Mecatrônica Atual 55

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Mecatrônica Atual 55

índice

Índice de Anunciantes:

GoIndustry .......................... 09

Mectrol .............................. 11

PHM .............................. 23

Nova Saber ......................... 47

4

34

38

Mecânica 2012 .......... Capa 02

Festo .......................... Capa 03

Cognex ........................ Capa 04

16

12

16

21

24

30

34

38

44

48

Editorial

Notícias

Redes de CLPs –

Parte 2

Sensores –

Guia Prático

Acoplamento por

impedância comum

Transformadores de

Baixa Tensão

SIS - Sistemas Instrumentados

de Segurança – Parte 5

Análise

Espectral

Sensor Hall – A Tecnologia dos

Posicionadores Inteligentes

Uso de entradas e saídas

remotas em Profibus-PA

Profibus – Tempo

de Barramento

03

05


A HMS libera a Netbiter

A 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 disponibiliza

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 parâmetros

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 fácil

É com muita satisfação que oferecemos aos nossos clientes

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 também

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 Netbiter

O 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

centro de dados garante um armazenamento seguro

da informação e permite aos usuários obterem estatísticas

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.

//notícias

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

Carregadeiras Hyundai modelo

HL770 série 7A, da BMC

A 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, indústria

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 produtividade

com economia, graças ao econômico motor do equipamento,

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 conectividade,

alojamento

seguro e interface

Web.

Março/Abril 2012 :: Mecatrônica Atual

5


notícias

As novas tecnologias na

indústria serão apresentadas

na Feira da Mecânica

Atuadores eletromecânicos Exlar, nova linha de

CNC Mitsubishi M700V/M70V, acionamentos inteligentes

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 eletromecânicos

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 mecânica

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 própria

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 usinagem

de moldes e/ou fresamento e controle de interpolação

simultânea de 5 eixos.

Destaques da 3M

A 3M lançará, inclusive, novidades em máquinas pneumáticas,

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 brasileiro

Pinos-Guia de Ferrite, que substituem os atuais pinos

de cerâmica, que apresentam alto custo e baixa resistência.

6

Mecatrônica Atual :: Março/Abril 2012

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 cobrir

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 protocolos

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 fornecimento

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 principalmente

em transportadores horizontais e verticais, misturadoras

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 eliminação

de desperdício e a correta alocação dos investimentos.

Até 2013, a empresa prevê um crescimento de 35% na

unidade de negócios Soluções Industriais.


Outras grandes novidades

A GSK apresentará no evento a automatização, atualização

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 interatividade.

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/Aplicativo-Mobile/

para baixar. “A Mecânica na palma da

sua mão.”

O NI PXIe-1082 e seus relatórios.

//notícias

Novo relatório sobre o mercado de

testes automatizados para 2012

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 numerosas

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: estratégia

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: Combinando

modelos sofisticados com medições do mundo real,

elas aumentam a qualidade e reduzem o tempo de desenvolvimento

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

comitês especializados de clientes. Tendo esses dados

como base, o relatório oferece uma abrangente amostra

das próximas tendências relativas aos desafios empresariais

e técnicos da área de teste e medição.

O Automated Test Outlook é parte do NI Test Leadership

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 informações

tecnológicas.

Para ler o relatório 2012 Automated Test Outlook,

visite www.ni.com/ato.

Março/Abril 2012 :: Mecatrônica Atual

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notícias

Sistema de visão In-Sight 5605

permite identificação de código superrápida,

na Continental Alemanha

O conceito de “rastreabilidade” está agora firmemente estabelecido

na indústria de fornecimento automotivo. Centenas

de milhares de bandejas de transporte desempenham um papel

chave no sistema de transporte interno na fábrica da Continental,

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 controle

Essa produção e rede de abastecimento altamente distribuídas

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 individuais

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 conteúdo

A 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

8

Mecatrônica Atual :: Março/Abril 2012

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 útil

Wilhelm enfatiza a boa cooperação com o Stemmer

Imaging, que oferece uma grande ajuda no planejamento e

implantação do sistema. “Durante a fase de projeto, pudemos

utilizar o laboratório do Stemmer Imaging para conduzir

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 processamento

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 desafio

Além 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.


Para solucionar esta tarefa, a Stemmer Imaging usou a

tecnologia PatMax ® da Cognex. “O PatMax utiliza uma tecnologia

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.

//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.

Março/Abril 2012 :: Mecatrônica Atual

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notícias

Fluke apresenta os Analisadores

de Qualidade de Energia

Trifásicos 430 série II

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 eletromecânicos,

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 economia

de energia. O Fluke 430 série II calcula monetariamente

custos do desperdício de energia.

