Os conceitos básicos de tratamento térmico de metais remontam aos primeiros ferreiros. No processo de fazer ferramentas e armas, eles aprenderam:

– Como controlar a temperatura com uma mistura de combustíveis e ar;
– Como avaliar a quantidade de calor através da cor do metal;
– Como a têmpera em água alterou as características de dureza.

Com a chegada da Revolução Industrial, os processos evoluíram com muitos avanços na metalurgia. Um maior nível de controle através de medição de temperatura mais precisa e a quantificação do processo possibilitaram a repetibilidade de formas anteriormente não possíveis. Então, na segunda metade do século XIX, os processos criogênicos e de refrigeração, recentemente desenvolvidos, permitiram que os produtos fossem resfriados a níveis muito inferiores às temperaturas de inverno, independentemente da localização ou estação.

No que se refere ao tratamento térmico, as histórias de fabricação relatam que as relojoarias suíças do século XIX deixavam peças ao ar livre durante o inverno. Quando montados em um dispositivo, estes componentes permitiam que o relógio funcionasse com mais precisão em longo prazo. Na década de 1930, tornou-se comum a prática de congelamento de aço para ferramentas, principalmente porque possibilitou que o metal mantivesse um acabamento. Esses fabricantes provavelmente não entenderam o que estava acontecendo, mas perceberam o resultado.

Muitos avanços de fabricação foram desenvolvidos durante a Segunda Guerra Mundial, mas o uso da criogenia no tratamento de metais ainda estava, em grande parte, na infância. Enquanto os metais congelados a baixas temperaturas apresentaram maior resistência ao desgaste, os processos não foram bem caracterizados.

Assim que os usuários perceberam que o tratamento térmico exigia mais cuidado do que simplesmente jogar as peças que seriam aquecidas em um forno, eles também notaram que os processos criogênicos exigiam calibração e controle cuidadosos.

Controle de tempo e temperatura para tratamento térmico

Muitos processos básicos de tratamento térmico são simples. Outros são muito mais sofisticados, como as peças que são colocadas em um forno acompanhando uma série de ciclos de rampa e patamar. Nessas aplicações, o forno se aquece lenta e uniformemente, oscilando possivelmente a 815°C durante 40 horas. Então, deixa-se na temperatura final durante 80 horas e esfria-se lentamente por mais 20 horas. O controlador monitora a temperatura do forno precisa e deliberadamente através dos ciclos de rampa e o mantém estável em qualquer nível selecionado.

Como a quantidade de peças em uma carga e sua massa combinada pode variar, a quantidade de calor que absorvem também pode variar. Significa que o controlador deve ser capaz de compensar e manter o forno na temperatura ideal, independentemente do tamanho da carga.

Alguns processos envolvem apenas um ciclo de aquecimento ou apenas um ciclo de resfriamento criogênico, mas muitos envolvem ambos. Para obter máxima propagação de temperatura e o tratamento mais ideal de metais, as peças são frequentemente resfriadas e aquecidas seguindo um programa cuidadosamente projetado. Em alguns processos, um controlador pode ter de esfriar e depois aquecer as peças, oscilando de -184 a 204°C durante um período de 10 horas em uma forma linear.

Quando um processo de tratamento térmico exigir temperaturas baixas e altas, ele proporciona desafios complexos para o controlador. O controle de um processo a frio – seja em forno criogênico ou congelador horizontal – tem algumas diferenças críticas em relação ao controle de um forno de tratamento térmico padrão em temperaturas bem acima de 537°C. Estes fatores críticos afetam o desempenho de um controlador de temperatura, quando estão envolvidas temperaturas sub-zero.

Esses fatores devem ser considerados quando se aplica o mesmo controlador para executar as etapas de aquecimento e resfriamento. Embora a tecnologia pareça semelhante ao aquecimento, as características do processo são muito diferentes.

Fabricantes de fornos criogênicos e câmaras ambientais muitas vezes usam o método menos dispendioso de remoção de calor do processo e peças individuais. Ao iniciar a partir de uma temperatura ambiente típica, o uso de um líquido criogênico é caro e nem sempre necessário. Um congelador mecânico básico pode proporcionar a primeira fase de resfriamento para reduzir a quantidade de fluido criogênico utilizado. Naturalmente, significa que o controlador deve ser capaz de lidar com vários estágios de resfriamento no processo. Em situações onde as temperaturas mais baixas são necessárias, podem estar envolvidos vários tipos de processos criogênicos.

