Conexões para Controle:Interfaces de Comunicação para Sensores de Posição e Movimento

As interfaces de comunicação fornecem o elo importantíssimo entre os sensores (os “nervos” de um sistema de controle) e os controladores (o “cérebro”). Uma variedade impressionante de tecnologias de comunicação foi introduzida para fornecer esse link, geralmente com recursos e capacidades adaptados a um determinado tipo de sistema de controle. Vejamos algumas tecnologias de comunicação amplamente utilizadas para controle de movimento.

Soluções especiais para casos especiais

Para alguns sensores que fornecem feedback para controle de movimento, a tecnologia de medição ditará a interface de comunicação. Os codificadores incrementais fornecem um fluxo contínuo de pulsos de sinal - um para cada vez que o eixo do codificador gira uma certa quantidade. Eles se destacam no controle de velocidade, pois o controlador pode determinar com precisão a taxa de rotação a partir do intervalo entre os pulsos.

Muitos encoders incrementais transmitem dois sinais de saída, denominados A e B, com uma diferença de fase de 90°, permitindo que o controlador determine o sentido de rotação. Alguns também emitem um sinal Z uma vez a cada rotação em um ângulo de rotação definido. Isso fornece um ponto de referência preciso.

A conexão entre um encoder incremental e seu controlador deve ser ponto a ponto, com um cabo dedicado conectando cada encoder ao seu controlador. As comunicações geralmente são baseadas em um sinal diferencial transmitido por fiação de par trançado, com o número de pares de condutores no cabo dependendo do número de sinais (A, B e Z).

Os drivers de saída nos codificadores devem ser compatíveis com a interface no controlador — os drivers de saída Push-Pull (HTL) ou RS-422 (TTL) são comumente usados. Esses padrões especificam a tensão do sinal.

Sensores de posição absoluta

O restante deste artigo se concentrará em sensores de posição absoluta, como encoders e inclinômetros. Esses dispositivos relatam uma posição medida em um instante específico no tempo, seja como um nível de tensão/corrente (encoders analógicos) ou transmitindo uma palavra digital ou “telegrama” (encoders digitais). Esses dispositivos são ideais para aplicações de controle de posição.

Os sensores analógicos têm uma longa história, com sistemas de controle anteriores usando potenciômetros (resistores variáveis). Mais recentemente, foram introduzidos sensores digitais com conversores D/A integrados. Estes estão disponíveis com saídas de tensão (por exemplo, 0-5 V) ou corrente (por exemplo, 0-20 mA). Eles apresentam conversores D/A programáveis ​​para que uma faixa predeterminada de movimento mecânico (qualquer coisa de uma fração de volta a várias revoluções) possa ser definida para abranger toda a faixa de saída elétrica do sistema (por exemplo, 0-5 V, 0-20 mA ). Isso melhora a precisão e a resolução na amplitude de movimento mais significativa. Os sensores analógicos requerem conexões ponto a ponto, geralmente com fio de bitola relativamente grande para limitar a resistência elétrica.

Os encoders absolutos com interfaces paralelas de bits relatam as medições como uma palavra digital, com um condutor separado para cada bit. A resposta é praticamente instantânea. A conexão é ponto a ponto, normalmente por meio de um cabo tipo fita. Como esse tipo de cabo é relativamente volumoso e inflexível, os sistemas de bits paralelos funcionam melhor em distâncias curtas.

Fiação digital ponto a ponto

Com fiação ponto a ponto, um cabo dedicado vai do controlador para cada sensor individual. As interfaces SSI (Serial Synchronous Interface) e BiSS (Bidirectional Serial Synchronous) para encoders absolutos utilizam sistemas de cabeamento ponto a ponto. São interfaces digitais que podem se conectar diretamente a PLCs ou outros controladores. As conexões SSI oferecem boa velocidade (taxas de clock de até 2 Mhz), alta resolução, cabeamento flexível e comunicação confiável até algumas centenas de metros (embora as taxas de transmissão sejam reduzidas para distâncias maiores). Os protocolos SSI fornecem detecção básica de erros (fio rompido, curto-circuito, consistência de dados).

BiSS é uma versão avançada do SSI que suporta comunicações em tempo real entre dispositivos de controle e sensores/atuadores em servomotores, robôs e outros sistemas de automação. A interface também permite que o controlador defina parâmetros operacionais em dispositivos escravos. Existem várias variantes de BiSS, incluindo BiSS C (comunicações contínuas) e BiSS Line (projetado para configurações que combinam fornecimento de energia e transmissão de dados em um único cabo). Os padrões de interface SSI e BiSS de código aberto não são proprietários, com licenças gratuitas.

As comunicações SSI e BiSS usam conexões ponto a ponto — normalmente RS-422. Vários dispositivos podem ser encadeados para layouts de cabos mais eficientes.

Fieldbus:Sistemas de Fiação de Acesso Compartilhado

A fiação ponto a ponto funciona bem para sistemas com distâncias curtas e um número limitado de dispositivos, mas à medida que o número de sensores aumenta, os layouts de fiação podem se tornar difíceis. À medida que os sistemas automatizados se tornaram mais sofisticados e o número de dispositivos conectados cresceu, vários fabricantes introduziram sistemas fieldbus. Essas redes de recursos são baseadas em uma topologia de barramento, com vários dispositivos compartilhando um backbone de fiação comum. Os sistemas Fieldbus são confiáveis, rápidos e relativamente econômicos. As aplicações variam de transportadores e instalações de fabricação a equipamentos móveis, equipamentos médicos, turbinas eólicas e painéis solares.