O mais famoso Analisador está ainda melhor

Há 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 software

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.

10 Mecatrônica Atual :: Março/Abril 2012

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 inversor

consome e se ele está operando de forma eficiente. As

medições permitem aos operadores ajustarem as configurações

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, efetuem

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 transporte,

bateria tipo Li-Íon com até 10 horas de operação por

carga, sondas de corrente, cabos de teste com clipes, carregador

de bateria, cabo USB, e software PowerLog. Ambos

os modelos estarão disponíveis desde janeiro de 2012. Para

mais informações, visite: www.fluke.com.br


Analisador

de qualidade

de energia

trifásico 430

série II.

O novo conversor SK 540E da NORD

DRIVESYSTEMS com controlador incorporado

permite aos usuários programarem

livremente funções relacionadas com

acionamentos.

//notícias

Gerenciamento de tarefas

relacionadas ao acionamento

sem controlador externo

Para aplicações de acionamento dinâmico e funcionalidades

complexas, a NORD DRIVESYSTEMS apresenta um novo modelo

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 modelos

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.

Março/Abril 2012 :: Mecatrônica Atual

11


automação

Redes de

CLPs

Nesta 2ª parte deste artigo, apresentamos a rede AS-Interface

(ou AS-i) para mostrar a interconectividade dos sensores descritos

em diversos processos fabris e descrevemos também

a rede Ethernet TCP/IP (industrial).

Engº Filipe Pereira

filipe.as.pereira@gmail.com

saiba mais

Redes 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

12 Mecatrônica Atual :: Março/Abril 2012

AS-Interface

Esta tecnologia foi desenvolvida como

uma alternativa de baixo custo em relação

às redes de cabos convencionais e, após vários

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 topologia

Um exemplo que ilustra a aplicabilidade

do AS-i é apresentado na figura 1. O “mestre”

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 necessidades

de alimentação extra para módulos

de I/O ou outro equipamento específico.

Parte 2

Modbus

O Modbus é um dos protocolos mais

antigos e mais utilizados em redes de automação.

É um tipo de rede que normalmente

aparece no nível de Campo/Processo, podendo

noutras variantes, aparecer nos níveis superiores

como é o caso do Modbus TCP/IP.

Meio físico

O 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 dispositivos

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”.


• MODBUS TCP/IP é usado para

comunicação entre sistemas de supervisão

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 comunidade

Modbus-Ida): é usado para

comunicação de CLPs entre si, módulos

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 Control).

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 Comunicação

A 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):

• Nível físico (nível 1): 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 envio

de mensagens está restringida ao

“mestre”. Se uma resposta fôr requerida,

os “escravos” respondem à solicitação

do “mestre”, ou então limitam-

-se a executar as ações pedidas pelo

“mestre”. O “mestre” pode dirigir-se

individualmente aos “escravos”, ou difundir

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.

F1. Exemplo de aplicação AS-I.

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

F3. Aproximação do protocolo MODBUS a pilha OSI.

Março/Abril 2012 :: Mecatrônica Atual

automação

13


automação

F4. Trama de transmissão Modbus ASCII.

F5. Trama de transmissão Modbus RTU.

F6. Exemplo de uma aplicação em vários perfis Modbus.

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 simultaneamente

e o polling é feito pelo utilizador.

Existem duas normas para MODBUS:

• RTU (Remote Terminal Unit) (o mais

utilizado e de melhor desempenho):

14 Mecatrônica Atual :: Março/Abril 2012

Caracteres codificados com 8 bits +

1 bit de paridade

• ASCll (American Standard Code for

Information Interchange): Caracteres

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 topologia

No exemplo ilustrado na figura 6

encontra-se uma rede com diferentes vertentes

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/IP

A popularidade, desempenho, baixo

custo e a comunicação com os PCs tornou a

Ethernet atrativa para aplicações industriais.

Atendendo a extensão do protocolo Ethernet,

apenas será feita uma breve referência

a este protocolo, para que posteriormente

seja possível perceber a aplicação prática.

Meio Físico

A Ethernet Industrial é semelhante à

Ethernet comum, mas desenhada para utilização

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 automação,

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


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 comunicação

Ethernet é uma rede em que o acesso ao

meio é feito através do método CSMA/CD

(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection).

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, determinar

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 Protocol”

- 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 endereços

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

F7. Exemplo de uma aplicação usando Ethernet.