Assim como as peças podem ser aquecidas compreendendo um período de rampa específico, elas devem ser conduzidas até sua temperatura final a uma taxa de controle em aplicações criogênicas. A oscilação muito rápida pode sabotar a microestrutura desejada no metal. Um dispositivo de controle com um bom algoritmo e gerenciamento de padrão de set-point é necessário para manter a taxa de rampa específica e necessária para um processo bem sucedido.

Utilizando o PID para Ambas as Direções

Um problema comum com o uso de um controlador para ambos os processos é a diferença entre o funcionamento dos modos de aquecimento e resfriamento. A diferença afeta como a sintonia do loop deve ser configurada. Para muitos controladores, o resfriamento é uma reflexão tardia, e eles não têm total habilidade do PID para controlar o lado de resfriamento.

Para muitos controladores de calor/frio, a temperatura mais baixa esperada é -18°C, de modo que o algoritmo de resfriamento é um subconjunto do controle de aquecimento. Isso funciona bem para recipientes revestidos usando vapor e um líquido de resfriamento, como um tanque de fermentação em uma cervejaria. Para processos criogênicos, no entanto, o controlador precisa de uma estratégia PID e um mecanismo completamente separados para controlar a temperatura perto do set-point.

Loops de aquecimento típicos só podem deslocar a temperatura do processo para cima porque o elemento de controle é um aquecedor. Se a temperatura for muito alta, o controlador desliga o aquecedor e espera até que a temperatura fique dentro da faixa especificada. Quando as opções de aquecimento e resfriamento estão acessíveis, um controlador mal ajustado pode reagir exageradamente, quando uma temperatura estiver muito alta durante um ciclo de aquecimento, e ativar o resfriamento criogênico. Na pior das hipóteses, pode até começar a oscilar entre ciclos de aquecimento e resfriamento, o que pode causar choques térmicos desastrosos para as peças que estão sendo tratadas ou tornar-se um grande desperdício de energia e processo criogênico.

Quando o forno atinge seu set-point – quente ou frio – e a saída é alternada entre calor e frio, a sintonia precisa ser ajustada. A maioria das sintonias automáticas não funciona bem, a menos que seja sofisticada o suficiente para perceber as diferenças entre as funções de aquecimento e resfriamento. Normalmente, a sintonia deve ser ajustada independentemente.

Desafios do Resfriamento Criogênico

O conceito de aquecimento latente raramente é considerado em situações mais convencionais. Quando se utiliza um líquido criogênico para resfriar as peças, as alterações no calor latente, que permanecem no ambiente e nas peças, podem tornar difícil uma temperatura se manter estável. Conforme o nível de latência muda, as dinâmicas do sistema mudam. Como resultado, o controlador deve ajustar como isso responde ao forno, mesmo que a temperatura seja a mesma. Um controlador eficaz minimizará a quantidade utilizada de fluido criogênico ajustando as variáveis do PID ou utilizando um tipo de lógica fuzzy para responder às condições de alteração, que também irá apresentar um produto melhor.

Medir temperaturas criogênicas pode representar desafios. O sensor de temperatura escolhido em processos de tratamento térmico a quente e a frio, é quase sempre um termopar. Claro que existem vários tipos de termopares e a seleção merece séria consideração. Muitos tipos de termopares são classificados para temperaturas sub-zero, mas as especificações podem não contar toda a história. A precisão e sensibilidade de diferentes tipos de termopares começam a divergir quando se tenta medir em faixas criogênicas.

Se a leitura da temperatura tornar-se menos confiável, a capacidade para controlar com precisão será reduzida. Isso é um problema porque os fabricantes contam com a repeti- bilidade dos processos de tratamento térmico para manter a consistência de lote a lote. As tolerâncias críticas para peças usinadas com precisão podem ser interrompidas pelo processamento de inconsistências.

Infelizmente, conforme a temperatura cai acontece o mesmo com a sensibilidade dos termopares. A extensão da alteração varia de acordo com o tipo de termopar. Os tipos de pequenos sinais de milivolts produzidos em uma temperatura criogênica podem tornar uma leitura precisa praticamente impossível. Para piorar as coisas, o pequeno sinal de um termopar é mais suscetível a ruídos do que um sinal gerado a uma temperatura mais alta. Assim, o monitoramento de ruídos e técnicas de interligação adequadas são especialmente críticos.

