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Redes Industriais: Ensino de Redes de Sensores - CEFET-RN, Notas de estudo de Mecatrônica

Universidade Paulista (UniP)Mecatrônica

Documento do curso superior de tecnologia em automação industrial da cefet-rn sobre redes de sensores. Descreve o funcionamento básico de redes de sensores, a tecnologia as-i e suas vantagens, tipos de nós e conexões. Além disso, discute a organização da comunicação no mestre e a confiabilidade dos dados.

Tipologia: Notas de estudo

Antes de 2010

Compartilhado em 07/11/2010

brunoluiz
brunoluiz 🇧🇷

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CEFET-RN / Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial / Redes Industriais –Aula 03
Redes de Sensores
Gerenciamento
Células
Chão de
Fábrica
Nível
Atuador-
Sensor
Workstation, PC
CLP, PC
CLP, PC
Acionam.
Válvulas
Atuadores
Sensores
1. No mais baixo nível das redes industriais encontramos as redes de sensores.
2. Geralmente os sensores estão na base de um sistema de automação e são
projetados para serem os mais baratos possíveis, considerando que muitos
deles são necessários.
3. Sensores enviam dados básicos para um sistema de controle, como a posição
de um objeto ou propriedades físicas como temperatura ou pressão.
4. O mecanismo de funcionamento varia de acordo com a precisão e
confiabilidade desejada. O mais simples sensor é tipicamente uma chave fim
de curso mecânica usada para fornecer informação de que um objeto está
presente ou não. Por exemplo, chaves fim de curso são usados para detectar
caixas em uma esteira quando ela passa em uma estação de leitura.
5. Eles também são utilizados em válvulas de controle para indicar que a válvula
está totalmente aberta ou totalmente fechada.
6. Quando usada com um PLC, cada fim de curso tipicamente requer dois fios
para sua conexão a um cartão de entrada digital. Esta informação é
tipicamente informada como um bit ao processador do CLP.
7. Podemos encontrar outras tecnologias de construção de sensores como
fotocélulas, sensores magnéticos ou indutivos e capacitivos.
8. Redes de sensores são projetadas para reduzir a fiação ponto a ponto
necessária para conectar cada fim de curso, sensor de proximidade, válvula
solenóide ou fotocélula a uma interface de entrada e saída.
9. Isto pode ser feito de duas formas:
-Colocando um driver de rede dentro do sensor ou atuador.
-Trazendo a Interface de E/S para mais perto do sensor ou atuador fazendo
com que as conexões fiquem bastante curtas
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Redes de Sensores

Gerenciamento

Células

Chão de Fábrica Nível Atuador- Sensor

Workstation, PC

CLP, PC

CLP, PC Acionam. Válvulas Atuadores Sensores

  1. No mais baixo nível das redes industriais encontramos as redes de sensores.
  2. Geralmente os sensores estão na base de um sistema de automação e são projetados para serem os mais baratos possíveis, considerando que muitos deles são necessários.
  3. Sensores enviam dados básicos para um sistema de controle, como a posição de um objeto ou propriedades físicas como temperatura ou pressão.
  4. O mecanismo de funcionamento varia de acordo com a precisão e confiabilidade desejada. O mais simples sensor é tipicamente uma chave fim de curso mecânica usada para fornecer informação de que um objeto está presente ou não. Por exemplo, chaves fim de curso são usados para detectar caixas em uma esteira quando ela passa em uma estação de leitura.
  5. Eles também são utilizados em válvulas de controle para indicar que a válvula está totalmente aberta ou totalmente fechada.
  6. Quando usada com um PLC, cada fim de curso tipicamente requer dois fios para sua conexão a um cartão de entrada digital. Esta informação é tipicamente informada como um bit ao processador do CLP.
  7. Podemos encontrar outras tecnologias de construção de sensores como fotocélulas, sensores magnéticos ou indutivos e capacitivos.
  8. Redes de sensores são projetadas para reduzir a fiação ponto a ponto necessária para conectar cada fim de curso, sensor de proximidade, válvula solenóide ou fotocélula a uma interface de entrada e saída.
  9. Isto pode ser feito de duas formas:
    • Colocando um driver de rede dentro do sensor ou atuador.
    • Trazendo a Interface de E/S para mais perto do sensor ou atuador fazendo com que as conexões fiquem bastante curtas