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 Protocol”

- Este serviço serve para transmissão

de e-mail. É utilizado para enviar

mensagens entre um emissor e um

receptor via servidor de mail SMTP;

• SNMP “Simple Network Management

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 Component

Object Model” - Tecnologia

usada nos componentes Windows

que lhes permite comunicar de modo

transparente. Esta é a tecnologia

utilizada no servidor de dados OPC;

• Modbus TCP/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.

Março/Abril 2012 :: Mecatrônica Atual

automação

Permite a utilização de anéis redundância

com equipamento específico.

É um protocolo totalmente livre, cujas

especificações podem ser encontradas

em www.modbus-ida.org;

• IO Scanning - Este serviço é utilizado

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, reconfiguração

e inicialização automática

do sistema, sem necessidade de intervenção

manual;

• Global Data - Este serviço assegura

trocas de dados em tempo real entre

os diversos equipamentos, que pertençam

ao mesmo grupo. É utilizado

para sincronizar aplicações remotas,

ou partilhar uma base de dados

comum entre diversas aplicações

distribuídas.

Exemplo de Aplicação

Este exemplo consiste de 3 CLPs ligados

em rede usando o protocolo Modbus TCP/

IP, onde existe uma estação de trabalho supervisionando

o sistema e uma console que

permite a alteração de alguns parâmetros

por parte de um operador. Atente para a

figura 7.

MA

15


automação

Sensores

Guia prático

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

Engº Filipe Pereira

saiba mais

Sensores na Automação Industrial

Mecatrônica Atual 54

CLPs e Sensores

Mecatrônica Atual 51

Sensores

Mecatrônica Atual 4

16 Mecatrônica Atual :: Março/Abril 2012

Entendendo sensores

Transdutor: 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 corrente

ou resistência. Esse é o caso do LDR

e dos fotodiodos (figura 1).

Tipos de sensores

Os sensores podem ser classificados de

acordo a saída do sinal, podendo esta ser

analógica ou digital.

Digitais ou discretos

Assume apenas dois valores de saída ao

longo do tempo, que podem ser interpretados

como 0 ou 1 (figura 2).

Analógicos ou proporcionais

São informações em forma de um sinal

elétrico proporcional à grandeza medida

(figura 3).

Existem vários tipos e modelos de sensores

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 trabalham

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 operam

com a emissão e reflexão de um feixe


de ondas acústicas. A saída comuta quando

este feixe é refletido ou interrompido pelo

material a ser detectado.

Terminologia

Face 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 traduzida

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 especificam

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 indutivos

Tem 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 funcionamento

Observe a figura 8. O oscilador fornece

energia à bobina que produz um campo eletromagnético

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.

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

F8. Funcionamento do sensor indutivo.

Março/Abril 2012 :: Mecatrônica Atual

automação

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

F3. Representação gráfica do sinal

análogico.

F4. Distância entre a face sensora e o

objeto a ser detectado.

F6. Utilização de objeto metálico como referência

da distância sensora máxima do sensor. F7. Sensor Indutivo.

17


automação

F9. Aplicação do sensor indutivo em uma

esteira elétrica.

F11. Sensor Capacitivo.

F12. Funcionamento do sensor capacitivo.

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).

Aplicações

A principal aplicação é a detecção de

objetos metálicos, pois o campo emitido é

eletromagnético (figura 9 e 10).

Sensores capacitivos

São sensores capazes de detectar a aproximação

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.

18 Mecatrônica Atual :: Março/Abril 2012

F10. Aplicação do sensor indutivo em um

torno mecânico.

Princípio de funcionamento

Observe a figura 12. Os sensores capacitivos

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.

F13. Tamanho do alvo, a sua constante

dielétrica e a distância até a ponta.

Na ausência de um alvo, o oscilador

está inativo.

A capacitância do circuito com a ponta

de compensação é determinada pelo tamanho

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.

Aplicações

Os sensores capacitivos podem detectar

objetos metálicos e não metálicos, assim

como produtos dentro de recipientes não

metálicos. Estes sensores são usados geralmente

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 fotoelétricos

Os sensores fotoelétricos, da mesma

forma que os capacitivos, detectam qualquer

material, porém com uma distância sensora

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 funcionamento

Detectam 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 infravermelhos

ou visíveis;

Sensor de luz - são componentes eletrônicos

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


F14. Funcionamento de sensores fotoelétricos.

F15. Três principais modos de detecção.

F16. Aplicação de sensores fotoelétricos.

E: Emissor

R: Receptor

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

Março/Abril 2012 :: Mecatrônica Atual

automação

19


automação

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 detecção

Veja a figura 15, esses são os 3 principais

modos de detecção.

A figura 16 mostra 2 tipos de aplicações

de sensores fotoelétricos.

Sensores ultrassônicos

Os 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.