Além disso, muitos controladores e registradores de processo não foram projetados para operar em faixas de temperatura criogênica. O firmware do controlador normalmente converte um sinal de termopar em uma temperatura, usando uma curva ou tabela de consulta para converter o valor de milivolt em uma temperatura. Deste modo, o controlador que está sendo avaliado deve ser capaz de lidar com valores tão baixos. A faixa de operação mais baixa dos termopares deve ser incluída nos instrumentos, e será particularmente crítico se as curvas Tipo E ou T estiverem presentes. Essas curvas são frequentemente utilizadas em aplicações criogênicas.

Controlar o ambiente do forno nem sempre é fácil, dependendo da temperatura desejada. Quando se utiliza um gás liquefeito como fluido criogênico, pode levar o ambiente até ao ponto de ebulição do gás se for alimentado continuamente para dentro da câmara, até que todo o calor latente seja removido. O ponto de ebulição do nitrogênio líquido é -196°C.

Se for desejável alguma temperatura mais elevada, por exemplo, -101°C, o controlador deve manter a temperatura injetando fluido criogênico intermitentemente. Para os usuários mais acostumados a processos aquecidos, a ação de resfriamento de um processo criogênico é significativamente mais rápida que o aquecimento com aquecedores elétricos ou à gás natural, o que requer diferentes estratégias de controle.

Conclusão

O tratamento térmico criogênico, utilizado sozinho ou em conjunto com processos aquecidos, pode fornecer ferramentas úteis aos fabricantes. As estratégias para controlar essas temperaturas representam desafios significativos para aqueles que se deslocam neste território desconhecido. Os fornecedores podem ajudar, mas devem ter experiência específica em processo criogênicos, bem como produtos para atender a estas aplicações desafiadoras.

Para mais informações: Clayton Wilson, Gerente de produtos, instrumentos de controle para a Divisão de Instrumentos de Controle da Yokogawa Corp. of America, Newman, Georgia – Eua; tel: +1 800-888-6400; e-mail: clayton.wilson@us.yokogawa.com; web: www.yokogawa.com/us.

Tradução gentilmente realizada por Cassius Magdo de Barros, Gerente Engenharia de Aplicações PCI/Netsol/System da Yokogawa Brasil; tel: (11) 3513-1428/ (11) 97413-5071; e-mail: cassius.barros@br.yokogawa.com; site: www.yokogawa.com.br.

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A necessidade de medir com precisão e controlar os equipamentos de processo é uma exigência nas atuais plantas de automação modernas. A instrumentação é o cérebro das plantas e as fiações e sensores são os nervos que ligam as áreas remotas dos processos para o cérebro. A instrumentação controla e monitora a operação do equipamento na fábrica. Em muitos casos, os sinais que estão a ser monitorizados são em range de Milivolts. Para tirar o máximo proveito dos sinais de controle que estão sendo lidos nos processos, a integridade do sinal deve ser mantida a partir do processo até os instrumentos.

Muitos gerentes não pensam duas vezes para comprar instrumentos de qualidade para o processo, independente do valor, mas pouca atenção é dada à fiação que leva o sinal do processo a esses instrumentos. Em instalações novas, o custo do cabeamento pode ser uma porcentagem significativa do pacote de instrumentação.

Se a fiação adequada é ignorada, qualquer ganho esperado com a compra de novos instrumentos pode ser comprometido pelo ruído indesejado nos cabos de sinais. Em instalações existentes onde o desempenho pode ser comprometido pelo ruído do sinal, tem como saída fazer upgrade dos instrumentos, que mesmo sendo de boa qualidade pode mascarar o problema, porém, pode ser um desastre devido ao budget disponível para o instrumento.

Manter a integridade dos sinais de controle deve ser a meta principal de qualquer instalação de instrumentação.

O Ambiente da Medição Industrial

Os instrumentos muitas vezes ficam localizados ao lado de fornos ou pelo menos no chão de fábrica. O que faz destas áreas um problema é o campo elétrico que o equipamento fica exposto. Infelizmente, estas são as áreas que as variáveis do processo devem ser medidas. Os sensores do processo e fios associados ficam próximos dos equipamentos com severos campos elétricos, como motores de contato ou expostos a descargas eletrostáticas de equipamentos de solda, e a fiação muitas vezes pode ter centenas de metros, aumentando a probabilidade de interferência elétrica, afetando o sinal.

