmente aos “escravos”, ou di-fundir mensagens dirigidas a todos os “escravos” (Broadcast), inserindo nas mensagens o endereço 00.

•Aplicação (nível 7): definiram-se neste nível as funções de leitura e escrita de variáveis (bits, Words, E/S), diagnóstico e estatísticas de ocorrência da rede.


automação

O protocolo Modbus é baseado num modelo de comunicação “mestre”- ”escravo”, onde um único dispositivo, o “mestre”, pode iniciar transações denominadas queries. Os demais dispositivos da rede (“escravos”) respondem, disponibilizando os dados requisitados pelo “mestre” ou executando uma ação por ele comandada. Geralmente o “mestre” é um sistema de supervisão ou um CLP de gama alta e os “escravos” são CLPs de gama igual ou inferior a do “mestre”.

Quando se utiliza uma comunicação série, o “mestre” e os “escravos” não podem alternar de funções, mas noutros tipos de rede, um dispositivo pode assumir ambas as funções, embora não simultaneamente, ou seja, um “mestre” pode passar a “escravo” e um “escravo” a “mestre”.

O funcionamento é simples, o “mestre” envia uma ordem e espera uma resposta. Os “escravos” não podem dialogar simultane-amente e o polling é feito pelo utilizador.

Existem duas normas para MODBUS:•RTU(Remote Terminal Unit) (o mais

utilizado e de melhor desempenho):

Caracteres codificados com 8 bits + 1 bit de paridade

•ASCll(American Standard Code for Information Interchange): Caracte-res codificados em 7 bits + 1 bit de paridade.

O Formato das tramas pode ser: Modo ASCII ou Modo RTU (figura 4 e 5).

Exemplo da topologiaNo exemplo ilustrado na figura 6

encontra-se uma rede com diferentes ver-tentes de Modbus, onde nos níveis de gestão e supervisão é usado o protocolo modbus TCP/IP no meio físico Ethernet e nos níveis inferiores de sensores/actuadores é usado o modbus RTU/ASCII usando como meio físico o RS-485.

Ethernet TCP/IPA popularidade, desempenho, baixo

custo e a comunicação com os PCs tornou a Ethernet atrativa para aplicações industriais.

Atendendo a extensão do protocolo Ether-net, apenas será feita uma breve referência

a este protocolo, para que posteriormente seja possível perceber a aplicação prática.

Meio FísicoA Ethernet Industrial é semelhante à

Ethernet comum, mas desenhada para uti-lização em fábrica, ou seja, mais robusta em termos de componentes e testes, respeitando índices de proteção mecânica adequados a aplicações industriais.

A ligação entre equipamentos pode ser feita através de diversos meios físicos, nomeadamente em cobre ou fibra óptica.

Este tipo de rede pode ser utilizado em qualquer caso prático que exija redes entre CLPs e sistemas de supervisão.

É de salientar que uma rede Ethernet industrial, que interliga sistemas de auto-mação, não deve ser utilizada para outros fins, como redes de informática ou sistemas de videovigilância, de forma a garantir a sua eficiência na transferência de dados entre CLPs, garantir a máxima segurança e para não sobrecarregar o meio físico.

Para estruturar uma rede Ethernet são utilizados diversos componentes:

•Hubs: são empregados para interligar 2 ou mais segmentos, ou equipamentos

•Ethernet: Podem também servir para aumentar a distância máxima do segmento (funciona como repetidor, amplificando o sinal). Um hub recebe qualquer sinal e o retransmite a todas as portas.

•Switches: fazem um encaminhamento inteligente das mensagens, dividindo a rede em domínios de colisão, o que vai permitir reduzir o tráfego na rede geral. Não retransmite as mensagens a todas as portas, mas apenas àquela onde estará o receptor da mensagem.

•Routers: é um equipamento com duas ou mais interfaces para duas ou mais redes. Interligam diferentes LANs, filtrando as mensagens pelo seu endereço IP. Um router pode também ser um host (designa-se de host um computador com uma ou mais redes interligadas e que não tem a capacidade de fazer routing, isto é, não consegue fazer o transporte de um pacote IP de uma rede para outra).

•Gateway: é uma porta de ligação entre diferentes sistemas, um equipamento intermédio geralmente destinado a interligar redes, separar domínios de

F6. Exemplo de uma aplicação em vários perfis Modbus.

F4. Trama de transmissão Modbus ASCII.

F5. Trama de transmissão Modbus RTU.


automação

colisão, ou mesmo traduzir protocolos. Uma gateway é também um host e pode ser um router.

O número máximo de equipamentos por rede (LAN) é de 1024 (ao utilizar um router pode criar novas redes).

Modelo de comunicaçãoEthernet é uma rede em que o acesso ao

meio é feito através do método CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detec-tion). Se dois nós em diferentes localizações tentam enviar dados ao mesmo tempo, o resultado será uma colisão dentro do meio físico. Se existir essa colisão, as mensagens são destruídas e a cada nó é atribuído um período de espera até voltar a tentar a emissão da mensagem de novo.

Existem regras para evitar conflitos na rede e proteger a integridade dos dados.

Um nó pode “escutar” a rede para ver se outro nó está transmitindo e, assim, de-terminar se deve transmitir nesse instante.

Algumas organizações desenvolveram, a partir dos seus protocolos, níveis de aplicação para Ethernet TCP/IP. Presentemente, os mais conhecidos são:

•Modbus/TCP (Modbus sobre TCP/IP);

•EtherNet/IP (ControlNet/DeviceNet sobre TCP/IP);

•Foundation Fieldbus High Speed Ethernet;

•Profinet (Profibus sobre Ethernet).Existem alguns serviços universais em

Ethernet, dos quais descrevemos alguns a seguir:

•HTTP“Hipertext Transfer Proto-col”- Este serviço é utilizado para transmitir páginas Web entre um servidor e um browser. O HTTP é utilizado na Web desde 1990;

•DHCP“Dynamic Host Configuration Protocol” - Este serviço é utilizado para atribuir automaticamente ende-reços IP a equipamentos numa rede, evitando ter de gerir os endereços de cada equipamento individualmente. A Telemecanique utiliza este serviço para implementar o serviço FDR“Faulty Device Replacement”, para substituição de um equipamento automaticamente;

•FTP“File Transfer Protocol”- Este serviço permite uma transferência básica de fichários. Muitos sistemas

utilizam este serviço para troca de fichários entre equipamentos;

•NTP“Network Time Protocol” - Serviço utilizado para sincronizar relógios de alguns equipamentos de rede, com precisão na ordem dos milissegundos para uma LAN (Local Area Network) e das dezenas de milissegundos para uma WAN (Wide Area Network);

•SMTP“Simple Mail Transfer Proto-col”- Este serviço serve para transmis-são de e-mail. É utilizado para enviar mensagens entre um emissor e um receptor via servidor de mail SMTP;

•SNMP“Simple Network Manage-ment Protocol”- Este serviço permite gerir de forma simples os equipamentos de uma rede, através de um único sistema. Permite ao gestor da rede ver o estado da rede e equipamentos, modificar a sua configuração e ver os alarmes em caso de falha;

•COM/DCOM“Distributed Com-ponent Object Model”- Tecnologia usada nos componentes Windows que lhes permite comunicar de modo transparente. Esta é a tecnologia utilizada no servidor de dados OPC;

•ModbusTCP/IP- O Modbus TCP/IP, permite encapsular as tramas Modbus na Ethernet. Reconhecido mundialmente, foi-lhe atribuído um porto específico de serviço Ethernet: 502. É o protocolo de maior difusão Ethernet no meio industrial, sendo hoje já um protocolo normalizado.

Permite a utilização de anéis redun-dância com equipamento específico. É um protocolo totalmente livre, cujas especificações podem ser encontradas em www.modbus-ida.org;

•IOScanning- Este serviço é utili-zado para gerir as trocas com E/S (entradas/saídas) distribuídas, numa rede Ethernet, sem necessidade de programação especial;

•FDR“Faulty Device Replacement”- Utiliza o BOOTP/DHCP, com o objetivo de simplificar a manutenção dos equipamentos em Ethernet. Permite que um equipamento com falha seja substituído por um novo, garantindo a sua detecção, reconfi-guração e inicialização automática do sistema, sem necessidade de in-tervenção manual;

•GlobalData- Este serviço assegura trocas de dados em tempo real entre os diversos equipamentos, que per-tençam ao mesmo grupo. É utilizado para sincronizar aplicações remotas, ou partilhar uma base de dados comum entre diversas aplicações distribuídas.

Exemplo de AplicaçãoEste exemplo consiste de 3 CLPs ligados

em rede usando o protocolo Modbus TCP/IP, onde existe uma estação de trabalho su-pervisionando o sistema e uma console que permite a alteração de alguns parâmetros por parte de um operador. Atente para a figura 7.

F7. Exemplo de uma aplicação usando Ethernet.

MA


automação

Engº Filipe Pereira

saiba mais

Neste artigo apresentamos quatro dos principais tipos de sensores que são utilizados na detecção de objetos (metálicos e/ou não metálicos), que são os seguintes: Indutivo, Capacitivo, Fotoelétrico e Ultrassônico

SensoresGuia prático

Sensores na Automação Industrial Mecatrônica Atual 54

CLPs e Sensores Mecatrônica Atual 51

Sensores Mecatrônica Atual 4

Entendendo sensoresTransdutor: Dispositivo que converte

uma forma de energia ou quantidade física noutra.

Sensor: Fornece informação de entrada no nosso sistema a partir do mundo externo.

Atuador: Executa ações de saída para o mundo externo. Exemplos de atuadores: válvulas, relés, cilindros, motores, solenoides.

Um sensor fotoelétrico pode ser tanto um transdutor quanto um sensor propriamente dito. Dizemos que é um transdutor quando ele converte energia luminosa em energia elétrica, é o caso das células fotovoltaicas. Por outro lado, temos sensores propriamente ditos que convertem luz numa variação de uma grandeza elétrica qualquer como cor-rente ou resistência. Esse é o caso do LDR e dos fotodiodos (figura 1).

Tipos de sensoresOs sensores podem ser classificados de

acordo a saída do sinal, podendo esta ser analógica ou digital.

Digitais ou discretosAssume apenas dois valores de saída ao

longo do tempo, que podem ser interpretados como 0 ou 1 (figura 2).

Analógicos ou proporcionaisSão informações em forma de um sinal

elétrico proporcional à grandeza medida (figura 3).

Existem vários tipos e modelos de sen-sores que variam conforme o objeto-alvo de sensoriamento.

Indutivos – São sensores que trabalham com um campo eletromagnético, portanto detectam apenas materiais ferromagnéticos.

Capacitivos – São sensores que tra-balham com o princípio da capacitância, detectam todos os tipos de materiais.

Fotoelétricos – São sensores que trabalham com emissão e recepção de luz, detectam todos os tipos de materiais.

Ultrassônicos – São sensores que ope-ram com a emissão e reflexão de um feixe

17Março/Abril 2012 :: Mecatrônica Atual

automação

F5. Banda de segurança de um sensor com 10mm de alcance.

F8. Funcionamento do sensor indutivo.

F1. LDR. F2. Representação gráfica do sinal digital.

F4. Distância entre a face sensora e o objeto a ser detectado.

F6. Utilização de objeto metálico como refe-rência da distância sensora máxima do sensor. F7. Sensor Indutivo.

F3. Representação gráfica do sinal análogico.

de ondas acústicas. A saída comuta quando este feixe é refletido ou interrompido pelo material a ser detectado.

TerminologiaFace sensora: A face sensora é o lado

do sensor que detecta o objeto.Distância sensora: É a distância entre

a face sensora e o objeto a ser detectado (figura 4). Com este parâmetro podemos definir a maior distância a que podemos deixar o sensor do objeto a ser detectado.

Histerese: A histerese pode ser tradu-zida como um atraso que tem como objetivo evitar falsas comutações na saída, este efeito propicia ao sensor uma banda de segurança entre o ligar (ON point) e o desligar (OFF point). As ilustrações na figura 5 são para um sensor com as seguintes características: distância sensora (SN) de 10 mm e histerese (H) de ± 20%. Assim, se o objeto estiver movendo-se em direção ao sensor, deve deslocar-se para o ponto mais próximo para ligá-lo. Uma vez ligado (ON point), permanece ligado até que o objeto se mova para o ponto mais distante (OFF point).

Alvo-padrão: Os fabricantes espe-cificam nos catálogos a distância sensora nominal, que é a máxima distância na qual o objeto será detectado. Como esta distância depende do material, usa-se um alvo-padrão (figura 6).

Sensores indutivosTem como elemento sensor uma bobina

que gera um campo eletromagnético de alta frequência (figura 7). A indutância varia com a proximidade de materiais ferromagnéticos.

Vantagens da detecção indutiva:•Muito boa resistência aos ambientes

industriais;•Não possui contato físico com o objeto;•Aparelhos estáticos: sem peças em

movimento no seu interior;•Maior vida útil, independentemente

do número de manobras;•Velocidade elevada.

Princípios de funcionamentoObserve a figura 8. O oscilador fornece

energia à bobina que produz um campo ele-tromagnético que perderá força (amplitude) quando um objeto metálico se aproximar da face sensora, reduzindo a amplitude da oscilação, esta queda se dá devido a indução de correntes parasitas no objeto metálico.


automação

O circuito de disparo detecta as alterações na amplitude da oscilação. Quando uma mudança considerável é detectada, o circuito de saída fornece um sinal para, por exemplo, um CLP (Controlador Lógico Programável).

AplicaçõesA principal aplicação é a detecção de

objetos metálicos, pois o campo emitido é eletromagnético (figura 9 e 10).

Sensores capacitivosSão sensores capazes de detectar a aproxi-

mação de objetos sem a necessidade de contato físico, tal qual os sensores indutivos, porém com princípio de funcionamento baseado na variação da capacitância (figura 11).