Funcionamento

O princípio de funcionamento dos sensores

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 ciclicamente.

Quando um objeto reflete

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.

Aplicações

Os sensores ultrassônicos podem ser utilizados

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).

20 Mecatrônica Atual :: Março/Abril 2012

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 suportar

correntes mais elevadas (tipicamente 3

ampères).

Alimentação dos sensores

Um sensor, como qualquer outro dispositivo

eletrônico, requer cuidado com a

alimentação, pois se for feita de forma inadequada,

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 sensores

Os 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 sensores

Observar os esquemas de ligação elétrica,

identificando as cores dos fios antes de instalar

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.

F19. Sensor ultrossônico para medição

de diâmetro.

F20. Evite que os cabos dos sensores

utilizem os mesmos tubos dos circuitos de

potência.

sores utilizem os mesmos tubos dos circuitos

de potência. As tensões induzidas podem

possuir energia suficiente para danificar os

sensores (figura 20).

Conclusão

Com 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.

MA

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/fasp.esds1

filipe.as.pereira@gmail.com


Março/Abril 2012 :: Mecatrônica Atual

energia

Acoplamento

por impedância comum

Como minimizar seus efeitos

em instalações industriais

A energia eletromagnética nas instalações pode interferir na operação

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.

saiba mais

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

A

César Cassiolato

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 escovas

de motores, chaveamento de circuitos

de potência, em acionamentos de cargas

indutivas e resistivas, acionamentos de relés,

chaves, disjuntores, lâmpadas fluorescentes,

aquecedores, ignições automotivas, descargas

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 comunicação

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 acoplamento

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 automação

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.

21


energia

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

F2. Aterramento e impedância comum.

Felizmente, dispositivos e técnicas simples,

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

22 Mecatrônica Atual :: Março/Abril 2012

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, fiação,

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 aterramento

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 impedância

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.


F3. Aterramento em série resultando em acoplamento condutivo.

F4. Impedância comum. F5. Aterramento e conexões adequadas,

evitando-se o acoplamento condutivo.

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, especialmente

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.

Conclusão

Todo 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

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 regulamentações

físicas, assim como as práticas

de segurança de cada área.


energia

Transformadores

de Baixa Tensão

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, procuramos

dar uma atenção especial sobre as potências (ativa, reativa

e real), que, frequentemente, costumam confundir o técnico ou

engenheiro de aplicação.

Alexandre Capelli

saiba mais

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

24 Mecatrônica Atual :: Março/Abril 2012

Tipos de Transformadores

Quando falamos em baixa tensão podemos

encontrar, basicamente, três tipos

de transformadores: transformador de

potencial, transformador de corrente, e

auto-transformador.

Transformador de potencial

O transformador de potencial, como o

próprio nome diz, é um dispositivo que opera

com tensões elétricas. Através do fenômeno

de indução eletromagnética, conforme veremos

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 elétrica

dØ = variação de fluxo

dt magnético pelo tempo

Caso 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 distanciamento

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 “variante”

(figura 1).

Segundo esse princípio o transformador

somente poderá operar com tensões alternadas

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 funciona

como um “amplificador” do campo

eletromagnético. Para transformadores de

baixa frequência o núcleo é feito de uma


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.

Autotransformador

O 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 autotransformador

é a bobina de ignição de motores

de combustão interna antigos (aqueles com

platinado e distribuidor).

Transformador Ideal e Real

Agora 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 ideal

Uma bobina ideal (sem componentes

parasitas resistivos ou capacitivos) sujeita a

F2. Modelo eletromagnético

do transformador.

F1. Indução eletromagnética. F3. Transformador de corrente

utilizado em instrumentação.

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 fluxo

m = constante de material

H = indutância de enrolamento (bobina).

Uma vez que o núcleo tem seção transversal

de área S, então, a equação final do

fluxo, em função do núcleo, será:

Substituindo b (t), temos:

Março/Abril 2012 :: Mecatrônica Atual

energia

F4. Autotransformador, ligação física entre

o enrolamento primário e o secundário.

F5. Bobina ideal.

25


energia

F6. Perdas em um transformador REAL

F7. Seção transversal retangular x circular.

onde:

Ø = fluxo

m = constante de material do núcleo

N = número de espiras

S = área de seção transversal do núcleo

L = comprimento da bobina

i = corrente nominal da bobina.

O fluxo gerado no enrolamento primário

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:

26 Mecatrônica Atual :: Março/Abril 2012

Considerando o dispositivo como ideal,

a força magnetomotriz resultante deve ser

nula (sem perdas). Assim:

Finalmente, chegamos à equação fundamental

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.

F8. Transformador com núcleo "C".

