Conectando Sistemas de Controle: Interfaces de Comunicação Confiáveis para Sensores de Posição e Movimento

Interfaces de comunicação fornecem o elo fundamental entre sensores (os "nervos" de um sistema de controle) e controladores (o "cérebro"). Uma impressionante variedade de tecnologias de comunicação foi introduzida para fornecer este elo, geralmente com recursos e capacidades adaptados a um certo tipo de sistema de controle. Vamos olhar para algumas tecnologias de comunicação amplamente usadas 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. Encoders incrementais entregam um fluxo contínuo de pulsos de sinal — um para cada vez que o eixo do encoder 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 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 a direção de rotação. Alguns também emitem um sinal Z 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. A comunicação geralmente é baseada em um sinal diferencial transmitido sobre 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 encoders devem ser compatíveis com a interface no controlador — 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 focará em sensores de posição absoluta, como encoders e inclinômetros. Estes dispositivos reportam 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). Estes dispositivos são ideais para aplicações de controle de posição.

Sensores analógicos têm uma longa história, com sistemas de controle anteriores usando potenciômetros (resistores variáveis). Mais recentemente, sensores digitais com conversores D/A embutidos foram introduzidos. Estes estão disponíveis com saídas de tensão (ex., 0-5 V) ou corrente (ex., 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 múltiplas revoluções) possa ser definida para abranger a faixa total de saída elétrica do sistema (ex., 0-5 V, 0-20 mA). Isso melhora a precisão e resolução sobre a faixa de movimento mais significativa. Sensores analógicos requerem conexões ponto a ponto, frequentemente com fio de bitola relativamente grande para limitar resistência elétrica.

Encoders absolutos com interfaces bit-paralelo reportam medições como uma palavra digital, com um condutor separado para cada bit. A resposta é virtualmente instantânea. A conexão é ponto a ponto, tipicamente através de cabo tipo fita. Como este tipo de cabo é relativamente volumoso e inflexível, sistemas bit-paralelo funcionam melhor em curtas distâncias.

Fiação Ponto a Ponto Digital

Com fiação ponto a ponto, um cabo dedicado vai do controlador para cada sensor individual. Interfaces SSI (Serial Synchronous Interface) e BiSS (Bidirectional Serial Synchronous) para encoders absolutos usam sistemas de fiação ponto a ponto. Estas são interfaces digitais que podem conectar diretamente a PLCs ou outros controladores. Conexões SSI oferecem boa velocidade (taxas de clock até 2 MHz), alta resolução, cabeamento flexível e comunicação confiável até algumas centenas de metros (embora taxas de baud sejam reduzidas para distâncias maiores). Protocolos SSI fornecem detecção básica de erro (fio quebrado, 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 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). Padrões de interface SSI e BiSS open-source são não proprietários, com licenças sem custo.

Comunicações SSI e BiSS usam conexões ponto a ponto — tipicamente RS-422. Vários dispositivos podem ser encadeados em série (daisy-chained) para layouts de cabo 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, layouts de fiação podem se tornar difíceis. À medida que sistemas automatizados se tornaram mais sofisticados e o número de dispositivos conectados cresceu, vários fabricantes introduziram sistemas fieldbus. Estes apresentam redes baseadas em uma topologia de barramento, com múltiplos dispositivos compartilhando um backbone de fiação comum. Sistemas fieldbus são confiáveis, rápidos e relativamente custo-efetivos. Aplicações variam de transportadores e instalações de manufatura a equipamentos móveis, equipamentos médicos, turbinas eólicas e painéis solares.

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

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

Redes consistem de elementos físicos (fios, conectores e componentes eletrônicos que controlam o fluxo de sinal) e elementos lógicos (que esquemas de endereçamento, protocolos de comunicação, perfis de dispositivo, etc. que são 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 ponta a ponta.

Ethernet Industrial

Ethernet Industrial usa os mesmos fundamentos técnicos do Ethernet de escritório, mas com melhorias que o tornam mais adequado a condições severas de fábrica. Unidades de switch de grau industrial podem apresentar gabinetes robustos à prova d'água e poeira, enquanto muitos dispositivos usam conectores M12 robustos no lugar de conectores RJ45 mais vulneráveis.

Também há atualizações importantes nos protocolos de comunicação. Aplicações industriais — especialmente controle de movimento — frequentemente requerem controles para operar em tempo real, sem os atrasos de transmissão imprevisíveis (latência ou jitter) que podem ocorrer em redes Ethernet comuns. Sistemas Ethernet Industrial como Profinet IRT, EtherNet/IP e Ethernet Powerlink abordam isso através de stacks de protocolo modificados e hardware especial que dão mensagens críticas acesso prioritário à largura de banda da rede. Os componentes especiais necessários para alcançar isso podem adicionar complexidade e custo ao sistema.

Deve-se notar que, embora Ethernet ofereça uma visão de um número ilimitado de dispositivos e opções de topologia flexíveis, questões de desempenho do sistema — especialmente para aplicações de controle de movimento em tempo real — podem requerer compromissos de design que reduzem tráfego local e fornecem caminhos de comunicação diretos para componentes críticos.

IO-Link é um sistema de comunicação de baixo custo, fácil de implementar, projetado para simplificar conexões entre redes fieldbus ou Ethernet industrial e sensores ou atuadores simples localizados no chão de fábrica. Em um lado de um dispositivo gateway mestre IO-Link está uma interface para a rede da planta, enquanto o outro lado tem múltiplas 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. IO-Link suporta uma variedade de tipos de dados, incluindo dados de medição, instruções de configuração de dispositivo e informações sobre parâmetros de condição operacional, como temperatura.

Comunicações Sem Fio

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

Comunicações sem fio podem ser menos confiáveis que conexões cabeadas 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 material de uma localização particular. No entanto, sensores para direção, controle de velocidade e evasão de colisão seriam tipicamente cabeados ao sistema de controle para garantir resposta confiável e instantânea.

Padrões Abertos para Compatibilidade

Nenhum único fornecedor pode fornecer equipamento best-in-class para cada parte de um sistema de automação complexo e fornecedores de tecnologias de rede industrial mudaram de sistemas de rede proprietários para suportar padrões de interface e rede abertos (neutros em relação a fornecedores). Com esses padrões, compradores de equipamentos de controle de movimento podem misturar e combinar componentes certificados por padrões de diferentes fornecedores com a expectativa de que tudo funcionará junto.

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

Este artigo foi escrito por Christian Fell, Gerente Geral na FRABA Inc., Hamilton, NJ. Para mais informações, visite aqui .