Neste caso, o elemento sensor é um capacitor cuja capacitância varia com a aproximação de qualquer material.

F12. Funcionamento do sensor capacitivo.

F9. Aplicação do sensor indutivo em uma esteira elétrica.

F10. Aplicação do sensor indutivo em um torno mecânico.

F13. Tamanho do alvo, a sua constante dielétrica e a distância até a ponta.

F11. Sensor Capacitivo.

Princípio de funcionamentoObserve a figura 12. Os sensores ca-

pacitivos operam baseados no princípio da capacidade eletrostática de maneira similar às placas de um capacitor. O oscilador e o eletrodo produzem um campo eletrostático. O alvo (objeto a ser detectado) age como uma segunda placa do capacitor. Um campo elétrico é produzido entre o alvo e o sensor.

Como a amplitude da oscilação aumenta, há um aumento da tensão do circuito do oscilador, e o circuito de detecção responde mudando o estado do sensor (ligando-o).

Um sensor capacitivo pode detectar quase qualquer tipo de objeto. A entrada do alvo (objeto) no campo eletrostático perturba o equilíbrio da corrente do circuito do sensor, causando a oscilação do circuito do eletrodo e mantém esta oscilação enquanto o alvo estiver dentro do campo.

Na ausência de um alvo, o oscilador está inativo.

A capacitância do circuito com a ponta de compensação é determinada pelo ta-manho do alvo, a sua constante dielétrica e a distância até a ponta. Veja a figura 13.

Quanto maior o tamanho e a constante dielétrica de um alvo, mais este aumenta a capacitância. Quanto menor a distância entre a ponta e o alvo, maior a capacitância.

AplicaçõesOs sensores capacitivos podem detectar

objetos metálicos e não metálicos, assim como produtos dentro de recipientes não metálicos. Estes sensores são usados ge-ralmente na indústria de alimentos e para verificar os níveis de fluidos e sólidos dentro de tanques. Os sensores capacitivos são mais sensíveis à flutuação da temperatura e da umidade do que são os sensores indutivos.

Sensores fotoelétricosOs sensores fotoelétricos, da mesma

forma que os capacitivos, detectam qualquer material, porém com uma distância senso-ra bem maior. São constituídos por dois circuitos eletrônicos, sendo: o transmissor, responsável pela emissão/ modulação da luz e o receptor, responsável pela recepção desta mesma luz.

Princípio de funcionamentoDetectam a mudança da quantidade

de luz que é refletida ou bloqueada pelo objeto a ser detectado (figura 14). O sensor fotoelétrico é composto basicamente de:

Fonte de luz - em geral, são leds infra-vermelhos ou visíveis;

Sensor de luz - são componentes eletrô-nicos que alteram a intensidade da corrente que conduzem, conforme a quantidade de luz recebida;

Lentes - Os leds e os fotossensores emitem e captam luz numa grande área. As lentes

19Março/Abril 2012 :: Mecatrônica Atual

automação

F14. Funcionamento de sensores fotoelétricos.

F15. Três principais modos de detecção.

F16. Aplicação de sensores fotoelétricos.

F17. Ondas sonoras de alta frequência emitidas e recebidas por sensores ultrassônicos.

E: EmissorR: Receptor


automação

Considerações para a instalação de sensores

A consideração principal na instalação elétrica de sensores é o limite da corrente elétrica aplicável. A corrente de saída (carga) deve ser limitada para a maioria dos sensores a uma corrente de saída bastante pequena. O limite da saída fica geralmente entre 50 e 200 miliampères. É crucial que a corrente esteja limitada a um nível que o sensor possa suportar. Os módulos de entrada do CLP (Controlador Lógico Programável) limitam a corrente a níveis aceitáveis. Por sua vez, sensores com saídas de relé podem supor-tar correntes mais elevadas (tipicamente 3 ampères).

Alimentação dos sensoresUm sensor, como qualquer outro dis-

positivo eletrônico, requer cuidado com a alimentação, pois se for feita de forma ina-dequada, poderá causar danos irreparáveis ao sensor.

Os fabricantes disponibilizam sensores capazes de trabalhar com tensões de 12 a 250 V, alternada ou contínua.

Saídas dos sensoresOs sensores com saídas discretas possuem

saídas com transistores, e estes podem ser NPN ou PNP.

Nos sensores com saída a relé as saídas não são eletrônicas, mas sim mecânicas. O relé possui contratos, normalmente abertos (NA) e normalmente fechados (NF), o que nos disponibiliza uma independência quanto à tensão da carga. A principal vantagem sobre os eletrônicos está em poder trabalhar com correntes mais altas.

Ligação elétrica dos sensoresObservar os esquemas de ligação elétrica,

identificando as cores dos fios antes de ins-talar o sensor, evitando principalmente que a saída do sensor seja ligada à rede elétrica, o que causaria a sua destruição.

Não se devem utilizar lâmpadas de incandescência com os sensores, pois a resistência do filamento frio provoca uma corrente de pico que pode danificar o sensor.

As cargas indutivas, tais como contatores e relés devem ser bem especificadas porque a corrente de ligação ou de corte podem danificar o sensor.

Conforme as recomendações das normas técnicas, deve-se evitar que os cabos dos sen-

F18. Sensor ultrassônico para medição de tamanho.

F20. Evite que os cabos dos sensores utilizem os mesmos tubos dos circuitos de potência.

F19. Sensor ultrossônico para medição de diâmetro.

sores utilizem os mesmos tubos dos circuitos de potência. As tensões induzidas podem possuir energia suficiente para danificar os sensores (figura 20).

ConclusãoCom o que foi visto no artigo, acreditamos

ter mostrado ao leitor algumas importantes aplicações do uso de sensores, bem como sobre os cuidados a serem tomados na sua instalação.Eng.º Filipe Pereira é Diretor do Curso de Electrônica, Automação e Computadores da Escola Secundária D. Sancho I - Departamento Electrotecnica -- site e e-mail pessoal:www.prof2000.pt/users/[email protected]

MA

são utilizadas para estreitar essa área, isso faz com que o alcance da detecção seja maior;

Saída - se o nível de luz detectado for suficiente, então, o sensor liga ou desliga a saída.

Modos de detecçãoVeja a figura 15, esses são os 3 principais

modos de detecção.A figura 16 mostra 2 tipos de aplicações

de sensores fotoelétricos.

Sensores ultrassônicosOs sensores ultrassônicos trabalham

emitindo e recebendo sinais sonoros de alta frequência e, portanto inaudíveis ao homem.

Os transdutores ultrassônicos dispõem de cristais piezoelétricos que têm uma ressonância a uma frequência desejada, e convertem a energia elétrica em energia acústica e vice-versa.

FuncionamentoO princípio de funcionamento dos sen-

sores ultrassônicos está baseado na emissão de uma onda sonora de alta frequência, e na medição do tempo levado para a recepção do eco produzido quando esta onda se choca com um objeto capaz de refletir o som.

Eles emitem pulsos ultrassônicos ci-clicamente. Quando um objeto ref lete estes pulsos, o eco resultante é recebido e convertido num sinal elétrico (figura 17).

A detecção do eco incidente depende de sua intensidade e esta da distância entre o objeto e o sensor ultrassônico. Os sensores ultrassônicos funcionam medindo o tempo de propagação do eco, isto é, o intervalo de tempo medido entre o impulso sonoro emitido e o eco do mesmo.

Algumas vantagens e desvantagens dos sensores ultrassônicos são:

•Existe uma zona morta próxima da face sensora;

•Alguns materiais como espumas, tecidos e borrachas são difíceis de detectar, pois absorvem o som;

•Possui um custo mais elevado que os sensores referidos anteriormente.

AplicaçõesOs sensores ultrassônicos podem ser uti-

lizados para os mais diversos fins, incluindo: medidas de diâmetro de rolos, detecção de quebra de fios, presença de pessoas, medição de densidades, etc (figura 18 e 19).

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mailto:[email protected]


energia

ACésar Cassiolato

Acoplamentopor impedância comumComo minimizar seus efeitos em instalações industriais

saiba mais

A energia eletromagnética nas instalações pode interferir na ope-ração de equipamentos eletrônicos. Controlar o ruído em sistemas de automação é vital, porque ele pode se tornar um problema sério mesmo nos melhores instrumentos e hardware de aquisição de dados e atuação. Este artigo provê informações e dicas sobre a minimização do efeito de acoplamento por impedância.

Dicas de Blindagem e Aterramento Mecatrônica Atual 53

Instalações Fieldbus: Acoplamentos Capacitivo e Indutivo Saber Eletrônica 456

Acoplamento elástico sem folga www.mecatronicaatual.com.br/secoes/leitura/807

Acoplamento – Enciclopédia Portal Saber Eletrônica www.sabereletronica.com.br/secoes/leitura_verbete/152

convivência de equipamentos em diversas tecnologias diferentes somada à inadequação das instalações facilita a emissão de energia eletromagnética e, com isto, é comum que se tenha problemas de compatibilidade eletromagnética.

A EMI é a energia que causa resposta indesejável a qualquer equipamento e que pode ser gerada por centelhamento nas es-covas de motores, chaveamento de circuitos de potência, em acionamentos de cargas indutivas e resistivas, acionamentos de relés, chaves, disjuntores, lâmpadas fluorescentes, aquecedores, ignições automotivas, descar-gas atmosféricas e mesmo nas descargas eletrostáticas entre pessoas e equipamentos, aparelhos de micro-ondas, equipamentos de comunicação móvel, etc.

Tudo isto pode provocar alterações causando sobretensão, subtensão, picos e transientes, o que em uma rede de co-municação pode ter seus impactos. Isto é muito comum nas indústrias e fábricas,

onde a EMI é muito frequente em função do maior uso de máquinas (máquinas de soldas, por exemplo) e motores (CCMs) e em redes digitais e de computadores próximas a essas áreas.

Para obter mais informações sobre a energia EMI e como minimizá-la, veja o artigo “Dicas de blindagem e aterramento” na Mecatrônica Atual 53.

Este artigo provê informações e dicas sobre a minimização do efeito de acopla-mento por impedância comum e vale sempre a pena lembrar das regulamentações locais que, em caso de dúvida, prevalecem sempre.

Controlar o ruído em sistemas de au-tomação é vital, porque ele pode se tornar um problema sério mesmo nos melhores instrumentos e hardware de aquisição de dados e atuação.

Qualquer ambiente industrial contém ruído elétrico em fontes, incluindo linhas de energia AC, sinais de rádio, máquinas e estações, etc.


energia

F1. Vários tipos de acoplamento gerando ruído em instalações industriais.

F2. Aterramento e impedância comum.

Felizmente, dispositivos e técnicas sim-ples, tais como a utilização de métodos de aterramento adequado, blindagem, fios trançados, os métodos média de sinais, filtros e amplificadores diferenciais podem controlar o ruído na maioria das medições.

Os inversores de frequência contêm circuitos de comutação que podem gerar interferência eletromagnética (EMI). Eles contêm amplificadores de alta energia de comutação que podem gerar EMI significativa nas frequências de 10 MHz a 300 MHz.

Certamente existe potencial de que este ruído de comutação possa gerar intermitências

em equipamentos em suas proximidades. Enquanto a maioria dos fabricantes toma os devidos cuidados em termos de projetos para minimizar este efeito, a imunidade completa não é possível.

Algumas técnicas então de layout, fia-ção, aterramento e blindagem contribuem significativamente nesta minimização.

A redução da EMI irá minimizar os custos iniciais e futuros problemas de funcionamento em qualquer sistema. Veja a figura 1.

Os sinais podem variar basicamente devido a:

•Flutuação de tensão;•Harmônicas de corrente;•RF conduzidas e radiadas;•Transitórios (condução ou radiação);•Campos Eletrostáticos;•Campos Magnéticos;•Reflexões;•Crosstalk;•Atenuações;•Jitter (ruído de fase).As principais fontes de interferências são:•Acoplamento capacitivo (interação de

campos elétricos entre condutores);•Acoplamento indutivo (acompanhadas

por um campo magnético. O nível de perturbação depende das variações de corrente (di/dt) e da indutância de acoplamento mútuo);

•Condução através de impedância comum (aterramento): Ocorre quando as correntes de duas áreas diferentes passam por uma mesma impedância. Por exemplo, o caminho de aterra-mento comum de dois sistemas.

Veremos neste artigo o acoplamento por impedância comum.

Acoplamento por impedância comum (ou condutivo)

É o acoplamento por transferência de energia elétrica tendo-se contato físico através de um meio condutor, em contraste com os acoplamentos indutivo e capacitivo. Pode ser via um fio, resistor, ou um terminal comum, linha de transmissão, contato com a carcaça, aterramento, etc.

O acoplamento condutivo vai além do espectro de frequências e inclui o DC. A interferência acontece entre as linhas de sinal e o terra. O ruído é provocado pela resistência existente e comum ao sinal e ao retorno. Observe as figuras 2 e 3.

A ligação à terra em série é muito comum porque é simples e econômica. No entanto, este é o aterramento que proporciona um terra sujo, devido à impedância comum entre os circuitos. Quando vários circuitos compartilham um fio-terra, as correntes de um circuito (que fluem através da impedân-cia finita da linha de base comum) podem provocar variações no potencial de terra dos demais circuitos. Se as correntes são grandes o suficiente, as variações do potencial de terra podem causar sérias perturbações nas operações de todos os circuitos ligados ao terra comum de sinal. Atente para a figura 4.

Medidas para reduzir o efeito do acoplamento condutivo entre cabos:

•Separe as alimentações e os retornos de aterramentos;

•Este tipo de ruído acoplado existe porque os condutores têm impedância finita. O efeito pode ser eliminado ou minimizado pela quebra de loops de terra (se houver) e proporcionando-se retornos ao terra. Veja a figura 5;

•Minimize caminhos comuns, espe-cialmente de alta corrente, correntes comutadas e sinais com transientes;

•Em caminhos comuns use sempre que possível a menor resistência (para altas correntes) e a mais baixa indutância (para altas di/dt’s);

•Use planos de baixa impedância para fontes DCs e seus retornos. É comum usar um capacitor de bypass entre a fonte, mantendo as frequências altas em seus circuitos.