F9. Exemplo de construção de um "trafo"

trifásico.

2) Calcule as correntes primária e se-

cundária do exemplo anterior sabendo

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.

P 1 = P 2 (potência no primário igual à

do secundário)

Transformador real

Quando 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%.


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

(R 1 e R 2 ). O fluxo magnético, por sua vez,

não é homogêneo, o que gera dispersão nas

bobinas (X 1 e X 2 ), bem como correntes parasitas

(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 V 2 , disponível para a carga, é menor

que E 2 , pois parte dela é perdida em R 2 e X 2 .

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 transformador

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” diminui

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 redução

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

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 Trifásico

Os transformadores trifásicos são empregados,

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, chamada

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

Transformadores de

alta frequência

Os transformadores utilizados em alta

frequência apresentam algumas características

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 “conduzir”

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

Transformador de alta frequência.

Março/Abril 2012 :: Mecatrônica Atual

energia

um total de seis bobinas. O modo como

interligamos essas bobinas (enrolamentos)

é o que chamamos de configuração ou “fechamento”

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-Delta

A 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.

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 condutores

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.

27


energia

F10. Sistema ∆∆: tensão de fase=tensão

de linha.

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

3 fase.

F12. Sistema YY.

Delta-Estrela

Essa 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-Estrela

O fechamento YY, embora incomum,

também apresenta boa estabilidade de tensão,

pois o secundário tem o ponto central aterrado

(figura 12). Normalmente, utilizamos

esse tipo de configuração onde a tensão de

entrada é mais baixa (perdas causadas por

consumidores intermediários).

28 Mecatrônica Atual :: Março/Abril 2012

F13. Sistema Y∆.

F14. Sistema Y∆ com tap.

F15. Transformador isolador.

Estrela-Delta

Ao contrário do anterior, o secundário

não tem referência e, geralmente, o fechamento

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 tap

A 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 podemos

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.

Aplicações

As duas aplicações mais comuns de

transformadores na indústria são: compatibilizador

de tensão e isolador.

Compatibilizador de tensão

O transformador, conforme já vimos neste

artigo, pode ser “elevador” ou “abaixador” de

tensão. Isso só depende da relação entre espiras

n 1 /n 2 . Caso n 1 /n 2 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 compatibilizador

de tensão. No exemplo, abaixando

380 VCA para 220 VCA (naquela máquina).

Isolador

O transformador isolador possui a relação

n 1 /n 2 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-


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 nominal

A 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 convertermos

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.

Ø

F16. Triângulo das potências.

Potência Aparente (VA)

Potência Real (W)

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, consequentemente,

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 potência

O 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 A

Potência Real = 1000 VA . 0,7 = 700 W

Trafo B

Potência Real = 800 VA . 0,9 = 720 W

O transformador do fabricante B, embora

com potência aparente menor, possui maior

potência útil.

Tensões

Quanto às tensões não há segredo, basta

definir as amplitudes segundo entrada da

rede, e saída para a carga.

Março/Abril 2012 :: Mecatrônica Atual

energia

Conclusão

A “sinergia” entre eletrotécnica e eletrônica

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.

MA

Abaixo seguem alguns

sites interessantes sobre

transformadores:

www.comel.ind.br

www.kimarki.com.br

(produtos)

www.sp.senai.br

(cursos)

Potência

Reativa

(VAr)

Regulação

A 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.

Rendimento

O 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 expresso

em porcentagem e, na prática, sempre

ultrapassa 85%.

29


ferramentas

SIS

Manual LD400-SIS, César Cassiolato

Mecatrônica Atual 53

30 Mecatrônica Atual :: Março/Abril 2012

Sistemas Instrumentados

de Segurança

Uma visão

prática Parte 5

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

saiba mais

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

A

s condições de segurança devem ser

sempre seguidas e adotadas em plantas

e as melhores práticas operacionais e de

instalação são deveres dos empregadores

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 responsáveis

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

César Cassiolato

imune a falhas e sempre deve proporcionar,

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 mundial,

a IEC 61508, que serve hoje de

guarda-chuva em seguranças operacionais

envolvendo sistemas elétricos, eletrônicos,

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 basicamente

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:


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

• Part 1: General requirements;

• Part 2: Requirements for E/E/PE

safety-related systems;

• Part 3: Software requirements;

• Part 4: Definitions and abbreviations;

• Part 5: Examples of methods for the

determination of safety integrity levels;

• Part 6: Guidelines on the application

of IEC 61508-2 and IEC 61508-3;

• Part 7: 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 distribuído,

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 aplicações

a especificação de equipamentos com

certificação SIL para serem utilizados em

sistemas de controle sem função de segurança.