As salas de controles são ideais para os sinais, mas contêm alta quantidade de computadores, sinais de rádios bidirecionais e outros equipamentos eletrônicos que aumentam a porcentagem de degradação da qualidade do sinal. Há fenômenos naturais e muitos equipamentos que podem interferir com os sinais de medição. Os equipamentos geram uma zona de perigoso para a instrumentação existente, onde os sinais passam através dela.

Uma vez que este perigo no ambiente normalmente não pode ser eliminado, os efeitos que tem sobre instrumentação podem ser entendidos, por isso podem ser isolados e os seus efeitos podem ser removidos ou pelo menos minimizados.

Entendemos como sinais de áudio com equipamento alta-fidelidade devem ser tratados para alcançar a melhor qualidade de som. No processo de instrumentação não é diferente, precisamos compreender as possíveis maneiras que o ruído afeta o seu sistema de controle, assim podemos tomar as medidas necessárias para evitar estes problemas.

Alguns Métodos para Garantir a Qualidade do Sinal

A maneira mais fácil para garantir uma boa integridade do sinal é empregar o uso de condicionadores de sinal. Condicionadores de sinais desempenham um papel importante na instrumentação, assegurando que os mesmos sinais medidos pelos sensores no campo estão sendo transmitidos exatamente iguais para o controle dos instrumentos, representando exatamente as mesmas condições do processo. O longo percurso do cabo entre o processo e controle dos instrumentos para transmissão do sinal oferece uma alta porcentagem de interferência eletromagnética que degrada o sinal de controle.

Condicionadores de sinais fornecem duas principais funções primárias: manter a integridade do sinal e isolar o sinal. Ainda que um único instrumento possa fornecer ambas as funções, existem funções distintas e individuais que cada um oferece. O uso mais comum de um condicionador de sinal é a conversão do sinal, e a mais comum é a conversão de qualquer sinal do processo para 4-20 mA.

O loop de corrente 4-20 mA é um sinal muito robusto, praticamente imune ao ruído. É o método preferido para transmissão de sinais a longa distância.

Por que um circuito de 4-20 mA tem boa imunidade ao ruído? Em virtude do transmissor.

Em todos os componentes resistivos, a queda de tensão no circuito é proporcional à percentagem da resistência total do circuito. Quanto mais loop de resistência o componente tem, maior a queda de tensão o circuito terá – Lei de Ohm.

Cada saída de corrente do transmissor tem uma resistência que contribui para o circuito. Em proporção para o loop de resistência, a impedância de entrada do transmissor pode ser considerada como infinita.

A saída de resistência típica de um transmissor deve ser em torno de 3 a 5M?, loop de resistência fixada em 250?. Sob condições normais, o transmissor está atuando como fonte de corrente e sua resistência não é levada em conta quando há queda de tensão. Quando uma fonte de tensão é adicionada ao loop (por exemplo, o ruído inesperado), a tensão é interrompida em cada um dos resistores do circuito em proporção a sua resistência.

Se recordarmos do teorema de superposição, a resistência do transmissor de 5M? é uma carga resistiva no circuito em relação ao ruído. O condicionador de sinal torna-se um componente passivo no circuito e absorve mais tensão do ruído com a carga de 5M?, considerando que a resistência de 250? recebe apenas uma pequena fração, por exemplo, se a tensão do ruído gerar 100 volts. Segundo a lei de Ohm, o condicionador de sinal deve absorver 99,995 volts, considerando que o instrumento receberá 5 mV, isto é, 1/200 do valor mínimo que pode ser medido através do resistor de 250 ? em um circuito de 4 a 20 mA, não há maneira melhor de eliminar ruídos do processo do que converter os sinais de transmissão para 4 a 20 mA.

Cabos

A integridade do sinal pode ser afetada pelos cabos ou práticas de aterramento. A utilização de cabo de par trançado fornece um nível significativo de proteção contra ruído, que pode ser proveniente para fora do processo. Neste tipo de cabeamento, um par de condutores é torcido com o propósito de cancelar a interferência eletromagnética externa. Uma vez que o ruído é captado pelo fio ao longo do seu caminho para o painel de controle, afeta ambos os fios iguais, mas de uma forma oposta, um bom dispositivo de controle é capaz de filtrar o ruído e rejeitar o sinal. Isto é chamado de modo de rejeição comum.