Este artigo não substitui a NBR 5410, a NBR 5418, os padrões IEC 61158 e IEC 61784 e nem os perfis e guias técnicos do PROFIBUS. Em caso de discrepância ou dúvida, as normas, os padrões IEC 61158 e IEC 61784, perfis, guias técnicos e manuais de fabricantes prevalecem. Sempre que possível, consulte a EN50170 para as regu-lamentações físicas, assim como as práticas de segurança de cada área.

F3. Aterramento em série resultando em acoplamento condutivo.

F4. Impedância comum. F5. Aterramento e conexões adequadas, evitando-se o acoplamento condutivo.

ConclusãoTodo projeto de automação deve levar

em conta os padrões para garantir níveis de sinais adequados, assim como a segurança exigida pela aplicação.

Recomenda-se que anualmente se tenha ações preventivas de manutenção, verificando cada conexão ao sistema de aterramento, onde deve-se assegurar a qualidade de cada conexão em relação à robustez, confiabilidade e baixa impedância (deve-se garantir que não haja contaminação e corrosão). MA


energia

Alexandre Capelli

Transformadores de Baixa Tensão

saiba mais

O transformador de potencial é um dos componentes elétricos mais comuns em uma máquina (ou instalação) industrial. Neste artigo, abordaremos os conceitos fundamentais desse dispositivo através de aplicações práticas em campo. Além disso, procura-mos dar uma atenção especial sobre as potências (ativa, reativa e real), que, frequentemente, costumam confundir o técnico ou engenheiro de aplicação.

Conheça os transformadores, relés e solenóides Mecatrônica Fácil 41

Trabalhando com Transformadores www.mecatronicaatual.com.br/secoes/leitura/674

Transformadores Piezoelétricos www.sabereletronica.com.br/secoes/leitura/694

Tipos de TransformadoresQuando falamos em baixa tensão po-

demos encontrar, basicamente, três tipos de transformadores: transformador de potencial, transformador de corrente, e auto-transformador.

Transformador de potencialO transformador de potencial, como o

próprio nome diz, é um dispositivo que opera com tensões elétricas. Através do fenômeno de indução eletromagnética, conforme ve-remos mais adiante, o TP (transformador de potencial) pode aumentar a amplitude de uma tensão, reduzi-la, ou apenas isolá-la.

O princípio de “indução eletromagnética” é regido pela Lei de Faraday. Por ela, temos que a tensão induzida em uma bobina pode ser expressa por:

onde:e(t) = tensão elétricadØ = variação de fluxo dt magnético pelo tempoCaso haja mais de uma espira, então:

onde: N = número de espiras.

Fisicamente falando, a tensão induzida por uma espira (ou uma bobina) é proporcional à variação de fluxo magnético pelo tempo.

Isso pode ser comprovado na prática se aproximarmos um ímã de uma espira. No momento da aproximação, ou no distancia-mento do campo magnético, teremos uma tensão. Porém, caso o ímã esteja parado em relação a ela (dt = ¥), então, não teremos tensão alguma. Essa, portanto, somente aparecerá com um campo magnético “va-riante” (figura 1).

Segundo esse princípio o transformador somente poderá operar com tensões alterna-das ou, no mínimo, pulsantes. A figura 2 mostra uma representação esquemática do transformador. Notem que, nesse exemplo, temos dois enrolamentos (bobinas): o primário (entrada da tensão), e o secundário (saída). A “energia” passa de um para o outro através da indução eletromagnética, isto é, não há contato elétrico entre os enrolamentos. Por sua vez, a indução eletromagnética (conforme vimos pela Lei de Faraday) ocorre apenas para campos alternados (ou oscilantes).

O elemento “facilitador” da transferência de energia do enrolamento primário para o secundário é o núcleo. Esse elemento fun-ciona como um “amplificador” do campo eletromagnético. Para transformadores de baixa frequência o núcleo é feito de uma


energia

F1. Indução eletromagnética. F3. Transformador de correnteutilizado em instrumentação.

F2. Modelo eletromagnéticodo transformador.

F4. Autotransformador, ligação física entreo enrolamento primário e o secundário.

F5. Bobina ideal.

liga próxima ao aço chamada “aço-silício” e, conforme veremos mais adiante, para altas frequências o núcleo é feito de ferrite.

Transformador de corrente (TC)Transformador de corrente é aquele que,

dentro de limites pré-estabelecidos, mantém constante a corrente dentro do secundário, independentemente das variações da resistência deste circuito e da tensão no circuito primário.

Em eletrônica, isto é, em “baixa tensão”, uma das aplicações mais comuns do TC é na instrumentação. A figura 3 ilustra um exemplo, onde o enrolamento primário do TC está monitorando a corrente do motor. Notem que no secundário temos uma carga R. A função dessa carga é converter a corrente secundária em uma tensão de referência. Essa tensão, por sua vez, pode ser utilizada para o controle ou medição.

AutotransformadorO autotransformador é um transformador

cujos enrolamentos primário e secundário têm certo número de espiras em comum, ou, dependendo do tipo, primário e secundário formam um único enrolamento. A figura 4 apresenta um exemplo de “autotrafo”.

Como o autotransformador possui uma ligação física entre os enrolamentos, a transferência de energia entre eles não ocorre somente por indução eletromagnética, mas também pelo contato físico entre as bobinas. Essa técnica permite que possamos extrair maior potência do dispositivo em um tamanho menor do que se ele fosse um transformador convencional (com os enrolamentos isolados). Porém, sua desvantagem é a falta de isolação entre a rede e a carga.

Um exemplo muito popular de autotrans-formador é a bobina de ignição de motores de combustão interna antigos (aqueles com platinado e distribuidor).

Transformador Ideal e RealAgora que já temos uma breve ideia sobre

o funcionamento e os tipos de transformador, vamos voltar ao foco principal deste artigo: o transformador de potencial (tensão).

Para fins de cálculos, podemos analisar o transformador de potencial (TP) de duas formas: transformador ideal e real.

Transformador idealUma bobina ideal (sem componentes

parasitas resistivos ou capacitivos) sujeita a

uma tensão alternada produzirá um campo magnético dado pela lei de Ampère, segundo a figura 5.

Considerando essa tensão como alternada senoidal temos V(t) = Vmáx . sen wt, e a corrente i(t) = Imáx . sen (wt - 90°).

Em um transformador a bobina está envolta em um núcleo magnético, cuja densidade de fluxo é dada por:

onde:b = densidade de fluxom = constante de materialH = indutância de enrolamento (bobina).Uma vez que o núcleo tem seção trans-

versal de área S, então, a equação final do fluxo, em função do núcleo, será:

Substituindo b (t), temos:


energia

onde:Ø = fluxom = constante de material do núcleoN = número de espirasS = área de seção transversal do núcleoL = comprimento da bobinai = corrente nominal da bobina.O fluxo gerado no enrolamento primá-

rio causará outro de mesma natureza no secundário, portanto:

Ø = Ømáx . sen (wt - 90°)fluxo em fase com a corrente.A tensão induzida será:

Para o enrolamento primário temos:

E para o secundário:

Portanto:

Simplificando a expressão acima, fica:

F6. Perdas em um transformador REAL

F7. Seção transversal retangular x circular.

F8. Transformador com núcleo "C".

F9. Exemplo de construção de um "trafo" trifásico.

Considerando o dispositivo como ideal, a força magnetomotriz resultante deve ser nula (sem perdas). Assim:

Finalmente, chegamos à equação fun-damental dos transformadores de potencial:

Vamos a dois exemplos numéricos:1) Determine o número de espiras do

primário de um transformador que possui 300 espiras no secundário, cujas tensões de entrada e saída são, respectivamente: 120 V e 12 V.

2) Calcule as correntes primária e se- cundária do exemplo anterior saben-do que há uma carga de 600 W no enrolamento secundário.

Considerando o transformador como ideal, a potência consumida no circuito primário deve ser igual a do secundário pois, sendo igual, não existe perda.

P1 = P2 (potência no primário igual à do secundário)

Transformador realQuando desenvolvemos aplicações em

baixa tensão (e corrente) podemos dimensionar nosso transformador utilizando as fórmulas anteriores, isto é, considerando-o ideal. Cabe lembrar que o transformador, em geral, apresenta um rendimento superior a 85%.


energia

Isso quer dizer que, colocando um fator de segurança de 15% já compensamos as perdas do dispositivo real.

Mesmo assim, vale a pena fazer uma análise física do transformador real, visto que isso pode auxiliar o leitor na diagnose de falhas.

As principais perdas em um transformador são devidas a três fontes: resistência elétrica das bobinas, correntes parasitas de Foucault (que ocorrem no núcleo), e corrente para a magnetização do enrolamento primário.

As resistências ôhmicas das bobinas acrescentam ao trafo componentes resistivos (R1 e R2). O fluxo magnético, por sua vez, não é homogêneo, o que gera dispersão nas bobinas (X1 e X2), bem como correntes pa-rasitas (Foucault). Além disso, mesmo sem carga no secundário, o enrolamento primário consome uma pequena corrente para iniciar o processo de indução (Rm e Xm). Todos esses “componentes parasitas” provocam perda de potência. O que deveria ser convertido em potência elétrica é desperdiçado, em parte, por calor e barulho (pequeno “zumbido” típico de transformadores).

O modelo real de transformador, então, pode ser visto na figura 6. Notem que a tensão V2, disponível para a carga, é menor que E2, pois parte dela é perdida em R2 e X2.

Existem várias técnicas para minimizar esses efeitos indesejados, porém, duas delas são as mais comuns: seção transversal do fio de enrolamento em geometria retangular e construção de núcleo com lâminas isoladas.

A figura 7 mostra o núcleo de um trans-formador onde o fio de enrolamento tem seção transversal retangular, em comparação com um de seção circular convencional. Podemos observar que com o fio retangular quase não há espaços vazios entre uma espira e outra. Já com fio circular existem vários “gaps”, isto é, áreas vazias entre espiras. A técnica de utilizar fios “retangulares” dimi-nui as perdas, e é muito utilizada quando necessitamos de altos rendimentos.

Outra técnica é construir o núcleo com as lâminas de aço isoladas umas das outras com verniz especial. Assim temos uma re-dução considerável das correntes parasitas de Foucault.

Um exemplo desse tipo de núcleo é o núcleo tipo “C”, exibido na figura 8. Podemos notar que, além do isolamento entre lâminas, as bobinas estão alocadas mecanicamente em extremos opostos, e

Transformador de alta frequência.

não uma sobre a outra. Com essa separação mecânica entre enrolamentos, podemos obter um melhor rendimento. Cabe lembrar que isso é válido apenas para baixas frequências (rede elétrica, por exemplo).

Transformador TrifásicoOs transformadores trifásicos são em-

pregados, normalmente, em altas potências (cabines primárias, nos postes de distribuição, etc.). Entretanto, algumas máquinas utilizam esses “trafos” nas suas respectivas entradas de energia. O motivo dessa técnica, cha-mada de isolação galvânica, será analisado ainda neste artigo, portanto, vamos fazer um breve estudo desse dispositivo e suas configurações principais.

O transformador trifásico é construído com três carretéis, e cada um deles abriga dois enrolamentos (circuito primário e secundário).

A figura 9 ilustra um exemplo desse componente que, por ser trifásico, tem

um total de seis bobinas. O modo como interligamos essas bobinas (enrolamentos) é o que chamamos de configuração ou “fe-chamento” do transformador. Para a entrada de máquinas, temos cinco configurações mais comuns:

•Delta-Delta (DD);•Delta-Estrela (DY);•Estrela-Estrela (YY);•Estrela-Delta (YD) e;•Estrela-Delta com tap (YD).

Delta-DeltaA figura 10 apresenta o esquema Delta-

-Delta, que pode ser representado por DD. Esse sistema ainda pode ser encontrado em algumas máquinas e instalações, porém, não é o ideal, visto que não possui neutro.

Nesse caso, a tensão de linha (entre fase e neutro) é igual a tensão de fase (entre fase e fase), e uma das suas desvantagens é o desequilíbrio das tensões segundo a variação da carga em cada fase.

Transformadores de alta frequência

Os transformadores utilizados em alta frequência apresentam algumas carac-terísticas construtivas diferentes dos “trafos” convencionais. Como podemos notar na foto abaixo, o núcleo é feito de ferrite e não de aço laminado (ou silício).O ferrite apresenta densidade de campo magnético não saturável, e elevada permeabilidade (capacidade de “con-duzir” o campo magnético) em alta frequência (acima de 20 kHz), o que não acontece com o aço laminado de trafo comum. Outra vantagem do ferrite é a sua grande resistividade em relação

aos materiais metálicos. O ferrite, com resistividade aproximada de 100 kW/cm, evita o surgimento das correntes parasitas de Foucault.Outra diferença é o fio utilizado no transformador para alta frequência, as bobinas são enroladas com fio “litz”. Esse fio é formado por vários conduto-res isolados entre si, sendo a soma de todas as seções transversais adequadas à corrente e frequência de trabalho. Essa técnica minimiza as perdas pelo efeito pelicular.


energia

Delta-EstrelaEssa é a configuração mais comum no

ambiente industrial. Esse “fechamento” apresenta um melhor equilíbrio das tensões de saída, visto que o neutro serve como referência no enrolamento secundário. No DY, a tensão de linha é (colocar símbolo de raiz) 3 vezes a tensão de fase (figura 11).

Estrela-EstrelaO fechamento YY, embora incomum,

também apresenta boa estabilidade de tensão, pois o secundário tem o ponto central ater-rado (figura 12). Normalmente, utilizamos esse tipo de configuração onde a tensão de entrada é mais baixa (perdas causadas por consumidores intermediários).