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 adquiram

o conhecimento de como determinar

a performance exigida pelos sistemas de

segurança, que tenham o domínio das ferramentas

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 preventiva

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 tecnologias

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

Março/Abril 2012 :: Mecatrônica Atual

ferramentas

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 programáveis,

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 equipamentos

que exigem sistemas de intertravamento

de segurança cuidadosamente projetados e

implementados.

O funcionamento adequado de um SIS

requer condições de desempenho e diagnósticos

superiores aos sistemas convencionais.

A operação segura em um SIS é composta

de sensores, programadores lógicos, processadores

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 Segurança;

• 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.

31


ferramentas

F3. SIF - SIL 3.

F4. SIF - SIL 3 – Votação 2oo3.

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 dependerá

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

32 Mecatrônica Atual :: Março/Abril 2012

da função de segurança, ou no encerramento

do processo.

Duplex, ou votação 1oo2 ou 2oo2

O princípio de votação 1oo2 foi desenvolvido

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. Infelizmente,

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 significativamente

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 2oo3

2oo3: Nesta votação há três canais, dois

dos quais precisam estar OK para operar e

cumprir as funções de segurança. O princípio

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 Arquiteturas

SIL 1 (figura 1)

SIL 2 (figura 2)

SIL 3 (figura 3 e 4)

Exemplo de Aplicação

A 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 integridade

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


Transmissor de pressão 0,6

Controlador 0,3

I/P 0,5

Válvula de controle 0,2

Chave de pressão 0,2

Válvula solenoide 0,2

Válvula de bloqueio rápido 0,2

Falhas/ano

Total 1,6

T1. Taxa de falhas totais/ano.

Falhas / ano

Total 0,6

T2. Exemplos de taxa de falhas totais/ano.

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 diagnosticadas

= 0,6/3 = 0,2/ano

Com uma frequência anual de teste,

FDT = ½ fT = ½ x 0,2/ano x 1 ano = 0,1

Isto 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 = 0,0083

Atingindo uma disponibilidade > 0,99.

A frequência de teste do projeto deve ser

especificada como parte da documentação

de projeto.

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 detalhes

Existe 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 separado.

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 certificado

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 desempenho

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

Março/Abril 2012 :: Mecatrônica Atual

ferramentas

F5. Processo com malha básica de controle.

shutdown. A tabela 4 a seguir mostra a

estimativa do custo por falsos trips em

indústrias de diferentes processos:

Conclusão

Em 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 processos,

a minimização da variabilidade

com consequência direta no aumento da

lucratividade.

MA

33


instrumentação

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 (Electromagnetic

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

34 Mecatrônica Atual :: Março/Abril 2012

Alexandre Capelli

Estudo da EMI com o

Analisador de Espectro

O processo de certificação de compatibilidade

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 instrumento

fundamental para a engenharia nessas

horas. A figura 1 mostra como podemos

visualizar em sua tela a amplitude das diversas

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 conduzida

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 necessitamos

de um dispositivo especial para

isso, chamado LISN.

Técnicas de Medição

A 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 sensibilidade

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,


F1. Amplitudes de diversas frequências harmônicas

na tela do Analisador de Espectro.

F3. Captura da RF de uma máquina usando

uma antena – dipolo.

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 amplitude,

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 visualizado

na tela. Para uma sensibilidade

F2. Dois exemplares de Analisadores de Espectro.

F4. Configuração dos instrumentos para estudo da EMI conduzida.

instrumentação

Março/Abril 2012 :: Mecatrônica Atual

35


instrumentação

F5. Sinal de 500kHz de baixa amplitude.

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

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,

36 Mecatrônica Atual :: Março/Abril 2012

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

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

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


F8. Neste caso, o analisador de espectro gera a distorção do sinal.

de cada “bin”. Esse modo é indicado

para medidas senoidais, porém, apresenta

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 espectro,

ele possui uma boa performance

na separação em ruídos aleatórios e

ruídos de pulso.

• Detecção por amostragem: A detecção

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.

Conclusão

Conforme vimos neste artigo, nem

sempre torna-se necessária a consulta externa

sobre a análise da compatibilidade

eletromagnética para os fabricantes de

equipamentos. Com as devidas ferramentas,

e utilizando as técnicas corretas, a engenharia

do próprio fabricante pode obter

bons resultados. Claro que a relação custo/

benefício do trabalho deve ser considerada

antes do início do processo.

MA

F10. “Bins”, ou amostras binárias.