Utilizar um único conduite para toda a fiação é tentador. O melhor conselho para isso seria: “Não faça isso!”. Esta prática é um convite para os problemas.

O acoplamento magnético ou tensões induzidas devido à proximidade de alta tensão e correntes próximas ao cabo de sinal podem induzir tensões muito elevadas. Estas tensões podem, no mínimo, interferir em seu processo e danificar os instrumentos. A maioria dos condicionadores de sinais possui circuito de proteção na entrada para evitar danos devido a esses transientes elevados.

Loop de Terra

Os loops de terra são os problemas de ruídos mais comuns em grande escala do sistema elétrico, resultado de práticas de aterramento ruins. É um grande equivoco pensar que o aterramento na terra em um local possui o mesmo potencial que o aterramento na terra em outro local. Aterramento é um conceito elétrico muitas vezes incompreendido. Um raio poderia causar este potencial saltar várias centenas de volts.

Caso os instrumentos estejam aterrados em locais diferentes da planta onde esse potencial exista, poderia ser facilmente checado por meio do teste de loop de terra, caso o sistema não possua nenhum tipo de isolamento. O ruído gerado pelo loop de terra pode gerar estragos no sistema. Um sinal comum no loop de terra é a presença de ruído de 60 Hz induzido no circuito, que pode ser facilmente medido no voltímetro.

Uma forma de eliminar os loops de terra é empregar o conceito single-ground onde os loops de terra podem ser gerados. Todos os aterramentos possuem o mesmo ponto. Geralmente feito por barras de aterramento, por vezes, pode não ser prático devido à instalação do barramento, e neste momento utilizamos o condicionador de sinal para isolamento.

Um isolador é a maneira mais fácil de eliminar os problemas de loops de terra. Em termos mais simples, o isolamento interrompe a corrente que circula entre os diferentes potenciais no aterramento. Isto é, realizado por um componente eletroeletrônico, como um transformador ou condicionador de sinal, para interromper as conexões fisicamente conectadas nos dois aterramentos. Enquanto o isolador interrompe o circuito de loop de terra, permite que o sinal de controle passe sem ruídos. O isolamento possui o melhor método custo-benefício para remoção de ruídos e transientes causados pelo loop de terra.

Raio

Um raio próximo ao processo pode causar danos consideráveis aos instrumentos. A descarga pode gerar milhares de volts e amperes no cabo de sinal e alimentação. Tipicamente, quanto mais o sensor e instrumento estão separados, aumenta o comprimento do cabo, maiores são as chances de ocorrer um acoplamento capacitivo do raio, aumentando a tensão e corrente.

Em situações nas quais os equipamentos escapam da destruição de um raio, o funcionamento do circuito pode estar comprometido e pode começar a deteriorar. Um para-raios é um condicionador de sinal que é usado para desviar a tensão que pode ser suficiente para danificar a instrumentação. Quando corretamente instalado, o para-raios redireciona os picos prejudiciais para a terra. Com a capacidade de suportar 10.000 V e até 5.000 A, não teremos a desagradável tarefa de substituir o equipamento depois de uma tempestade.

Ou seja, o para-raios é um interruptor que desvia altas tensões e correntes para terra, há muitas tecnologias que desempenham o papel desse interruptor, como um comum transistor de oxido de metal (MOSFET). Um MOSFET é um semicondutor sensível à tensão. Em operações de voltagem normais, o MOSFET atua como um isolador e não conduz corrente. Em tensões mais elevadas, o MOSFET atua como um condutor, esta tensão é determinada pelo fabricante.

Na instrumentação moderna usa-se uma grande variedade de medidores com diferentes níveis de tensão. A utilização do uso geral do para-raios irá fornecer alguma proteção, mas não uma proteção excepcional. Os para-raios são projetados para trabalhar com uma entrada de sinal especificada e com determinada tensão e requisitos. Os requisitos operacionais para proteção do circuito de alimentação podem ser diferentes da proteção de um termoelétrico ou conexão de internet IP. Selecionando um para-raios adequado, a integridade do sinal é mantida, bem como a proteção sólida para o instrumento.

Conclusão

Os valores gastos com os equipamentos são altos para proporcionar os melhores resultados para o cliente final. As sondas, sensores e instrumentação são projetados para operar em máximo desempenho, que pode ser prejudicado pela menor interferência. Implementar uma estratégia contra o ruído no ambiente é a diferença entre um bom processo e um processo excepcional, é algo que deve ser exigido para instalações dos sistemas. Os condicionadores de sinais são a última etapa que permite a melhor qualidade e desempenho no investimento.