Estrela-DeltaAo contrário do anterior, o secundário

não tem referência e, geralmente, o fecha-mento YD é utilizado onde a tensão de entrada da concessionária está acima do normal da máquina, devendo ser abaixada (consumidor localizado no início da linha de distribuição). Vide figura 13.

Estrela – Delta com tapA configuração YD (figura 14) utiliza

um artifício para criar uma referência. Essa referência provém do tap (derivação) central de um enrolamento do secundário em D. Essa técnica possibilita tensões menores do que as fases, contudo, não garante boa estabilidade.

Voltando um pouco à figura 9 pode-mos notar que o transformador trifásico utilizado como exemplo é do tipo “núcleo envolvido”. Nesse tipo de “trafo” o núcleo é constituído por colunas interligadas por “jugos”, as quais atravessam os carretéis das bobinas dos enrolamentos. Existe, porém, o transformador de núcleo envolvente, cuja aparência assemelha-se ao trafo monofásico, onde o núcleo é externo ao carretel.

AplicaçõesAs duas aplicações mais comuns de

transformadores na indústria são: compa-tibilizador de tensão e isolador.

Compatibilizador de tensãoO transformador, conforme já vimos neste

artigo, pode ser “elevador” ou “abaixador” de tensão. Isso só depende da relação entre espiras n1/n2. Caso n1/n2 seja maior do que 1, ele é abaixador, e sendo menor que 1 é elevador.

Algumas redes trifásicas podem apresentar tensões de 380 VCA, 440 VCA, ou até 630 VCA, porém, na mesma planta, podemos ter a necessidade de ligar uma máquina, por exemplo, que funcione com 220 VCA. É aí que utilizamos o “trafo” como compatibi-lizador de tensão. No exemplo, abaixando 380 VCA para 220 VCA (naquela máquina).

IsoladorO transformador isolador possui a relação

n1/n2 igual a 1. Isso significa que o valor da tensão que entra é igual ao que sai.

Mas para que utilizá-lo nessa configuração?

Duas são as finalidades para utilizarmos o transformador isolador: como filtro ou limitador de potência.

Como já abordamos anteriormente, o transformador convencional para baixas frequências (núcleo de aço laminado e fios de cobre) não pode transportar energia entre seus enrolamentos em altas frequências. Se isso é um fator limitante por um lado, por outro é conveniente.

Sabemos que as frequências harmônicas da senoide fundamental (60 Hz) constituem uma das principais fontes de ruídos elétricos prejudiciais no ambiente industrial, e que eles podem ocupar o espectro de frequências que atinge vários kHz.

Ora, uma vez que o trafo isolador não pode induzir sinais nessa faixa de frequên-

F14. Sistema Y∆ com tap.

F15. Transformador isolador.

F13. Sistema Y∆.F10. Sistema ∆∆: tensão de fase=tensão de linha.

F11. Sistema ∆Y: tensão de linha é igual a 3 fase.

F12. Sistema YY.


energia

MA

Abaixo seguem alguns sites interessantes sobre transformadores:

www.comel.ind.br www.kimarki.com.br(produtos)

www.sp.senai.br(cursos)

F16. Triângulo das potências.

Potência Aparente (VA)

Potência Real (W)

PotênciaReativa(VAr)Ø

cias, todo ruído gerado no seu primário não é levado à carga. A recíproca é verdadeira, ou seja, todo ruído gerado pela carga não é “jogado” para a rede.

O transformador isolador, portanto, funciona como um filtro. Outra razão para se utilizar o transformador isolador é a segurança. Quando isolamos uma carga da rede via “trafo”, qualquer problema com essa carga (um curto-circuito, por exemplo) terá sua magnitude limitada na potência do transformador.

Vamos a um exemplo prático:Imaginem que tenhamos uma máquina

qualquer isolada da rede, de acordo com a figura 15. Notem que o transformador tem a potência real de 2200 W. Dessa forma, um curto-circuito no lado da carga poderá atingir um valor máximo de 10 A.

Caso a mesma carga estivesse ligada diretamente a rede, esse valor atingiria vários kA, e os danos causados seriam bem maiores. Segundo a mesma filosofia, o transformador isolador aumenta a segurança para o usuário da máquina. Chamamos essa isolação de “isolação galvânica”.

Dimensionando o Transformador

Para dimensionar um transformador necessitamos, basicamente, definir cinco parâmetros: potência nominal, fator de potência, tensões, regulação, e rendimento.

Potência nominalA potência nominal, em geral, refere-se à

potência aparente do dispositivo, e é expressa em VA (volt x ampère). Esse parâmetro é diretamente proporcional ao tamanho de núcleo e bitola dos cabos dos enrolamentos.

Embora a potência de um transformador seja expressa em VA (aparente), não devemos esquecer que a potência útil para a carga é a “potência real”, dada em watts. Para con-vertermos uma na outra, basta aplicarmos o conceito de triângulo das potências:

Notem pela figura 16, que a potência aparente é a maior de todas, porém, nem toda ela pode ser convertida em energia para carga.

Por trigonometria, temos que a potência real é igual ao produto da potência aparente pelo cosseno do ângulo formado entre elas (Ø).

Potência real [W] = Potência aparente [VA] x cosØ.

O cosØ é o que chamamos de fator de potência. Quanto maior ele for, menor será a diferença entre a potência real e a aparente.

Esse fenômeno é fácil de ser entendido, pois com a diminuição de Ø temos uma redução da potência reativa e, consequen-temente, um maior valor do seu cosseno.

A potência reativa, expressa em VAr (volt x ampère reativo) não realiza trabalho, portanto, não é útil à carga.

Fator de potênciaO fator de potência, ou cosØ, conforme

já foi dito, é um valor que expressa o valor da diferença entre a potência real (útil) e a aparente.

Quando um fabricante mostra, por exemplo, um transformador de 1000 VA (ou 1 kVA) e não informa seu cosØ, não podemos saber sua potência real.

Imaginem, por exemplo, que tenhamos dois fabricantes “A” e “B”. O fabricante “A” produz um transformador de 1 kVA com cosØ = 0,7. O fabricante “B” produz um transformador com 0,8 kVA (ou 800 VA) com cosØ = 0,9.

Vamos aos cálculos:Trafo APotência Real = 1000 VA . 0,7 = 700 WTrafo BPotência Real = 800 VA . 0,9 = 720 WO transformador do fabricante B, embora

com potência aparente menor, possui maior potência útil.

TensõesQuanto às tensões não há segredo, basta

definir as amplitudes segundo entrada da rede, e saída para a carga.

RegulaçãoA regulação é a diferença aritmética entre

a tensão em vazio em um enrolamento, e a tensão com carga no mesmo enrolamento. Normalmente, esse parâmetro refere-se ao secundário, e é expresso em uma porcentagem da tensão em vazio e com carga.

RendimentoO rendimento é o fator que mostra

as perdas do dispositivo. A potência ativa fornecida pelo componente é sempre menor que a recebida por ele (perdas por calor, barulho, magnetização do enrolamento primário, etc.).Esse fator também é expres-so em porcentagem e, na prática, sempre ultrapassa 85%.

ConclusãoA “sinergia” entre eletrotécnica e ele-

trônica tem aumentado muito nos últimos tempos. Fatores e técnicas, antes restritos a uma ou outra área, hoje, “misturam-se”, exigindo do técnico ou engenheiro (seja ele de desenvolvimento ou aplicação) um conhecimento cada vez maior de ambos os campos.


ferramentas

ACésar Cassiolato

SISUma visão prática Parte 5

Sistemas Instrumentados de Segurança

saiba maiss condições de segurança devem ser sempre seguidas e adotadas em plantas e as melhores práticas operacionais e de instalação são deveres dos empregado-res e empregados. Vale lembrar ainda que o primeiro conceito em relação à legislação de segurança é garantir que todos os sistemas sejam instalados e operados de forma segura, e o segundo é que instrumentos e alarmes envolvidos com segurança sejam operados com confiabilidade e eficiência.

Os Sistemas Instrumentados de Segurança (SIS) são os sistemas res-ponsáveis pela segurança operacional e que garantem a parada de emergência dentro dos limites considerados seguros, sempre que a operação ultrapassar estes limites. O objetivo principal é se evitar acidentes dentro e fora das fábricas, como incêndios, explosões, danos aos equipamentos, proteção da produção e da propriedade e mais do que isto, evitar riscos de vidas ou danos à saúde pessoal e impactos catastróficos para a comunidade. Deve-se ter de forma clara que nenhum sistema é totalmente

Os Sistemas Instrumentados de Segurança (SIS) são utilizados para monitorar a condição de valores e parâmetros de uma planta dentro dos limites operacionais e, quando houver condições de riscos, devem gerar alarmes e colocar a planta em uma condição segura, ou na condição de shutdown

IEC 61508, “Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems”.

IEC 61511-1, clause 11, “Functional safety - Safety instrumented systems for the process industry sector - Part 1: Framework, definitions, system, hardware and software requirements”, 2003-01

Safety Instrumented Systems Verification: Practical Probabilistic Calculation. William M. Goble, Harry Cheddie,

Sistema de intertravamento de segurança. Esteves, Marcello; Rodriguez, João Aurélio V.; Maciel, Marcos, 2003.

Confiabilidade nos Sistemas de Medições e Sistemas Instrumentados de Segurança. César Cassiolato

Manual LD400-SIS

SIS - Parte 1 a 4, César Cassiolato Mecatrônica Atual 51 - 53

Manual LD400-SIS, César Cassiolato Mecatrônica Atual 53

imune a falhas e sempre deve propor-cionar, mesmo em caso de falha, uma condição segura.

Durante muitos anos os sistemas de segurança foram projetados de acordo com os padrões alemães (DIN V VDE 0801 e DIN V 19250) que foram bem aceitos durante anos pela comunidade mundial de segurança e que culminou com os esforços para um padrão mun-dial, a IEC 61508, que serve hoje de guarda-chuva em seguranças operacionais envolvendo sistemas elétricos, eletrôni-cos, e dispositivos programáveis para qualquer tipo de indústria. Este padrão cobre todos os sistemas de segurança que têm natureza eletromecânica.

Os produtos certificados de acordo com a IEC 61508 devem tratar basi-camente 3 tipos de falhas:

•Falhas de hardware randômicas;•Falhas sistemáticas;•Falhas de causas comuns.A IEC 61508 é dividida em 7

partes, das quais as 4 primeiras são mandatórias e as 3 restantes servem de guias de orientação:

http://www.smar.com/newsletter/marketing/www.smar.com/PDFs/manuals/LD400MP.pdf


ferramentas

F1. SIF - SIL 1. F2. SIF - SIL 2.

•Part1: General requirements;•Part 2: Requirements for E/E/PE

safety-related systems;•Part3: Software requirements;•Part4: Definitions and abbreviations;•Part5: Examples of methods for the

determination of safety integrity levels;•Part6: Guidelines on the application

of IEC 61508-2 and IEC 61508-3;•Part7: Overview of techniques and

measures.Este padrão trata sistematicamente todas as

atividades do ciclo de vida de um SIS (Sistema Instrumentado de Segurança) e é voltado para a performance exigida do sistema, isto é, uma vez atingido o nível de SIL (Nível de Integridade de Segurança) desejável, o nível de redundância e o intervalo de teste ficam a critério de quem especificou o sistema.

A IEC 61508 busca potencializar as melhorias dos PES (Programmable Electronic Safety, onde estão incluídos os CLPs, sistemas microprocessados, sistemas de controle distri-buído, sensores e atuadores inteligentes, etc.) de forma a uniformizar os conceitos envolvidos.

Recentemente vários padrões sobre o desenvolvimento, projeto e manutenção de SIS foram elaborados, onde já citamos a IEC 61508 (indústrias em geral) e vale citar também a IEC 61511, voltada as indústrias de processamento contínuo, líquidos e gases.

Na prática, vemos em muitas aplica-ções a especificação de equipamentos com certificação SIL para serem utilizados em sistemas de controle sem função de segu-rança. Acredita-se também que exista no mercado desinformação, levando à compra de equipamentos mais caros, desenvolvidos para funções de segurança onde, na realidade, serão aplicados em funções de controle de processo em que a certificação SIL não traz os benefícios esperados, dificultando inclusive a utilização e operação dos equipamentos.

Além disso, esta desinformação leva os usuários a acreditarem que têm um sistema de controle seguro certificado, mas na verdade eles possuem um controlador com funções de segurança certificado.

Com o crescimento do uso e aplicações com equipamentos e instrumentação digitais, é de extrema importância aos profissionais envolvidos em projetos ou no cotidiano da instrumentação, que se capacitem e adqui-ram o conhecimento de como determinar a performance exigida pelos sistemas de segurança, que tenham o domínio das fer-ramentas de cálculos e as taxas de riscos que se encontram dentro de limites aceitáveis.

Além do mais, é necessário:•Entender as falhas em modo comum,

saber quais os tipos de falhas seguras e não seguras são possíveis em um determinado sistema, como preveni-las e mais do que isto, quando, como, onde e qual grau de redundância é mais adequado para cada caso;

•Definir o nível de manutenção pre-ventiva adequado para cada aplicação.

O mero uso de equipamentos modernos, sofisticados ou mesmo certificados, por si só não garante absolutamente nenhuma melhoria de confiabilidade e segurança de operação, quando comparado com tecno-logias tradicionais, exceto quando o sistema é implantado com critérios e conhecimento das vantagens e das limitações inerentes a cada tipo de tecnologia disponível. Além disso, deve-se ter em mente toda a questão do ciclo de vida de um SIS.

Comumente vemos acidentes relacionados a dispositivos de segurança bypassados pela operação, ou durante uma manutenção. Certamente é muito difícil evitar na fase de projeto que um dispositivo destes venha a ser bypassado no futuro, mas através de um projeto criterioso e que atenda melhor

às necessidades operacionais do usuário do sistema de segurança, é possível eliminar ou reduzir consideravelmente o número de bypasses não autorizados.