Barramento Actuator Sensor Interface (ASI)

  1. AS-i é um acrônimo para Actuator Sensor Interface sendo, juntamente com o Seriplex e Interbus Loop uma das soluções para implementarmos uma rede de sensores.
  2. O AS-i é um sistema aberto desenvolvido por 11 fabricantes. Estes criaram uma associação para desenvolver as especificações do protocolo. Alguns dos mais conhecidos membros são Allen-Bradley, Siemens, Schneider, Turck, Omron, Eaton e Festo.
  3. Redes de sensores trabalham na verdade detectando o estado do sensores e o convertendo a “1” ou “0” em uma word de estado.
  4. A word de estado é então transmitida através da rede a um dispositivo terminal chamado de “scanner” que é geralmente um módulo de entrada e saída instalado em um rack, um CLP ou um computador.
  5. O “Scanner” é responsável por transformar as “words” de estado de cada nó da rede de sensores em um registrador no dispositivo final (CLP).

Topologia Física

  1. AS-i usa um cabo com dois condutores, não trançado e sem blindagem que serve com link de comunicação e alimentação para até 31 nós escravos.
  2. Um único mestre controla a comunicação sobre a rede, a qual pode ser conectada fisicamente em várias configurações, tais como estrela , barramento, anel ou árvore.

Tipos de Nós do barramento ASI

  1. Os módulos escravos estão disponíveis em quatro configurações:
    • Módulos de entrada para sensores convencionais ou fins de curso com contatos mecânicos
    • Módulos de saída para atuadores convencionais
    • Módulos de entrada e saída para aplicações duais.
    • Módulos de conexão para ligação de sensores compatíveis com AS-i.
    • Conversores analógicos-digitais de 12 bits.
  2. A cada escravo é permitido drenar uma corrente de 65mA da fonte de 30VDC. Se os dispositivos necessitam de mais corrente, fontes separadas devem ser conectadas a cada dispositivo.

Módulo ASI – Aspecto Físico

Módulo do Usuário

Cabo AS-I

Módulo de Acoplamento

Sensor/ M Atuador

  1. Um projeto único permite que os módulos de campo sejam conectados diretamente ao barramento mantendo a integridade da rede.
  2. O módulo de campo é formado por uma seção superior e inferior, conectadas juntos após a inserção do cabo.
  3. Pontos de contato tipo “vampiro”, especialmente projetados, perfuram o cabo fornecendo acesso do módulo ao barramento sem a necessidade de seccionamento ou descascamento do cabo.
  4. Conectores com plugues M12 são utilizados para interfacear os sensores ao módulo AS-i

Módulo ASI com Sensor Integrado

Parametrização e Diagnóstico Disponível

D0 = switching D1 = warning D2 = enable D3 = testing P0 = timer P1 = inverting P2 = distance P3 = special function

Sensor or Actuator

energia

AS-Interface Slave IC Um invólucro

Uma Conexão

  1. Interface AS-i oferece circuitos eletrônicos altamente integrados com baixa necessidade de espaço (< 2cm³). Desta forma ele pode ser integrado em pequenos sensores ou atuadores capacitando-os a funcionarem como dispositivos escravos AS-i.
  2. Sensores como este apresentação as seguintes diferenças:
    • Mais dados sobre o estado da aplicação
    • Parametrização e monitoramento dos escravos
    • Sensores e atuadores com grau de proteção IP
    • Diagnóstico do sensor e não somente do módulo.
  3. Benefícios para o usuário:
    • Diagnóstico completo e preciso