Tradução gentilmente cedida por Yokogawa do Brasil; (11) 3513-1403; Thalita Alves; thalita.alves@br.yokogawa.com.

Para mais informações: Contate Clayton Wilson, Yokogawa Corporation of America; +1 678-423-2524; clayton.wilson@us.yokogawa.com; www.us.yokogawa.com.

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Existem vários métodos de se comunicar com a instrumentação, mas qual é o melhor para minha aplicação? Espero que este artigo esclareça e dê a você uma boa indicação sobre qual o caminho a seguir.

Protocolos Proprietários

Em muitos casos, os únicos protocolos que estão disponíveis são protocolos proprietários do fabricante, sobre o RS232 ou o RS485. Para alguns fabricantes de instrumentos, isto é tão bom quanto pode ser, se você precisasse de dados do seu dispositivo. Para implementar este tipo de protocolo, existem algumas opções para coletar dados do processo. A primeira é usar software proprietário do vendedor. Isso é bom, desde que este fornecedor tenha software e este seja de alta qualidade e bem escrito, o que em muitos casos não ocorre.

A segunda opção é criar o seu próprio software. Esta escolha é o último recurso se não existir um software do fabricante ou se os dados devem ser coletados por um sistema SCADA estabelecido (Supervisory Control and Data Acquisition – Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados). Esta é uma maneira dolorosa de usar os recursos de comunicação em seus instrumentos, e, se equipamentos de múltiplos fornecedores estiverem em seu chão de fábrica, escrever e manter múltiplos drivers é um trabalho de tempo integral. Uma empresa, vendo toda a desordem dos vários protocolos proprietários no mercado, assumiu o desafio de trazer muitos dos protocolos mais comuns em um único e útil pacote SCADA. A SpecView Corporation de Gig Harbor, Washington, pegou toda esta mistura e tornou simples para os donos de indústrias coletarem dados de um instrumento e armazená-los em um local. A SpecView é uma salvação para muitos fabricantes de instrumentos, que agora têm pacote SCADA com preço razoável para oferecer aos seus clientes, que irão trabalhar com seus protocolos existentes.

OPC é outra ferramenta para obtenção de dados de instrumentos no chão de fábrica. É uma plataforma comum na qual múltiplos servidores de instrumentos podem colocar os seus dados, para que clientes de software do Windows compatível com a OPC possam coletá-los. O principal objetivo da especificação foi eliminar a necessidade de que fornecedores de aplicação para clientes desenvolvessem drivers de comunicação proprietários que coletassem dados de vários instrumentos. Muitos fornecedores oferecem OPC compatível com servidores para seus instrumentos. Usando o OPC, conectar qualquer pacote de software e qualquer driver de instrumento em conjunto é simples, desde que sejam compatíveis com ela.

“Eu quero um protocolo Ethernet”

Um ponto de confusão para muitas pessoas é a diferenciação entre a conexão física e o protocolo de comunicação. Ao especificar o tipo de comunicação da sua rede, tem que ser tratados tanto o tipo de conexão quanto o protocolo. Muitos protocolos irão operar por mais de uma camada física; a camada física é a conexão que os instrumentos usam para as comunicações. Por exemplo, o protocolo Modbus pode operar sobre o RS485 (Modus RTU) e a camada física Ethernet (Modbus TCP / IP), enquanto o CIP (Communications and Information Protocol – protocolo de comunicação e informação) opera sobre a Ethernet (Ethernet / IP) e a conexão física CANbus (DeviceNET).

Em termos simples, as diferenças entre a conexão física e o protocolo podem ser vistas em algo tão simples como uma chamada telefônica. Ambas as partes devem ter um telefone para estabelecer uma conexão física entre os dois. Isso seria uma representação do RS232, RS485, fibra ou Ethernet. Agora que a conexão física está estabelecida, o protocolo representaria o idioma de cada uma das pessoas. Se as duas pessoas estiverem falando inglês através do telefone, as informações poderão ser trocadas. Se uma pessoa estiver falando francês e a outra japonês, nenhum dado é trocado. Os protocolos industriais comuns são o Modbus, CIP, CC-Link e BACnet.