Através do uso e aplicação de técnicas com circuitos de lógica fixas ou programá-veis, tolerantes à falha e/ou de falha segura, microcomputadores e conceitos de software, hoje já se pode projetar sistemas eficientes e seguros com custos adequados a esta função.

O grau de complexidade de SIS depende muito do processo considerado. Aquecedores, reatores, colunas de craqueamento, caldeiras e fornos são exemplos típicos de equipamen-tos que exigem sistemas de intertravamento de segurança cuidadosamente projetados e implementados.

O funcionamento adequado de um SIS requer condições de desempenho e diagnós-ticos superiores aos sistemas convencionais. A operação segura em um SIS é composta de sensores, programadores lógicos, proces-sadores e elementos finais projetados com a finalidade de provocar a parada sempre que houver limites seguros sendo ultrapassados (por exemplo, variáveis de processos como pressão e temperatura acima dos limites de alarme muito alto) ou mesmo impedir o funcionamento em condições não favoráveis às condições seguras de operação.

Exemplos típicos de sistemas de segurança:•Sistema de Shutdown de Emergência

(ESD);•Sistema de Shutdown de Segurança

(SSD);•Sistema de intertravamento de Se-

gurança;•Sistema de Fogo e Gás.Vimos na quarta parte, alguns detalhes

sobre o Processo de Verificação de SIF.Nesta quinta e última parte veremos

um pouco sobre as soluções típicas de SIF e um exemplo de aplicação.


ferramentas

Soluções Típicas de SIF (Função Instrumentada de Segurança)

Como determinar a arquitetura?A arquitetura de uma SIF é decidida

pela tolerância a falha de seus componentes.Pode atingir um nível mais elevado de

SIL usando-se redundância.A quantidade de equipamentos depen-

derá da confiabilidade de cada componente, definida em seu FMEDA (Failure Modes, Effects, and Diagnostic Analysis).

As três mais comuns arquiteturas são:•Simplex, ou votação 1oo1 (1 out of 1);•Duplex, ou votação 1oo2 ou 2oo2;•Triplex, ou votação 2oo3.

Simplex, ou votação 1oo1 (1 out of 1)O princípio de votação 1oo1 envolve um

sistema de canal único, e é normalmente concebido para aplicações de segurança de baixo nível. Imediatamente resulta na perda

da função de segurança, ou no encerramento do processo.

Duplex, ou votação 1oo2 ou 2oo2O princípio de votação 1oo2 foi desen-

volvido para melhorar o desempenho de integridade de segurança de sistemas de segurança baseados em 1oo1. Se ocorre uma falha em um canal, o outro ainda é capaz de desempenhar a função de segurança. Infe-lizmente, este conceito não melhora a taxa de falsos trips. Pior ainda, a probabilidade de falso trip quase duplica.

2oo2: A principal desvantagem de um sistema de segurança único (ou seja, não redundante) é que uma única falha leva imediatamente a um trip. A duplicação dos canais em aplicação 2oo2, reduz sig-nificativamente a probabilidade de falso trip, uma vez que ambos os canais devem falhar para que o sistema seja colcado em shutdown. Por outro lado, o sistema tem a desvantagem de que a probabilidade de

falha na demanda é duas vezes maior do que a de um único canal.

Triplex, ou votação 2oo32oo3: Nesta votação há três canais, dois

dos quais precisam estar OK para operar e cumprir as funções de segurança. O prin-cípio de votação 2oo3 é melhor aplicado se houver uma separação física completa dos microprocessadores. No entanto, isso exige que elas sejam localizadas em três diferentes módulos.Embora os sistemas mais recentes tenham um nível maior de diagnósticos, sistemas de segurança baseados em votação 2oo3 ainda conservam a desvantagem de ter uma probabilidade de falha na demanda, que é aproximadamente três vezes maior que a dos sistemas baseados em 1oo2.

Exemplos de ArquiteturasSIL 1 (figura 1)SIL 2 (figura 2)SIL 3 (figura 3 e 4)

Exemplo de AplicaçãoA figura 5 mostra um processo simples

onde um fluido é adicionado continua e automaticamente a um vaso de processo. Se o sistema de controle falhar por uma condição de pressão muito alta, ocorre um alívio de segurança, produzindo um odor indesejável fora da planta. Considera-se que uma taxa de risco aceitável para tal evento é 0,01/ano ou menos (uma vez em cem anos, ou 1 chance em 100 por ano). Vamos especificar um Sistema Instrumentado de Segurança (SIS) que atinja estes requisitos de segurança.

Para se definirem os requisitos de inte-gridade de segurança, a taxa de demanda em relação ao SIS deve ser estimada. Neste exemplo, a taxa de demanda do SIS deve ser a taxa de falha perigosa da malha de controle.

A taxa de falha geral para a malha de controle pode ser estimada a partir das taxas de falhas para os componentes, onde no exemplo assumiremos (tabela 1).

A malha de controle deste exemplo pode falhar em qualquer direção, assumindo-se que as duas são igualmente prováveis. Pelo fato da malha de controle ativo estar sob supervisão do operador, assume-se que apenas 1 falha em 4 seria repentinamente suficiente para causar uma demanda para uma condição de parada sem uma intervenção prévia do operador. Isto gera o resultado geral de (1 em 2) X (1 em 4) ou 1/8 da taxa de falhas

F3. SIF - SIL 3.

F4. SIF - SIL 3 – Votação 2oo3.


ferramentas

geral, que deve ser usada como a taxa de demanda para uma parada. Diferentes suposições devem ser feitas com base no conhecimento específico do equipamento e condições.

Portanto, a taxa de demanda = 1,6 / 8 = 0,2 / ano

A indisponibilidade aceitável:

A disponibilidade requerida é = 1 – 0,05 = 0,95

Propõe-se um SIS com ligação simples e direta para cortar a alimentação quando a pressão do sistema atinge 80% do valor de ajuste da válvula de segurança.

A conformidade pode ser avaliada pela estimativa da indisponibilidade da malha. Seguem as taxas de falhas, colocadas como exemplo, e que poderiam ser consultadas para cada fabricante (tabela 2).

A malha é projetada para falhar na direção segura, assim admite-se que apenas 1 em 3 falhas seria na direção não segura. Todas estas falhas do sistema passivo não seriam diagnosticadas.

Portanto, a taxa de falhas não diagnos-ticadas = 0,6/3 = 0,2/ano

Com uma frequência anual de teste,FDT = ½ fT = ½ x 0,2/ano x 1 ano = 0,1Isto proporciona uma disponibilidade

de 0,9, que ainda não atende aos requisitos de segurança. Entretanto, a disponibilidade pode ser aumentada com uma frequência maior de testes. Com testes mensais temos,

FDT = ½ x 0,2/ano x (1/12) ano = 0,0083Atingindo uma disponibilidade > 0,99.

A frequência de teste do projeto deve ser especificada como parte da documentação de projeto.

Falhas / ano

Chave de pressão 0,2

Válvula solenoide 0,2Válvula de bloqueio rápido 0,2

Total 0,6

Falhas/ano

Transmissor de pressão 0,6

Controlador 0,3

I/P 0,5

Válvula de controle 0,2

Total 1,6

T3. Arquitetura de acordo com nível SIL – IEC 61508.

T4. Custos por Falsos Trips.

De acordo com a tabela 3, um sistema SIL 1 com testes frequentes deve prover uma disponibilidade de 0,99 atendendo a disponibilidade de 95% requerida.

Alguns detalhesExiste uma concepção errada muito

comum de que os produtos por si só, ou os componentes, são classificados como SIL. Produtos e componentes aplicáveis são em níveis SIL, mas eles não são SIL em separa-do. Níveis SIL são aplicados às funções de segurança SIFs. O equipamento ou sistema devem ser usados para servir o projeto de redução de risco. Um equipamento certi-ficado para uso em aplicações SIL 2 ou 3 não garante, necessariamente, que o sistema atenderá SIL 2 ou 3. Deve-se analisar todos os compontes da SIF.

Um importante parâmetro de desempe-nho calculado durante a verificação de SIL é o MTTFsp: Tempo médio entre falhas devido a perturbações ou falsos trips. Esta variável indica quantas vezes o SIS poderá sofrer um falso trip até ir à condição de

shutdown. A tabela 4 a seguir mostra a estimativa do custo por falsos trips em indústrias de diferentes processos:

ConclusãoEm termos práticos, o que se busca é

a redução de falhas e consequentemente a redução de paradas e riscos operacionais. Busca-se o aumento da disponibilidade operacional e também em termos de pro-cessos, a minimização da variabilidade com consequência direta no aumento da lucratividade.

T1. Taxa de falhas totais/ano.

T2. Exemplos de taxa de falhas totais/ano.

F5. Processo com malha básica de controle.

MA


instrumentação

Alexandre Capelli

Análise Espectral

saiba mais

Vamos explorar, neste artigo, como o analisador de espectro pode tornar-se uma importante ferramenta para a diagnose de problemas com EMI (Electromag-netic Interference) no ambiente industrial.

Entenda a importância desse instrumento na Automação Industrial - Alexandre Capelli Mecatrônica Atual 53

Espectro espalhado – Newton C. Braga Saber Eletrônica 400

Monitoramento de sinais em tempo real com o analisador de espectro - Newton C. Braga www.sabereletronica.com.br/secoes/leitura/568

Oscilador de espectro espalhado - Newton C. Braga www.sabereletronica.com.br/secoes/leitura/124

Estudo da EMI com o Analisador de Espectro

O processo de certificação de compa-tibilidade eletromagnética (EMC) exigido internacionalmente para os fabricantes de equipamentos eletroeletrônicos, nem sempre é fácil de ser obtido. Muitas vezes, tornam-se necessárias várias mudanças no projeto original da máquina (diminuição da frequência de PWM, blindagem de cabos, instalação de filtros, etc.).

O analisador de espectro é um instru-mento fundamental para a engenharia nessas horas. A figura 1 mostra como podemos visualizar em sua tela a amplitude das di-versas frequências harmônicas geradas por um equipamento e na figura 2 podemos ver dois exemplares desses instrumentos, sendo o de cima fabricado pela Rohde&Schwarz e o outro pela Agilent.

Visto que a EMI pode se propagar de duas formas (irradiada pelo ar, ou condu-zida pela rede elétrica), temos duas técnicas para o estudo de cada uma delas. A figura 3 ilustra como através de uma antena tipo dipolo, podemos captar a RF emitida por uma máquina.

Já a figura 4 indica como podemos estudar a EMI conduzida. Notem que ne-cessitamos de um dispositivo especial para isso, chamado LISN.

Técnicas de MediçãoA seguir, vamos apresentar algumas

técnicas que podem auxiliar o desenvolvedor a obter a melhor performance possível do instrumento nas medições em campo (chão de fábrica).

Medindo sinais de baixa amplitude

A capacidade do analisador para medir sinais de pequena amplitude é limitada pela geração interna de ruído do próprio instrumento. Isso significa que a sensibili-dade para “pequenos” sinais é influenciada pelo modo como regulamos o analisador. Precisamente, a entrada do atenuador e a largura de banda (RBW) são os fatores chaves que determinam o quão pequeno um sinal pode ser analisado.

A figura 5 fornece o exemplo de um sinal de 500 kHz de baixa amplitude,


instrumentação

F2. Dois exemplares de Analisadores de Espectro.F3. Captura da RF de uma máquina usando uma antena – dipolo.

F1. Amplitudes de diversas frequências har-mônicas na tela do Analisador de Espectro.

F4. Configuração dos instrumentos para estudo da EMI conduzida.

onde o atenuador, quando ativado, reduz o nível do sinal na entrada do misturador. Um amplificador localizado na saída do misturador, entretanto, reamplifica o sinal para que ele se mantenha com o mesmo nível da entrada.

Cabe esclarecer que o sinal é atenuado antes do misturador para evitar a distorção, e deve ser reamplificado após o mesmo, para que o sinal sob análise retorne à sua amplitude original. Quando o sinal é reamplificado, o ruído também o é. Esse fenômeno pode ser observado na tela do instrumento.

O filtro RBW afeta a capacidade de medir sinais pequenos e próximos em am-plitude, tendo em vista a presença de um outro bem maior. Aumentando a banda desse filtro, maior energia de ruído chega ao circuito detector.

Isso também pode ser facilmente vi-sualizado na tela. Para uma sensibilidade


instrumentação

máxima, ambos (atenuador e filtro RBW) devem ser regulados para o mínimo valor possível.

A figura 6 mostra o sinal da figura 5 após os controles do atenuador e filtro terem sido minimizados.

Caso haja muito ruído presente na tela, após o ajuste desses controles, o filtro de vídeo poderá ajudar.

A figura 7 apresenta o mesmo exemplo com o filtro de vídeo ativado.

Identificando as distorções internas

Enquanto os sinais de baixa amplitude podem ser de difícil visualização, os de alta amplitude podem causar distorção e,

F5. Sinal de 500kHz de baixa amplitude.

F7. O mesmo sinal da figura 6, porém com o filtro de vídeo ativado.

F6. O mesmo sinal da figura 5, mas com atenuador e filtro minimizados.

consequentemente, alterar a leitura real. Utilizando os recursos de traços duplos e o atenuador de RF, podemos determinar quais sinais, no caso de vários, são gerados devido à distorção do instrumento.

Para identificá-los, basta seguirmos os passos abaixo:

•Sintonize a segunda harmônica da entrada do sinal;

•Programe o atenuador de entrada para 0 dBm;

•Grave o lado da tela no traço B;•Selecione o traço A como a entrada

ativa, e ative a função “Marker D";•O analisador de espectro mostra

agora o dado gravado no traço B e a medida no traço A. Enquanto

a função Marker D estiver ativa, o resultado na tela será a diferença entre dois sinais (tanto na amplitude como na frequência);

•Finalmente, aumente a atenuação de RF para 10 dB e compare a resposta no traço A em relação ao traço B.