• Reação flexível a todas as condições de operação

• Interoperabilidade

• Estrutura descentralizada

Camada de Enlace - Telegrama do Mestre

  1. Um sistema AS-I contém um mestre e até 31 escravos. A comunicação entre o mestre e os escravos acontece ciclicamente através de telegramas.
  2. Primeiro o mestre envia uma chamada(telegrama) para um certo escravo. Por exemplo: Oi Escravo 3, favor acione a saída 2 e env ie o estado dos seus quatro canais de dados.
  3. O escravo responde imediatamente. Após um curto intervalo o mestre chama o escravo com o próximo endereço. Após o escravo 31 o ciclo é completado e recomeça com o escravo 1. Obviamente endereços não registrados no mestre não são relevados.
  4. O tempo para um ciclo completo é de 5ms para uma rede com 31 escravos incluído uma chamada redundante, que pode acontecer se o sistema detecta um telegrama incorreto, com isto podemo dizer que a taxa de 167 kbps é atinigida.
  5. A organização da comunicação no mestre é efetuada em seu próprio firmware. Não há programação ou configuração a ser feita pelo usuário. Os endereços dos escravos são gravados em memória não volátil.
  6. A interface AS-i transmite 4 bits de dados para entradas e saídas de cada escravo em cada ciclo. Além disto é capaz de enviar 4 bits de parâmetros para um escravo em cada ciclo.
  7. Estes parâmetros podem ser usados para ajustar remotamente características de escravos inteligentes (com CHIP AS-i)
  8. Apesar de não ser o objetivo principal deste tipo de rede, módulos analógicos podem ser conectados a uma interface AS-i. Neste caso tem-se que usar software especial na unidade de controle. O uso de sinais analógicos é limitado para variáveis com relativamente le ntas variações como temperatura ou pressão.
  9. O telegrama do mestre consiste em 14 bits enquanto o escravo responde com 7 bits após uma pausa entre cada transmissão para sincronização.

Camada de Enlace - Telegrama do Escravo

  1. A confiabilidade dos dados é assegurada pela verificação dos telegramas e qualidade do sinal - Pulso negativo como bit inicial - Pulso positivo com bit de parada - Pulsos consecutivos devem ser alternados - Pausa de 3 microsegundos entre dois pulsos - Comprometimento com a duração dos pulsos - Comprometimento com a amplitude dos pulsos - Verificação da integridade com verificação da paridade - Verificação por tempo esgotado do comprimento do telegrama
  2. A alta disponibilidade do sistema é assegurado por
    • Uma baixa existência de problemas, mesmo sob condições adversas
    • Repetição de um único telegrama em caso de falta.

Resumo das Características da Rede ASI

Cablagem simples e de

baixo custo

Teste e diagnose

Connectividade

com outras redes

como PROFIBUS,

DEVICENET e

MODBUS

Re-entrada

automática de

escravos

Dados e energia

em um único

cabo

  1. Em muitos casos a interface AS-i é o conceito mais econômico para a montagem de uma rede se há um grande número de sinais binários a serem detectados e transmitidos.
  2. Em um levantamento de custos para uma planta, os custos de hardware e pre-operação devem ser considerados.
  3. A redução do custo de hardware nem sempre é alcançada, podendo ter mesmo um leve acréscimo, contudo os custos de planejamento, instalação, pre-operação, documentação e serviços são substancialmente reduzidos na maioria dos casos.
  4. Algumas idéias que reforçam o uso do AS-i:
    • Dispositivos não tem como serem ligados erroneamente. Não é preciso verificação.
    • Ampliações podem ser feitas simplesmente adicionando escravos no cabo da rede AS-i e atualizando o programa do PLC.
    • A instalação é simples, não necessitando de mão de obra especializada ou ferramentas especiais.

Barramento Seriplex

Configurações:

Mestre escravo Ponto a ponto (sem mestre). Cada nó deve ter o CHIP ASIC. Tempo de varredura de 0,72 a 5,2ms. Endereços definidos pelo mestre ou por programação. 32 funções lógicas embutidas.

Topologia:

Estrela, árvore ou barramento. Distâncias de até 1500m. Até 510 dispositivos.

Comunicação e alimentação (24V) em um mesmo cabo com 4

fios.

Comunicação direta com PLC ou Gateway ou sem mestre.

  1. O Barramento Seriplex é um concorrente direto do AS-I e Interbus- Loop com possibilidade de manipular maiores quantidades de dados (até 64 bits por elemento).
  2. Na configuração mestre-escravo há um controlador na rede, único capaz de determinar mudanças nas saídas dos dispositivos da rede.
  3. Na configuração ponto a ponto os nós enviam as suas informações a todos os outro elementos da rede.
  4. O tempo de varredura varia de acordo com a configuração da rede. A cada ciclo de varredura apenas um bit de cada elemento é transmitido.
  5. As funções lógicas embutidas podem ser usadas para definir o estado das saídas a partir do estado de sinais de entradas presentes na rede.
  6. Os elementos que possuem o CHIP Seriplex podem ser conectados diretamente ao barramento. Dispositivos convencionais usam os módulos de interface disponíveis.