F9. Agora, não existe distorção ínterna do analisador.

instrumentação

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

Março/Abril 2012 :: Mecatrônica Atual

37


conectividade

Sensor Hall

A tecnologia dos Posicionadores

Inteligentes de última geração

Comentaremos, neste artigo, uma interessante aplicação da Física

no desenvolvimento de Posicionadores Inteligentes de Válvulas,

baseados no Sensor Hall que agregará vários recursos de performance

e diagnósticos.

César Cassiolato

saiba mais

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

38 Mecatrônica Atual :: Março/Abril 2012

Énotável 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 Hall

O 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 elétron

B: 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 R H . Neste caso, as linhas equipotenciais

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


F1. Princípio de construção e funcionamento

do sensor Hall.

um campo magnético B aplicado perpendicularmente

à direção de sua espessura.

O resultado destas condições é a geração

de tensão conhecida como tensão de Hall,

V HALL , cuja magnitude é dada por:

onde: R H é a constante Hall do material

(figura 1).

Atualmente, existem inúmeras aplicações

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 Inteligentes

de Válvulas/Atuadores. É a inteligência

da eletrônica e software combinada com o

estado da arte em desenvolvimento mecânico.

O Posicionador Inteligente

Este 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, minimizando

consumos e reduzindo a

variabilidade dos processos;

• Alta confiabilidade, garantindo continuidade

e segurança operacional;

• Versatilidade, flexibilidade de uso

independente do fabricante e tipo de

conectividade

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

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 diagnose,

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 equipamentos

de atuação é baseada em acoplamentos

mecânicos, com montagens e ajustes complicados,

de baixa sensibilidade e precisão,

sendo muitas vezes responsáveis por toda

variabilidade do processo, refletindo na

estabilidade dos controles, na estabilidade

de qualidade, etc.

Março/Abril 2012 :: Mecatrônica Atual

39


conectividade

F3. Esquema do Transdutor Pneumático.

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

40 Mecatrônica Atual :: Março/Abril 2012

O posicionador inteligente de última

geração para válvulas de controle linear ação

simples (retorno por mola), ou ação dupla

como por exemplo: globo, gaveta, diafragma,

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 caracterização,

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 mecânico;

• 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 defletida

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


F5. Diagrama funcional do Posicionador FY303.

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 funcional

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, disponibilizando

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

conectividade

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 monitoradas

via sinal do sensor Hall via mestre

classe 2, tais como:

Março/Abril 2012 :: Mecatrônica Atual

41


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 acompanhar

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 setpoint

e 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 posicionadores

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 equipamentos

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 - Partial Stroke Test. 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

42 Mecatrônica Atual :: Março/Abril 2012

verificar se a válvula não está emperrada ou

se o atuador pneumático está sendo adequadamente

pressurizado, sem necessidade de ir

até o local aonde está instalada.

Mas o PST automático, e a custos aceitáveis,

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 Type

Manager), drivers para configuração e visualização

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 configurar

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 Posicionadores

Inteligentes para fazer o PST é conhecido

como método de Rampa Dinâmica.

O posicionador gera automaticamente uma

variação em rampa do sinal de Set Point na

faixa determinada pelo usuário (Off Set). A

válvula se movimenta em resposta à variação

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” (load factor)

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 Probabilidade

de Falha Sob Demanda – PFD,

Probability of Failure on Demand, que é usado

para determinação do Nível de Integridade

Segura – SIL, Safety Integrity Level.

Configuração e Parametrização

do Posicionador Inteligente

FY303 - Profibus-PA

Configurando aciclicamente o FY303

Estes instrumentos podem ser configurados

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 protocolo

PROFIBUS PA e pode ser configurado

usando qualquer ferramenta que trabalha com

DD/EDDL e também com o conceito de

ferramenta FDT (Field Device Tool) e DTM

(DeviceType Manager), tais como AssetView

da Smar, FieldCare TM e PACTware TM . Pode

também ser configurado ciclicamente por

qualquer sistema PROFIBUS usando o

arquivo GSD (Generic Station Description).

O PROFIBUS PA apresenta ainda informação

de qualidade e diagnóstico, melhorando

o gerenciamento e manutenção da planta.

Os arquivos EDDL (Electronic Device

Description Language) e DTM estão disponíveis

na página da Smar na Internet: www.

smar.com.br.

Configurando Ciclicamente o FY303

Através do arquivo GSD o mestre executa

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 equipamento

receberá o valor e status do setpoint


F6. Exemplo de aplicação em Profibus.

F7. Telas de Resultados do PST.

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 configurador

PROFIBUS, normalmente

chamado de BMP;

• Uma vez escolhido o mestre, deve-

-se escolher a taxa de comunicação,

lembrando-se que quando se tem os

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

conectividade

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.