O Modbus é atualmente o protocolo mais comumente utilizado em aplicações industriais. Este protocolo foi publicado em 1979 pela Modicon para uso com os seus PLCs, mas agora é administrado pela Modbus Organization. O Modbus foi e ainda é de fato o padrão para protocolos de comunicação industrial. Quase todos os fornecedores de instrumentos estão usando a comunicação Modbus, de uma forma ou de outra. Uma das razões para isto é que o Modbus tem um projeto bastante simples e é fácil de ser implementado. O protocolo é projetado para transmitir apenas dados de 16-bit inteiros entre dispositivos na mesma rede. Isso significa que os dados são simples e as mensagens são curtas. Esta simplicidade permite comunicações robustas e confiáveis.

Existem vários padrões Modbus, mas dois são os mais comuns: Modbus RTU, que transmite em conexões físicas RS232/485 e Modbus TCP / IP, que utiliza a Ethernet. Instrumentos usando Modbus RTU empregam uma técnica mestre-escravo para a comunicação entre eles. Um dispositivo, o Modbus mestre, age como o maestro na rede, controlando todos os dados que são transportados pelo bus. Este mestre irá consultar os dispositivos na rede para obter informações, tais como a variável de processo ou o status de alarme. Ele também pode passar novos dados para os escravos, como um novo valor ou uma mudança no modo de operação.

Este dispositivo é tipicamente um PLC, registrador de dados ou pacote de software SCADA que precisa dos dados para completar a sua função essencial de armazená-los, controlando o processo ou usando os dados para concluir outras funções no sistema. Dispositivos escravos são tipicamente elementos, tais como controladores de temperatura, medidores de potência ou condicionadores de sinal que normalmente desempenham as suas funções primárias enquanto esperam por uma consulta Modbus do mestre. Em relação ao mestre, o escravo não tem outras funções, além de responder aos seus comandos Modbus. O Modbus RTU é excelente para aplicações onde todos os dispositivos estão em uma pequena área, um painel ou até mesmo uma pequena oficina. Tudo o que é necessário para conectar os instrumentos é um cabo de par trançado. Algumas indústrias têm ligado instalações maiores com cabo RS485 para o Modbus, mas há uma solução melhor se uma rede de área ampla for necessária – o Modbus TCP / IP.

O Modbus TCP / IP usa um esquema cliente-servidor para o gerenciamento de dados, que é um pouco diferente do mestre-escravo. Com o Modbus RTU, o dispositivo mestre é responsável por gerenciar o fluxo de todos os dados na rede. Com o Modbus TCP / IP, o fluxo de dados é controlado pelos protocolos TCP / IP embutidos em roteadores, switches e servidores na rede. O TCP / IP não é outro protocolo industrial, mas um conjunto de regras para a transmissão de pacotes de dados de um computador ou dispositivo em uma rede para outro. Com o TCP / IP, um dispositivo pega um pedaço de dados, cerca-o com informações de endereçamento chamado de envelope e envia-o para a rede. O protocolo TCP / IP garante que os dados vão chegar ao seu destino final.

Isto é semelhante a endereçar uma carta e enviá-la. O endereço que está escrito no envelope tem o destino final do pacote. O sistema postal tem a infraestrutura para retirar, classificar e entregar milhões de peças de correspondência diariamente, em um processo que é quase totalmente automatizado. O TCP / IP faz a mesma coisa, mas muito mais rápido e tem muito mais dados empacotados.

Uma vez que o fluxo de dados já não tenha de ser gerido por um dispositivo mestre, algumas coisas mudam. Os pedidos de informação podem vir de várias fontes ao mesmo tempo. Os dispositivos que solicitam dados são chamados de clientes. Assim como os mestres, eles podem ser PLCs, sistemas de aquisição de dados ou pacotes SCADA. Os escravos RTU anteriores são agora os servidores no mundo TCP / IP, basicamente fazendo a mesma coisa – responder a consultas da rede. O que é diferente nesta configuração é que um instrumento pode ser tanto um cliente e servidor ao mesmo tempo, fornecendo dados para outros clientes e coletando dados de outros servidores. Alguns fornecedores, como a Yokogawa, fornecem instrumentos e registradores de dados com esta capacidade. O Modbus TCP / IP é ótimo para qualquer aplicação, mas se destaca onde a implementação precisa ser rápida e simples e uma infraestrutura Ethernet já existe na instalação. A distância não é um problema porque a maioria das intranets e a Internet usam o protocolo TCP / IP. Clientes e servidores não precisam estar no mesmo prédio ou até mesmo município, mas podem trocar dados facilmente. Esta facilidade de uso e flexibilidade impulsionou o Modbus TCP / IP para o local mais importante das redes industriais.