Caso as respostas sejam semelhantes à figura 8, então, o analisador está gerando uma distorção interna. Nessa situação, a atenuação é necessária. Caso o resultado assemelhe-se à figura 9, não há distorção interna.

Selecionando o melhor modo de detecção

Os analisadores de espectro modernos utilizam a tecnologia digital para a aquisição de dados.

Nesses analisadores, o sinal analógico sob análise é dividido em “bins” (amostras binárias), vide figura 10.

Esse tipo de arquitetura permite algumas facilidades interessantes, uma delas é o modo de detecção. Normalmente, os analisadores de espectro possuem dois ou três modos de detecção, sendo que a escolha de um deles poderá influenciar significativamente os resultados.

Quais são esses modos e qual deles é o melhor?

Basicamente, temos três modos principais: detecção por pico, detecção por amostragem e detecção por pico negativo. A escolha de um ou outro varia segundo a aplicação. Façamos uma breve análise de cada um:

•Detecção por pico: Nesse caso, o circuito detector mede o maior nível


instrumentação

MA

de cada “bin”. Esse modo é indicado para medidas senoidais, porém, apre-senta o inconveniente de “exagerar” o valor do ruído quando a senoide não está presente.

•Detecção por pico negativo: Ao contrário do primeiro modo, agora o analisador mostra o menor nível de cada “bin”. Essa é uma boa condição para medidas em AM e FM. Embora esse modo comprometa um pouco a sensibilidade do analisador de espec-tro, ele possui uma boa performance na separação em ruídos aleatórios e ruídos de pulso.

•Detecção por amostragem: A detec-ção por amostragem mede o último nível gravado após cada “bin”. Esse modo é indicado como um bom medidor de ruídos, principalmente aleatórios, porém, não é um bom modo para sinais periódicos (senoidais, por exemplo).

Para melhor compreensão desses três modos, veja a figura 11.

ConclusãoConforme vimos neste artigo, nem

sempre torna-se necessária a consulta ex-terna sobre a análise da compatibilidade eletromagnética para os fabricantes de equipamentos. Com as devidas ferramentas, e utilizando as técnicas corretas, a enge-nharia do próprio fabricante pode obter bons resultados. Claro que a relação custo/benefício do trabalho deve ser considerada antes do início do processo.

F9. Agora, não existe distorção ínterna do analisador.F8. Neste caso, o analisador de espectro gera a distorção do sinal.

F11. Três modos de detecção do Analisador de Espectro positiva, por amostragem e negativa.

F10. “Bins”, ou amostras binárias.


conectividade

ÉCésar Cassiolato

Sensor HallA tecnologia dos Posicionadores Inteligentes de última geração

saiba mais

Comentaremos, neste artigo, uma interessante aplicação da Física no desenvolvimento de Posicionadores Inteligentes de Válvulas, baseados no Sensor Hall que agregará vários recursos de per-formance e diagnósticos.

Sensor Hall diferencial Mecatrônica Atual 36

Melhore a performance dos posicionadores pneumáticos Mecatrônica Atual 32

Sensoriamento de nível de líquidos, usando sensores de efeito Hall Saber Eletrônica 458

Sensor Hall com detecção de sentido Saber Eletrônica 418

notável o avanço da Física e da eletrônica nos últimos anos. Sem dúvida, de todas as áreas técnicas, foram as mais marcantes em desenvolvimentos. Hoje, somos incapazes de viver sem as facilidades e benefícios que estas áreas nos proporcionam em nossas rotinas diárias. Nos processos e controles industriais não é diferente, somos testemunhas dos avanços tecnológicos com o advento dos microprocessadores, da tecnologia Fieldbus, o uso da Internet, etc.

Sensor HallO sensor Hall recebe este nome pois é

baseado no efeito Hall, descoberto em 1879 por Edwin Hall.

Este efeito é o resultado da força de Lorentz no movimento de elétrons sujeitos a um campo magnético.

Quando se tem um fluxo de corrente em um material que não está exposto a um campo magnético, as linhas equipotenciais que cruzam perpendicularmente este fluxo, são linhas retas.

A força de Lorentz no movimento de elétrons no material é dada por:

onde:q: carga do elétronB: campo magnético

O produto externo indica que a força tem uma direção mutuamente perpendicular ao fluxo de corrente e ao campo magnético.

Quando se tem um fluxo de corrente em um material sujeito a um campo magnético perpendicular, o ângulo através do qual o fluxo de corrente é mudado pelo campo magnético é conhecido como ângulo Hall e é um parâmetro dependente do material, sendo determinado pela mobilidade de elétron m que também determina o coeficiente de Hall RH. Neste caso, as linhas equipoten-ciais ao longo do comprimento do material são inclinadas, e isso nos leva à tensão de Hall medida ao longo do material. Ou seja, tem-se uma tensão proporcional ao campo magnético aplicado.

O efeito Hall está presente em todos os materiais, mas sua aplicação é eficaz somente onde a mobilidade do elétron é relativamente alta, como por exemplo no arseneto de gálio (GaAs).

Em termos construtivos, resumidamente, considere um determinado material com espessura d, conduzindo uma corrente i ao longo de seu comprimento e sujeito a


conectividade

F1. Princípio de construção e funcionamen-to do sensor Hall.

F2. Exemplares de Posicionador Inteligente com tecnologia de sensor Hall, sem contato mecânico.

um campo magnético B aplicado perpen-dicularmente à direção de sua espessura. O resultado destas condições é a geração de tensão conhecida como tensão de Hall, VHALL, cuja magnitude é dada por:

onde: RH é a constante Hall do material (figura 1).

Atualmente, existem inúmeras aplica-ções destes sensores, desde a aplicação em servomotores em videocassetes, sensores de catracas para controle de acesso, sensores de velocidade, sistema de injeção em motores automotivos, medição de corrente, potência e campo magnético, controle de motores DC sem escova, sensores de proximidade, controle de rotação, controle de posição, etc. Iremos descrever esta última aplicação no desenvolvimento de Posicionadores Inteligen-tes de Válvulas/Atuadores. É a inteligência da eletrônica e software combinada com o estado da arte em desenvolvimento mecânico.

O Posicionador InteligenteEste tipo de equipamento é de extrema

importância em qualquer área industrial, trabalhando como elemento final de controle acoplado a atuadores e válvulas. Deve atender uma série de requisitos operacionais e que com a utilização da tecnologia do sensor Hall pode-se conseguir facilmente:

•Alta sensibilidade;•Suportar altas temperaturas;•Erros desprezíveis de linearidade;•Erros desprezíveis com vibração;•Repetibilidade e estabilidade, mi-

nimizando consumos e reduzindo a variabilidade dos processos;

•Alta confiabilidade, garantindo con-tinuidade e segurança operacional;

•Versatilidade, flexibilidade de uso independente do fabricante e tipo de

válvula/atuador, assim como o curso de movimento, facilitando adequação a novas demandas;

•Fácil operação, com mínimos ajustes, simplificando instalação, operação e manutenção, reduzindo o downtime de operação;

•Prover funções avançadas de diag-nose, proporcionando redução de custos operacionais e de manutenção, economia de tempo e melhorando a

condição do processo, garantindo a otimização e melhoria continua dos processos.

A tecnologia convencional de equipamen-tos de atuação é baseada em acoplamentos mecânicos, com montagens e ajustes com-plicados, de baixa sensibilidade e precisão, sendo muitas vezes responsáveis por toda variabilidade do processo, refletindo na estabilidade dos controles, na estabilidade de qualidade, etc.


conectividade

O posicionador inteligente de última geração para válvulas de controle linear ação simples (retorno por mola), ou ação dupla como por exemplo: globo, gaveta, diafrag-ma, etc. válvulas de controle rotativa como: esfera, borboleta ou plugado com atuadores pneumáticos como: diafragma, pistão, etc. é baseado no bico-palheta, consagrado pelo uso no campo e no sensor de posição por efeito Hall, sem contato físico, que fornece alto desempenho e operação segura.

A tecnologia digital usada permite a escolha de vários tipos de curva de caracteri-zação, uma interface simples entre o campo e a sala de controle e muitas características interessantes que consideravelmente reduzem o custo de instalação, operação e manutenção:

•Projeto compacto e modular;•Baixo consumo de ar;•Fácil instalação;•Sensor de Posição sem contato me-

cânico;•Opera com atuadores lineares e

rotativos de simples ou dupla ação;•Fácil ajuste e parametrização remota

através de comunicação HART, Foundation Fieldbus ou Profibus PA ou através de ajuste local com display;

•Característica de vazão via software;•Autodiagnose.Veja alguns exemplares de Posicionadores

Inteligentes na figura 2.As partes principais do módulo de saída

são: piloto, servo, sensor de efeito Hall e circuito de controle de saída.

O circuito de controle recebe um sinal de setpoint digital da CPU e um sinal de realimentação proveniente do sensor de efeito HALL. Note que este sinal é a posição real da válvula. A parte pneumática é baseada numa tecnologia muito difundida e largamente usada, que é o bico-palheta e válvula carretel.

Um disco piezoelétrico é usado como palheta no estágio piloto. A palheta é defle-tida quando nela é aplicada uma tensão pelo circuito de controle. O pequeno fluxo de ar que circula pelo bico é obstruído, causando uma alteração na pressão da câmara piloto, que é chamada pressão piloto.

A pressão piloto é muito baixa e não tem capacidade de vazão, e por isso deve ser amplificada na seção servo. A seção servo tem um diafragma na câmara piloto, e outro diafragma menor na câmara do carretel. A pressão piloto aplica uma força no diafragma da câmara piloto, que no estado de equilíbrio

F3. Esquema do Transdutor Pneumático.

F4. Esquema de funcionamento do Sensor Hall no Posicionador de Válvulas.


conectividade

será igual à força que a válvula carretel aplica no diafragma menor na câmara do carretel.

Assim sendo quando têm-se uma alteração de posição via posicionador, a pressão do piloto aumenta ou diminui como explicado no estágio do piloto, e esta mudança na pressão do piloto força a válvula para cima ou para baixo alterando a pressão da saída 1 e da saída 2 até um novo equilíbrio ser alcançado, o que resulta numa nova posição da válvula. Veja a figura 3.

O sensor Hall fica alojado e protegido internamente ao módulo transdutor. O ímã fica preso ao eixo da válvula ou atuador, como mostra a figura 4 (representação didática de funcionamento), onde podemos ver que teremos a aplicação de fluxo magnético ao sensor Hall e que teremos a caracterização de posição, levando-se em conta o centro dos ímãs, onde se tem campo nulo.

O único detalhe da montagem mecânica é a verificação de que a seta gravada no ímã esteja coincidindo com a seta gravada no posicionador quando a válvula estiver na metade do seu curso. Sendo assim, quando a válvula estiver na metade do seu curso, o sensor Hall estará recebendo campo nulo e

internamente a CPU saberá que corresponde a 50% do curso. Num extremo do curso terá sinal de tensão máximo caracterizando, por exemplo 100% e no outro extremo, terá sinal mínimo, caracterizando o 0%. As tensões de extremos são colhidas durante o processo de autocalibração, onde sem a intervenção do usuário o posicionador determina as tensões de Hall correspondente aos limites físicos do curso, de forma precisa e segura.

A figura 5 nos mostra o diagrama fun-cional deste posicionador para o protocolo Profibus PA.

Analisando este diagrama, pode-se ver que via CLP (mestre classe 1), o posicionador recebe um valor de setpoint, de acordo com a estratégia de controle. Dependendo do modo de operação, automático ou cascata, este setpoint será escrito via serviços cíclicos no parâmetro SetPoint ou RcasIn do bloco AO, respectivamente. Este valor passará pelo algoritmo do bloco que analisará condições de alarmes e condições de falha segura, dis-ponibilizando um valor de saída que chegará até o bloco transdutor. O usuário poderá, então, caracterizar este valor de acordo com a curva da válvula ou atuador, escolhendo

Linear, Tabela de 21 pontos, EQ25, EQ33, EQ50, EP25, EP33 e EP50. Estas curvas permitem que pequenas variações no setpoint façam com que a posição no elemento final seja próximo do 100%(EQ), ou que somente grandes variações no setpoint façam com que a posição no elemento final seja próximo do 100%(EP).

Uma vez definida a curva de transferência, pode-se definir taxas de variação %/s com este setpoint agirá no elemento final. São os chamados “Rates”. Então, o servo PID recebe este sinal e mais a posição real, via sinal do sensor Hall que é caracterizado durante o processo de autocalibração ou mesmo durante uma calibração de usuário (muito usada em aplicações split-range) e calcula o sinal de MV% que gerará o valor do conversor D/A que atuará em um sensor Piezo, gerando a pressão nas câmeras do posicionador, encontrando a posição de equilíbrio conforme o setpoint vindo do mestre.A posição real retornará ao bloco AO e via parâmetro ReadBack fechará o loop com o mestre.

Funções de diagnose podem ser moni-toradas via sinal do sensor Hall via mestre classe 2, tais como:

F5. Diagrama funcional do Posicionador FY303.


conectividade

•Odômetro, através do qual pode-se estatisticamente prever com o curso da válvula o momento de se dar manutenção;

•Strokes(batidas), onde se pode acom-panhar os desgastes dos batentes da válvula nas condições extremas dos limites físicos de seu curso;

•Reversals, onde se pode acompanhar quantas vezes houve inversão de set-pointe analisando a sintonia da malha.

•Um número alto de reversals significa que a sintonia não está boa e que o processo pode estar comprometido em sua variabilidade.

•Velocidade média e instantânea do deslocamento, assim como tempos de abertura e fechamento, podendo diagnosticar emperramento e stress mecânico, ou problemas de vazão de ar.