Conclusão

Pudemos ver através deste artigo o

ganho em tecnologia e benefícios que um

posicionador baseado em tecnologia digital

com sensor Hall pode proporcionar, principalmente

pela facilidade de montagem

e operação.Lembrando sempre que estes

equipamentos sempre estarão juntos a elementos

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.

MA

Março/Abril 2012 :: Mecatrônica Atual

43


conectividade

Uso de entradas

e saídas remotas

em Profibus-PA,

facilitando a automação de processos

em sistemas de controle

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.

César Cassiolato

Diretor de Marketing, Qualidade

e Engenharia de Projetos e Seviços -

Smar Equipamentos Industriais

cesarcass@smar.com.br

saiba mais

Entendendo as Reflexões em Sinais

Profibus

Mecatrônica Atual 50

Minimizando Ruídos em Instalações

PROFIBUS

Mecatrônica Atual 46

Rede Profibus PA

Mecatrônica Atual 18

44 Mecatrônica Atual :: Março/Abril 2012

Veremos neste artigo a aplicação do FRI303,

um equipamento Profibus-PA, que foi desenvolvido

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 automação

vêm demandando equipamentos de

campo (transmissores de pressão e temperatura,

conversores, posicionadores, atuadores,


F1. FRI303 – SMAR.

controladores, etc.) com alta performance,

confiabilidade, disponibilidade, recursividade,

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 informação

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 fornecimento

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, principalmente

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 ferramentas

baseadas em Internet, a qualquer

hora e de qualquer lugar. Através de um

gerenciamento destas informações vindas

do campo, pode-se selecionar convenientemente

os dados para se atingir os objetivos

F2. Aplicação genérica com entrada e saída discretas.

F3. Diagrama funcional do FRI303.

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 assumir

funções antes inimagináveis, como o

controle de contínuo e discretas, tempos de

varreduras menores, arquiteturas redundantes,

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-

conectividade

F4. Conexão Física das Saídas.

Março/Abril 2012 :: Mecatrônica Atual

45


conectividade

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 microprocessadores

(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, válvulas

“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

46 Mecatrônica Atual :: Março/Abril 2012

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 implementadas

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.

Conclusão

Vimos através deste artigo a importância

dos avanços tecnológicos dos microprocessadores

na automação e controle de processos,

assim como detalhes de um equipamento

microprocessado para acionamento e leitura

de valores discretos.

MA


conectividade

Profibus

Tempo de

Barramento

saiba mais

Profibus

Mecatrônica Atual 44

A Rede Profibus DP

Mecatrônica Atual 17

Redes da Organização Profibus

Mecatrônica Atual 16

Conheça um pouco mais sobre o tempo de barramento

no Protocolo de comunicação Profibus, muito

utilizado em redes indutriais

48 Mecatrônica Atual :: Março/Abril 2012

César Cassiolato

cesarcass@smar.com.br

Uma 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 ferramentas,

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 transferida,

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 envolvidos

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 MAC

O 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


pelo tempo de ciclo do token, é responsável

também pelos serviços de transmissões de

dados à camada de aplicação.

O PROFIBUS utiliza diferentes subconjuntos

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 característica

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 industriais

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 reconhecimento

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

F1. Comunicação Multimestre, passagem do Token.

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 mensagens,

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 ferramentas

de configuração, etc (figura 2).

O Target Token Rotation Time (TTR) é

dado em bit times e normalmente é calculado

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.

conectividade

Um parâmetro diretamente influenciado

pelo TTR é o watchdog time. Este é o tempo

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 transmissão

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

Março/Abril 2012 :: Mecatrônica Atual

49


conectividade

F2. Parametrização do barramento.

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 devido

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 utilizando

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 automaticamente

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;

50 Mecatrônica Atual :: Março/Abril 2012

• Tid2: quanto em tempo(µs) que o mestre

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.

Serviço Função DP

SDA

SRD

Send Data with Acknowledge

(Envia dados com confirmação)

Send and Request Data with reply

(Envia e recebe dados com resposta)

não

sim

SDN

Send Data with No acknowledge

(Envia dados sem confirmação)

Cyclic Send and Request Data with

sim

CSRD

replyz

não

(Envia e recebe dados ciclicamente com

resposta)

T1. Serviços do PROFIBUS (nível 2).

Tempo de resposta no

PROFIBUS PA

A utilização do PROFIBUS em dispositivos

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 sequência

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.

Conclusão

Vimos através deste artigo a importância

dos tempos envolvidos na tecnologia PROFI-

BUS e suas particularidades e compromissos

com a performance do protocolo. MA

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