O protocolo industrial comum – Common Industrial Protocol (CIP) – foi desenvolvido pela Rockwell Automation para uso em seus PLCs. Eles abriram o protocolo, que agora é administrado pela ODVA. Este protocolo está se tornando um dos mais utilizados na indústria atual dos EUA, devido a uma grande base instalada de PLCs Allen Bradley e do número de fabricantes de instrumentos que suportam o protocolo. O CIP é implementado através de várias conexões físicas: conexão RS485 CAN (DeviceNet), Ethernet (Ethernet IP) e Coax (ControlNet).

Ao contrário da simplicidade do Modbus, o CIP é muito mais complexo em sua operação, mas oferece capacidades-chave que permitem aos usuários determinarem quais informações são necessárias e quando. Os dados podem ser trocados entre as unidades em várias redes CIP independente da conexão física. O CIP usa um grupo abrangente de mensagens implícitas / explícitas e objetos de aplicação para agrupar informações, configurar dispositivos, coletar dados e diagnosticar problemas. Os dados podem ser facilmente organizados para que as informações necessárias para a fabricação possam ser separadas da informação necessária para o front office. Quando implementado adequadamente, o CIP pode ser uma maneira muito eficiente de operar um processo de produção.

Protocolo CC-Link

O CC-Link é um protocolo desenvolvido pela Mitsubishi no final de 1990 para utilização com os seus PLCs. Logo depois, a Mitsubishi abriu o protocolo e o lançou ao público. Muitos fornecedores de equipamentos adotaram o protocolo, mas estes fornecedores normalmente servem os mercados asiáticos. A maioria das aplicações para este protocolo será encontrada no controle de máquinas ou automação de processos em instalações de manufatura. O protocolo CC-Link vem em vários formatos em que a velocidade e a função os diferenciam uns dos outros. As conexões físicas primárias entre estes protocolos são a RS485 e a Ethernet, que apoia seus populares protocolos CC-Link e CC-Link IE, assim como seus outros protocolos, que também rodam nestas ligações. A CC-Link é a melhor utilizada quando uma rede existente CC-Link está atuando ou quando se usa um PLC Mitsubishi.

Protocolo BACnet

O BACnet é um protocolo utilizado na construção de aplicações de controle e automação, que permite que diferentes elementos e sistemas utilizados em prédios comerciais – como HVAC, termostatos, sensores de movimento, relâmpago, detecção de segurança e fumaça – trabalhem todos juntos na mesma rede. Inicialmente, o BACnet foi implementado em múltiplas camadas físicas, tais como fios de telefone, RS232/485 ou cabos coaxiais. Hoje, é exclusivamente aplicado sobre a Ethernet. O BACnet normalmente não é um protocolo que iria ser implementado em um processo industrial, mas você pode aplicá-lo caso já tenha o mesmo na sua instalação, bem como você esteja utilizando instrumentação que usa esse protocolo.

Conclusão

Esta não é de maneira nenhuma uma lista completa dos protocolos disponíveis no mercado. A seleção de um protocolo para a sua aplicação particular será baseado em muitos fatores, incluindo o hardware existente em suas instalações, os tipos de dados e diagnósticos que você precisa, e os conhecimentos técnicos que estão disponíveis para que você projete e implante um sistema de comunicações. Em minha opinião, um Modbus TCP / IP é a escolha lógica, se tudo permanecer como está. É suportado pela maioria dos fornecedores de instrumentos e software, é simples de ser entendido e configurado, pode usar uma infraestrutura de Ethernet existente e é extremamente confiável para a coleta de informações básicas do processo. Muitos recursos estão disponíveis on-line explicando este protocolo e muitos fabricantes de instrumentos como a Yokogawa, estão dispostos a ajudá-lo com sua configuração Modbus TCP / IP e suas questões de implantação.

Para mais informações, contate: Clayton Wilson; clayton.wilson@us.yokogawa.com. Revisão de tradução gentilmente cedida por Denise Zanirato Thome Nardocci; denise.nardocci@br.yokogawa.com.

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