•A maior e menor temperatura que foi submetido o posicionador.

Veja um exemplo de aplicação dos po-sicionadores em PROFIBUS na figura 6.

Teste de Curso Parcial ou PST – Partial Stroke Test

Dá pra imaginar os custos que envolvem testes ou manobras, não só com respeito a parada da planta, mas também dos equi-pamentos adicionais necessários para a execução de testes em válvulas, atuadores e posicionadores.

Usualmente, os equipamentos adicionais são válvulas de bloqueio de atuação manual, tubulações de desvios, válvulas do tipo solenoides, dispositivos mecânicos de fim de curso, sem esquecermos da logística e do número de profissionais que se precisaria envolver na atividade, além dos possíveis lucros cessantes da empresa.

Bom seria se pudéssemos fazer tais testes com maior frequência e pré-programados. Bom seria se pudéssemos ter parâmetros que nos indicassem o nível de degradação da válvula e nos permitissem fazer uma manutenção preventiva, antes que o evento emergencial acontecesse. Bom seria se os custos envolvidos fossem bem menores.

Uma solução simples, mais barata e mais confiável é a adoção do Teste de Curso Parcial ou PST - PartialStrokeTest. O PST nada mais é do que movimentar a haste da válvula parcialmente e medir os esforços necessários a essa movimentação. E mais: pode-se medir a velocidade de resposta da válvula. Ou mesmo

para determinação do Nível de Integridade Segura – SIL, SafetyIntegrityLevel.

Configuração e Parametrização do Posicionador Inteligente FY303 - Profibus-PA

Configurando aciclicamente o FY303Estes instrumentos podem ser configura-

dos localmente com a ferramenta magnética, sem necessidade de abrir sua tampa, ou remotamente através do ProfibusView da Smar ou Simatic PDM da Siemens.

O FY303 foi projetado para utilizar o pro-tocolo PROFIBUS PA e pode ser configurado usando qualquer ferramenta que trabalha com DD/EDDL e também com o conceito de ferramenta FDT (FieldDeviceTool) e DTM (DeviceTypeManager), tais como AssetView da Smar, FieldCareTM e PACTwareTM. Pode também ser configurado ciclicamente por qualquer sistema PROFIBUS usando o arquivo GSD (GenericStationDescription).

O PROFIBUS PA apresenta ainda infor-mação de qualidade e diagnóstico, melhorando o gerenciamento e manutenção da planta.

Os arquivos EDDL (ElectronicDeviceDescriptionLanguage) e DTM estão dispo-níveis na página da Smar na Internet: www.smar.com.br.

Configurando Ciclicamente o FY303Através do arquivo GSD o mestre exe-

cuta todo processo de inicialização com o equipamento e este arquivo traz detalhes de revisão de hardware e software, bus timing do equipamento e informações sobre a troca de dados cíclicos. O FY303 possui 1 bloco funcional AO. É com estes blocos que o mestre classe 1 executará os serviços cíclicos e o usuário deverá escolher qual a configuração, conforme sua aplicação. Se o bloco AO estiver em AUTO, então o equipamento receberá o valor e status do setpoint do master classe 1 e ainda o usuário poderá escrever neste valor via master classe 2. Neste caso, o status do setpoint deve ser sempre igual a 0x80 (“good”) e pode-se escolher as seguintes configurações:

•SP;•SP/CKECKBACK;•SP/READBACK/POSD;•SP/READBACK/POSD/CKECK-

BACK.Se o bloco AO estiver em RCAS, o equi-

pamento receberá o valor e status do setpoint

verificar se a válvula não está emperrada ou se o atuador pneumático está sendo adequa-damente pressurizado, sem necessidade de ir até o local aonde está instalada.

Mas o PST automático, e a custos aceitá-veis, só foi possível com o desenvolvimento do Posicionador Inteligente para Válvulas e o vasto elenco de parâmetros disponíveis que, quando monitorados e configurados, geram uma excelente gama de “eventos diagnósticos”.

Os chamados DTMs (Device TypeManager), drivers para configuração e vi-sualização em estações computadorizadas com o aplicativo FDT, estão disponíveis na no site Smar para serem baixados também sem custo para o usuário.

Pelas telas do DTM é possível confi-gurar não só o valor do curso parcial, mas também a periodicidade em que o PST é executado automaticamente, ou seja, sem interferência do operador ou profissional de instrumentação.

Um dos métodos utilizados por Posicio-nadores Inteligentes para fazer o PST é co-nhecido como método de Rampa Dinâmica. O posicionador gera automaticamente uma variação em rampa do sinal de Set Point na faixa determinada pelo usuário (OffSet). A válvula se movimenta em resposta à varia-ção do Set Point, enquanto o posicionador mede a posição da válvula através do sensor de posição sem contato mecânico, baseado no sensor de Efeito Hall.

Ao mesmo tempo, o posicionador mede pressão aplicada necessária para movimentar a haste da válvula. Após chegar no ponto máximo do Off Set, o posicionador reverte a rampa para que a válvula retorne à sua posição original. Da mesma forma, durante a reversão, o posicionador mede a posição da válvula e sua respectiva pressão de acionamento.

Ao fim do teste, Posicionador calcula e disponibiliza o “fator de carga” (loadfactor) da válvula, ou seja, que valor de pressão é necessário para movimentar a haste. E também o gráfico resultante do teste.

A figura 7 exemplifica o resultado do PST no FY303 e no FY400, segundo o protocolo FDT/DTM. Telas similares estão disponíveis também no AssetView da SMAR.

Ao considerarmos o crescente interesse em Sistemas Instrumentados de Segurança – SIS, o PST já é reconhecido e influencia os cálculos referentes ao índice de Proba-bilidade de Falha Sob Demanda – PFD, ProbabilityofFailureonDemand, que é usado


conectividade

MA

somente via master classe 1, sendo o status sempre igual a 0xc4 (“IA”). Pode-se escolher as mesmas configurações e mais:

•RCASIN/RCASOUT;•RCASIN/RCASOUT/ CKECK-

BACK;•SP/READBACK/RCASIN/RCA-

SOUT/POSD/CHECKBACK.Veja a seguir um exemplo típico onde

se tem os passos necessários à integração de um equipamento FY303 em um sistema PA:

•Copiar o arquivo gsd do FY303 para o diretório de pesquisa do configurador PROFIBUS, normalmente chamado de GSD;

•Copiar o arquivo bitmap do FY303 para o diretório de pesquisa do con-figurador PROFIBUS, normalmente chamado de BMP;

•Uma vez escolhido o mestre, deve--se escolher a taxa de comunicação, lembrando-se que quando se tem os

F6. Exemplo de aplicação em Profibus.

F7. Telas de Resultados do PST.

couplers, podemos ter as seguintes taxas: 45.45 kbits/s (Siemens), 93.75 kbits/s(P+F) e 12Mbits/s (P+F, SK3).Quando se tem o link device, pode-se ter até 12Mbits/s;

•Acrescentar o FY303, especificando seu endereço no barramento;

•Escolher a configuração cíclica via parametrização com o arquivo GSD, onde é dependente da aplicação. Lembre-se que esta escolha deve estar de acordo com o modo de operação do bloco AO. Nestas condições atentar para o valor do status do valor de setpoint que deve ser 0x80(Good), quando o modo for Auto e 0xc4 (IA) quando for Rcas;

•Pode-se ainda ativar a condição de watchdog, onde após a detecção de uma perda de comunicação pelo equipamento escravo com o mestre, o equipamento poderá ir para uma

condição de falha segura. Como o FY303 estará em um elemento final é recomendável a configuração de um valor de falha segura.

Para mais detalhes, consulte o manual do FY303: www.smar.com/PDFs/Manuals/FY303MP.PDF.

ConclusãoPudemos ver através deste artigo o

ganho em tecnologia e benefícios que um posicionador baseado em tecnologia digital com sensor Hall pode proporcionar, prin-cipalmente pela facilidade de montagem e operação.Lembrando sempre que estes equipamentos sempre estarão juntos a ele-mentos finais, pontos críticos do controle, onde a operação precisa e segura se faz necessária. A flexibilidade, recursividade e geração de diagnósticos avançados facilitam as condições de manutenção preventiva, preditiva e proativa.


conectividade

VCésar Cassiolato

Diretor de Marketing, Qualidade e Engenharia de Projetos e Seviços -

Smar Equipamentos [email protected]

Uso de entradas e saídas remotas em Profibus-PA,facilitando a automação de processos em sistemas de controle

saiba mais

A integração de sinais de I/O com as tecnologias fieldbuses estão cada vez mais frequentes. Este artigo nos mostrará a integração entre estes dois mundos da automação, usando o FRI303 em Profibus-PA.

Entendendo as Reflexões em Sinais Profibus Mecatrônica Atual 50

Minimizando Ruídos em Instalações PROFIBUS Mecatrônica Atual 46

Rede Profibus PA Mecatrônica Atual 18

eremos neste artigo a aplicação do FRI303, um equipamento Profibus-PA, que foi desen-volvido para uso em sistemas híbridos com a possibilidade de tratamento de entradas e saídas discretas.

Mostraremos alguns detalhes do que há de mais novo em termos de desenvolvimento da tecnologia Profibus-PA para acionamento discreto em pequenas e médias aplicações com equipamentos de campos conectados diretamente ao barramento.

O artigo detalha o FRI303, Entradas e Saídas Remotas, um equipamento de campo Profibus-PA.

Esta facilidade de desenvolvimento se deve em sua grande maioria às inovações tecnológicas dos microprocessadores e microcontroladores.

Os avanços tecnológicos na área de microprocessadores e microcontroladores e o atual cenário das tecnologias de automação

Nos últimos anos temos acompanhado que os mercados de instrumentação e auto-mação vêm demandando equipamentos de campo (transmissores de pressão e tempera-tura, conversores, posicionadores, atuadores,


conectividade

F2. Aplicação genérica com entrada e saída discretas.

F3. Diagrama funcional do FRI303.

F1. FRI303 – SMAR.

controladores, etc.) com alta performance, confiabilidade, disponibilidade, recursivi-dade, etc., com a intenção de minimizar consumos, reduzir a variabilidade dos processos, proporcionar a redução de custos operacionais e de manutenção, assim como garantir a otimização e melhoria contínua dos processos.

Por outro lado, os microprocessadores/microcontroladores estão se tornando mais poderosos e mais baratos e, os fornecedores na instrumentação vem respondendo às demandas dos usuários por mais e melhores informações em seus processos. Quanto mais informação, melhor uma planta pode ser operada e sendo assim, mais produtos pode gerar e mais lucrativa pode ser. A in-formação digital permite que uma sistema colete informações dos mais diversos tipos e finalidades de uma planta, como ninguém jamais imaginou e neste sentido, com o advento da tecnologia Filedbus (HART, Profibus, Foundation Fieldbus), pode-se transformar preciosos bits e bytes em um relacionamento lucrativo e obter também um ganho qualitativo do sistema como um todo.

A tecnologia Fieldbus é rica no for-necimento de informação, não somente pertinente ao processo, mas em especial dos equipamentos de campo. Desta forma, condições de autodiagnoses podem poupar custos operacionais e de manutenção, prin-cipalmente em áreas classificadas (perigosas) ou mesmo em áreas de difícil acesso. Da própria sala de controle pode-se ter uma visão geral do sistema e ainda com ferra-mentas baseadas em Internet, a qualquer hora e de qualquer lugar. Através de um gerenciamento destas informações vindas do campo, pode-se selecionar conveniente-mente os dados para se atingir os objetivos

de produção, direcionando as informações às pessoas e/ou departamentos corretos e agindo de maneira a melhorar os processos.

Percebe-se aqui que todas estas evoluções tecnológicas fazem com que equipamentos de campo, controladores, etc., possam as-sumir funções antes inimagináveis, como o controle de contínuo e discretas, tempos de varreduras menores, arquiteturas redundan-tes, gerenciamento e tráfego de informação, disponibilidade de informações para IHMs, Internet, geração de relatórios, gerenciamento de ativos, altos níveis de segurança, etc. Tudo isso, aliado à confiabilidade industrial tanto de hardware quanto de software.

Veremos a seguir, alguns detalhes do FRI303, um equipamento de campo micro- F4. Conexão Física das Saídas.


conectividade

MA

F5. Conexão Física com DOs.

F6. Aplicação do FRI303 em controle de nível.

processado, com blocos de entrada e saídas discretas e que exemplifica os avanços na automação com a utilização de micropro-cessadores (figura 1).

FRI303, entradas discretas e acionamento discreto no campo via barramento

O FRI303 permite uma fácil integração entre o Profibus-PA com entradas e saídas discretas convencionais. Dispositivos discretos como por exemplo, sensores on/off, válvu-las “on/off”, bombas, esteiras e atuadores elétricos, variadores de velocidade, etc., podem ser integrados ao sistema Profibus via barramento PA, usando o FRI303. Ele pode estar distribuído ao campo onde se tem

os dispositivos discretos convencionais, sem a necessidade de cabeamento entre estes e a sala de controle.

O FRI303 permite que entradas e saídas discretas e analógicas convencionais possam estar disponíveis à fácil configuração de estratégias de controle, usando o conceito de Blocos Funcionais e tornando o sistema homogêneo de tal forma a fazer com que estes dispositivos possam parecer como simples diapositivos em um barramento fieldbus. Possui os seguintes blocos funcionais DI e DO, sendo dois de cada tipo.

As malhas de controle são implementa-das independentes, caso sejam dispositivos de E/S convencionais ou Profibus. Veja a figura 2.

Diagrama Funcional do FRI303

A figura 3 mostra o diagrama funcional do FRI303 e a figura 4 mostra a conexão física das saídas.