Ter vários dispositivos compartilhando um canal de comunicação comum pode causar problemas com os tempos de resposta — quando o tráfego no barramento é intenso, os sensores individuais podem ter suas mensagens atrasadas por um período de tempo imprevisível. Para contornar isso, a maioria dos projetos de fieldbus permite que o operador classifique os dispositivos em ordem de importância. Isso ajuda a garantir que as mensagens críticas recebam tratamento prioritário. A camada física dos sistemas fieldbus é geralmente baseada em cabos de par trançado (por exemplo, EIA-485).

Os padrões de fieldbus populares incluem Controller Area Network (CAN) da Bosch, CANopen, Profibus (Process Field Bus) da Siemens e DeviceNet da Allen-Bradley/Rockwell. DeviceNET, que é amplamente utilizado na América do Norte, combina a camada física CAN com protocolos de nível superior CIP (Common Industrial Protocol). O SAE J1939, que utiliza os padrões de transporte de dados CAN, é otimizado para veículos pesados.

As redes consistem em elementos físicos (fios, conectores e componentes eletrônicos que controlam o fluxo do sinal) e elementos lógicos (que tratam de esquemas, protocolos de comunicação, perfis de dispositivos, etc. implementados em software). No mundo do fieldbus, muitos sistemas usam padrões CAN para definir os aspectos físicos das redes, enquanto protocolos de nível superior — como CANopen, DeviceNet, J1939, etc. — fornecem funcionalidade de ponta a ponta.

Ethernet industrial

A Ethernet industrial usa os mesmos fundamentos técnicos da Ethernet de escritório, mas com aprimoramentos que a tornam mais adequada para condições de fábrica adversas. As unidades de comutação de nível industrial podem apresentar gabinetes resistentes à água e poeira, enquanto muitos dispositivos usam conectores M12 robustos no lugar de conectores RJ45 mais vulneráveis.

Há também atualizações importantes nos protocolos de comunicação. Aplicações industriais - especialmente controle de movimento - geralmente exigem que os controles operem em tempo real, sem nenhum dos atrasos de transmissão imprevisíveis (latência ou jitter) que podem ocorrer em redes Ethernet comuns. Os sistemas Ethernet industriais, como Profinet IRT, EtherNet/IP e Ethernet Powerlink, tratam disso por meio de pilhas de protocolos modificadas e hardware especial que dá acesso prioritário a mensagens críticas à largura de banda da rede. Os componentes especiais necessários para conseguir isso podem aumentar a complexidade e o custo do sistema.

Deve-se notar que, embora a Ethernet ofereça uma visão de um número ilimitado de dispositivos e opções de topologia flexíveis, problemas de desempenho do sistema - especialmente para aplicações de controle de movimento em tempo real - podem exigir compromissos de projeto que reduzam o tráfego local e forneçam caminhos de comunicação diretos para componentes.

O IO-Link é um sistema de comunicação de baixo custo e fácil de implementar, projetado para simplificar as conexões entre fieldbus ou redes Ethernet industriais e sensores ou atuadores simples localizados no chão de fábrica. De um lado de um dispositivo de gateway mestre IO-Link há uma interface para a rede de toda a planta, enquanto o outro lado tem várias conexões ponto a ponto para dispositivos sensores individuais.

A interface IO-Link para dispositivos finais é relativamente simples, eliminando a necessidade de suportar protocolos de comunicação complexos no nível do sensor/atuador. O IO-Link suporta uma variedade de tipos de dados, incluindo dados de medição, instruções de configuração do dispositivo e informações sobre parâmetros de condição de operação, como temperatura.

Comunicação sem fio

As tecnologias sem fio permitem comunicações com máquinas móveis (por exemplo, veículos autônomos guiados) ou equipamentos que devem ser realocados com frequência. Wi-Fi (IEEE 802.11) e Bluetooth são padrões amplamente utilizados para comunicações sem fio de curto alcance. Outros padrões estão disponíveis para comunicações de longo alcance, embora possam ter taxas de bits mais baixas. As redes 5G emergentes prometem altas taxas de dados e baixa latência.

As comunicações sem fio podem ser menos confiáveis ​​do que as conexões com fio em ambientes eletricamente ruidosos e podem não ser adequadas para sinais de feedback altamente dependentes do tempo. No caso de um robô de armazém, por exemplo, um sinal sem fio pode ser usado para instruir a máquina a recuperar o material de um determinado local. No entanto, os sensores para direção, controle de velocidade e prevenção de colisões normalmente seriam conectados ao sistema de controle para garantir uma resposta instantânea e confiável.

Padrões abertos para compatibilidade

Nenhum fornecedor pode fornecer o melhor equipamento para cada parte de um sistema de automação complexo e os fornecedores de tecnologias de rede industrial passaram de sistemas de rede proprietários para o suporte de interface aberta (fornecedor-neutro) e padrões de rede. Com esses padrões, os compradores de equipamentos de controle de movimento podem misturar e combinar componentes certificados por padrões de diferentes fornecedores com a expectativa de que tudo funcione em conjunto.

Organizações importantes de padrões do setor incluem a Open Device Vendors Association , patrocinadores dos padrões DeviceNet e Ethernet/IP; a associação CAN in Automation , patrocinadores dos protocolos CANopen; e Profibus Nutzerorganisation , patrocinadores das interfaces Profibus e Profinet.

Este artigo foi escrito por Christian Fell, gerente geral da FRABA Inc., Hamilton, NJ. Para mais informações, visite aqui .