Características•3 opções de saídas:a) 2 Contatos em relés de estado sólido

Normalmente Fechados(NF);b) 2 Contatos em relés de estado sólido

Normalmente Abertos(NA);c) 1 NF e 1 NO Entradas (2 contatos

secos).•Blocos Funcionais DIs e Dos;•Fácil atualização de firmware;•Salvamento de dados durante shut-

-down;•Alimentação via Profibus-PA (9-32

Vdc, consumo de corrente quiescente de 17 mA).

Conexão Física com o Bloco Funcional DI e DO

Através de dois blocos funcionais Digital Output (DO) e dois Digital Input (DI), pode-se comandar duas cargas DCs ou ACs e ler duas entradas digitais. O Bloco DI utiliza um dado discreto de entrada, selecionado via canal e o deixa disponível para outro bloco funcional através de sua saída. O bloco funcional DO converte o valor de SP_D para um valor útil ao hardware, através do canal selecionado. Observe a figura 5.

Exemplo de Aplicação: Controle de Nível

Suponha a situação, onde em uma rede Profibus, o sinal discreto de alarme de nível é disponibilizado via entradas discretas ao FRI303 nos blocos DIs. Ao se atingir um valor determinado de nível através de um bloco de saída discreta (DO), pode-se desligar a bomba que alimenta o tanque e também ligá-la assim que o nível seja inferior ao limite configurado. Veja a figura 6.

ConclusãoVimos através deste artigo a importância

dos avanços tecnológicos dos microprocessa-dores na automação e controle de processos, assim como detalhes de um equipamento microprocessado para acionamento e leitura de valores discretos.

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conectividade

UCésar Cassiolato

[email protected]

ProfibusTempo de Barramento

saiba mais

Conheça um pouco mais sobre o tempo de barra-mento no Protocolo de comunicação Profibus, muito utilizado em redes indutriais

Profibus Mecatrônica Atual 44

A Rede Profibus DP Mecatrônica Atual 17

Redes da Organização Profibus Mecatrônica Atual 16

ma tendência dos sistemas distribuídos de controle de processos é a interconexão entre seus elementos de rede via rede multipontos (broadcast) ao invés do tradicional ponto a ponto, onde o critério dos tempos envolvidos é fundamental.

A grande maioria das pessoas envolvidas com automação sempre quer saber o quão rápido é um protocolo. Assim como em outros fieldbuses, as ferramentas de configuração do PROFIBUS permitem que o usuário tenha acesso aos tempos envolvidos, tais como, tempo de ciclo (Bus Scan Cycle Time), tempo de rotação de token (Token Rotation Time), etc, e também permitem algumas vezes que se configure manualmente os tempos de acordo com o usuário, embora estas ferra-mentas, em sua grande maioria, calculem automaticamente os tempos envolvidos de acordo com os elementos da rede PROFIBUS.

O PROFIBUS é um protocolo baseado na passagem de token e garante transmissões em tempo real rápidas, onde seu princípio de funcionamento garante sempre um tempo mínimo de token em cada estação.

As redes industriais de comunicação fieldbus são especialmente projetadas para interconexões entre os controladores, sensores e atuadores, localizados nas camadas de mais

baixo nível (chão de fábrica). Quanto maior o nível em termos de fluxo de mensagens, maior é o tempo de resposta exigido, maior é a quantidade de informação a ser trans-ferida, maior deve ser a confiabilidade e as taxas de transferência (baud rates). Entenda como tempos exigidos, o tempo necessário entre uma requisição de informação e sua transmissão no barramento.

Na verdade, muitos fatores estão envolvi-dos e devem ser considerados nos tempos de mensagens, tais como, o acesso e tempos de filas (mecanismo de MAC – Medium Access Control), tempo de transmissão e o tempo de processamento do protocolo.

Entendendo o mecanismo MACO mecanismo de MAC no PROFIBUS

é baseado no procedimento de passagem de token usado pelas estações mestres para garantir o acesso de cada estação ao barramento e também no procedimento mestre-escravo (figura 1).

Os mecanismos de MAC (Controle de acesso do barramento) são implementados na camada 2 do modelo OSI e que no PROFIBUS é chamado de Fieldbus Data Link (FDL). O FDL além de ser responsável pelo controle de acesso ao barramento e


conectividade

F1. Comunicação Multimestre, passagem do Token.

pelo tempo de ciclo do token, é responsável também pelos serviços de transmissões de dados à camada de aplicação.

O PROFIBUS utiliza diferentes subcon-juntos dos serviços do nível 2 em cada um de seus perfis (DP, FMS, PA). Veja a tabela 1.

Todas as relações de comunicação são baseadas entre a estação que detém o token e a estação escrava. Uma importante carac-terística destes serviços é que sempre a um pedido, existe uma reposta imediata ou um reconhecimento (acknowledgement). Em sistemas real-time esta característica é fundamental.

Além destes serviços, aplicações indus-triais sempre requerem serviços cíclicos, onde um procedimento central de polling é utilizado para fazer o scan dos equipamentos de campo. No PROFIBUS, existe uma lista de polling na camada FDL baseada em serviços do tipo SRD e CSRD.

Um conceito importante no PROFIBUS é o ciclo de mensagem, que corresponde ao tempo de frame de pedido ou envio de pedido pelo mestre e a resposta ou reconhe-cimento pelo escravo, e também o número de retries(antes de um report de erro de comunicação). Os dados de usuário podem ser transmitidos no frame de pedido ou de resposta. Todas as estações, com exceção da que detém o token, deverão monitorar todos os pedidos e o reconhecimento ou a resposta deverá chegar com um tempo pré-definido, o chamado slot time, caso contrário, a estação que requisitou o pedido deverá repeti-lo. Note que durante o set up da rede, o número máximo de retries deverá ser definido em todas as estações mestres.

Como vimos, uma das principais funções do MAC é o controle do tempo de ciclo do token, TTR. Após receber o token, a medição do tempo de rotação do token começa e só vai terminar assim que um novo token chegar, resultando no chamado tempo de rotação de token real (TRR). Um tempo comum de TRR deve ser definido na rede PROFIBUS para todos os mestres. Quando uma estação recebe o token, é analisado se o tempo de manutenção do token (TTH), que é dado pela diferença ente o TTR e TRR, é positivo. Se o TRR for maior que TTR, a diferença será negativa e o mestre deverá executar um ciclo de alta prioridade. Se a diferença for positiva, então o mestre poderá executar a função de alta prioridade durante o tempo em que TTH > 0. Tarefas de baixas prioridades

são executadas se não houver tarefas de alta prioridade pendentes. As seguintes tarefas são consideradas de baixa prioridade: lista de polling, serviços de aplicação, serviços de gerenciamento remotos e ciclos de mensagens que suportam mudanças dinâmicas no anel lógico (de passagem de token) quando se tem dois mestres com endereços consecutivos.

Existirão sempre duas filas de men-sagens, uma de alta prioridade e outra de baixa prioridade.

Algumas dicas de configuração dos tempos envolvidos no PROFIBUS

Os parâmetros de barramento do PRO-FIBUS são comumente dados em “bit times (TBIT )”. Esta é a unidade que é mostrada tipicamente nos arquivos GSD e nas fer-ramentas de configuração, etc (figura 2).

O Target Token Rotation Time (TTR) é dado em bit times e normalmente é calcu-lado pelas ferramentas de configuração. É o tempo para se passar o token por toda a rede e retorna ao seu mestre inicial. Quando se tem múltiplos mestres, isto inclui o tempo total para cada mestre completar seu ciclo de I/O, passar o token ao próximo mestre e o token retornar ao mestre inicial. Alguns fatores influenciam diretamente o TTR: o baud rate, o número de escravos com troca de dados cíclicos, o número total de I/Os durante a troca de dados, o número de mestres.

Um parâmetro diretamente influenciado pelo TTR é o watchdog time. Este é o tem-po descarregado na configuração de cada escravo e que será usado pelo escravo para detectar falhas de comunicação. A cada falha detectada com a expiração do time, o escravo vai ao estado de reset e com isto nenhuma troca de dados cíclica é permitida e deverá ser inicializado pelo mestre. Este procedimento levará pelo menos 4 ciclos de barramento. É comum, porém não recomendado, se ver na prática usuários reduzindo o tempo de TTR e com isto se tem watchdog time muito pequeno, o que faz com que no final do tempo de barramento sempre se tem a expiração do time do escravo e sempre o escravo levará 4 ciclos para trocar dados novamente e a performance da rede fica comprometida.

Se um escravo detecta um erro de trans-missão ao receber um pedido do mestre, ele simplesmente não responde e depois de esperar um slot time, o mestre enviará novamente o pedido (retry). Da mesma forma se o mestre detectar uma falha na resposta do escravo, também enviará novamente o pedido. O número de vezes que o mestre tentará sucesso na comunicação com o escravo dependerá da taxa de comunicação, sendo:

•9.6 kbits/s a 1.5 Mbits/s à 1•3.0 Mbits/s à 2•6.0 Mbits/s à 3•12.0 Mbits/s à 4


conectividade

MA

Após esgotar todos os retries, o mestre marca o escravo, indicando um problema e faz o log out com dele. Nos ciclos subsequentes, se o mestre consegue sucesso, ele realiza a sequência do startup novamente (4 ciclos para trocar dados novamente).

É comum, por exemplo, em redes onde não se tem uma comunicação íntegra devi-do ao nível de ruído ou devido a uma má condição de shield e de aterramento que se aumente o número de retries até que se corrija o problema. Outra situação em que se procura aumentar este número é quando se tem mais de 9 repetidores. A utilização de repetidores provoca congestionamento de tráfego (atrasos crescentes nas filas) e com o objetivo de resolver esse problema, é proposto um mecanismo inovador de inserção de tempos mortos (idle time) entre transações, recorrendo para o efeito à utilização dos dois temporizadores Idle Time do PROFIBUS (explicados a seguir).

Existem situações onde se têm múltiplos mestres de um mesmo fabricante e ainda uti-lizando ferramentas deste mesmo fabricante.Neste caso, na maioria das vezes o tempo de rotação do token (TTR) é otimizado pela própria ferramenta, de tal forma a garantir o perfeito funcionamento da rede.Existe outra situação onde os mestres são de diferentes fabricantes e a ferramenta não calcula au-tomaticamente o TTR e, neste caso o que se deve fazer é para cada mestre levantar o perfeito TTR isoladamente e, depois, se somar os tempos determinados para se ter o TTR ambos os mestres ao mesmo tempo.

Na figura 2, ainda temos os seguintes parâmetros importantes:

•Tid1: quanto em tempo(µs) que o mestre espera se receber uma resposta, ou um reconhecimento;

•Tid2: quanto em tempo(µs) que o mes-tre espera após enviar uma mensagem e antes de enviar a próxima mensagem.

•Quiet time: é o número de bit time que o mestre espera em cada transmissão, antes de começar a enviar dados.

•Gap Actualization Factor: é o número de rotações do token entre solicitações para um novo mestre.

Tempo de resposta no PROFIBUS DP

O tempo de reposta em um sistema PROFIBUS DP depende essencialmente dos seguintes fatores:

•MaxTSDR (tempo de resposta após o qual uma estação pode responder);

•A taxa de comunicação selecionada;•Min_Slave_Intervall (tempo entre 2

ciclos de polling no qual um escravo pode trocar dados com outro escravo.Depende do ASIC utilizado, porém no mercado encontramos tempos de 100 µs).

Para efeitos práticos, a 12Mbits/s podemos assumir que o tempo de ciclo de mensagem (Tmc), que envolve o prompting telegram +TSDR + a resposta do escravo, onde N é o número de entradas e saídas do escravo, é:

Por exemplo, um mestre com 5 escravos e cada escravo com 10 bytes de entrada e 20 de saída, a 12Mbits/s teria um Tmc aproximado de 72 µs/slave. O tempo de ciclo de barramento é obtido somando-se todos os ciclos de mensagem:

Uma explicação mais detalhada sobre tempos do sistema podem ser consultadas no padrão IEC 61158.

Tempo de resposta no PROFIBUS PA

A utilização do PROFIBUS em dispo-sitivos típicos e as aplicações em controle de processos estão definidas segundo o perfil PROFIBUS-PA. Este perfil define os parâmetros dos equipamentos de campo e seu comportamento típico independente do fabricante e se aplica a transmissores de pressão, temperatura, posicionadores, etc. É baseado no conceito de blocos funcionais que são padronizados de tal forma a garantir a interoperabilidade entre os equipamentos de campo.

Os valores e status da medição, assim como os valores de setpoint recebido pelos equipamentos de campo no PROFIBUS-PA são transmitidos ciclicamente com mais alta prioridade via mestre classe 1 (DPM1). Já os parâmetros para visualização, operação, manutenção e diagnose são transmitidos por ferramentas de engenharia (mestre classe 2, DPM2) com baixa prioridade através dos serviços acíclicos pelo DP via conexão C2. Ciclicamente também se transmite uma se-quência de bytes de diagnósticos. A descrição dos bits destes bytes estão no arquivo GSD do equipamento e depende do fabricante.

O tempo de ciclo(Tc) aproximado pode ser calculado como:

Tc ≥ 10 ms x número de equipamentos + 10 ms(serviços acíclicos mestre classe 2) + 1,3 ms(para cada conjunto de 5 bytes de valores cíclicos).

Imagine a situação onde se tem 5 malhas de controle com 5 transmissores de pressão e 5 posicionadores de válvula. Teríamos um tempo de ciclo de aproximadamente 110 ms.

ConclusãoVimos através deste artigo a importância

dos tempos envolvidos na tecnologia PROFI-BUS e suas particularidades e compromissos com a performance do protocolo.

Serviço Função DP

SDASend Data with Acknowledge(Envia dados com confirmação)

não

SRDSend and Request Data with reply(Envia e recebe dados com resposta)

sim

SDNSend Data with No acknowledge(Envia dados sem confirmação)

sim

CSRD

Cyclic Send and Request Data with replyz(Envia e recebe dados ciclicamente com resposta)

não

F2. Parametrização do barramento.

T1. Serviços do PROFIBUS (nível 2).

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