monitoramento de sensores em uma rede industrial
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1. KXL CONGRESSO BRASILEIRO DE EDUCA O EM ENGENHARIA 03 a 06 de Setembro PA c Figura 14 a Bloco contador b Bloco temporizador c Bloco comparador 4 2 Monitoramento do sensor indutivo Pentakon Para verificar esses valores das vari veis no sensor Pentakon de proximidade pode se passar uma pe a de metal pr ximo ao mesmo e perceber qual entrada mudar de estado A an lise das entradas e sa das com seus respectivos endere os muito importante para compreender a l gica de controle No c digo implementado a entrada do sensor de proximidade Pentakon 12 0 ativa a sa da 05 0 do CLP como esquematizado na Figura 15 a e 15 b e tamb m o temporizador T5 como apresentado na Figura 16 comparando depois o c digo de tempo com outros que far o as sa das dos m dulos integrados na rede ASI acenderem a cada 5 segundos como apresentado na Figura 17 Pent akor Pentakon a b Figura 15 a Entrada D 0 Pentakon e sa da Q5 0 desabilitada b Entrada 2 0 Pentakon e sa da Q5 0 habilitada Pent akor I 5 PULSE m SaTHI Os SETHS0S Pent akor I S5TH235900ms MyUlLO Figura 16 Monitoramento online do temporizador KXL CONGRESSO BRASILEIRO DE EDUCA O EM ENGENHARIA 03 a 06 de Setembro E DE 5 ChiP gt DE d mama pn a l mia kama pa a Saida e fm ri im RO ii a i sl lla Figura 17 Blocos comparando o tempo no temporizador com o valor co2. a 06 de Setembro EERE KAEI EEEE AKKE ER EEA AAE EEE REEE EER EREE EERE Be lem PA f brica onde h um volume de informa es grande e h a necessidade de uma alta velocidade de comunica o para que os eventos sejam tratados num tempo adequado Faz uso de uma tecnologia de transmiss o RS 485 ou fibra tica uma das vers es do protocolo de comunica o DP e um ou mais perfis de aplica o realizando transmiss es a taxas que variam desde 9 6 kbit s a 12 Mbit s GODOY amp V SQUEZ 2004 A representa o do cabo PROFIBUS usando tecnologia RS 485 est ilustrada na Figura 3 Figura 3 Representa o do cabo da rede PROFIBUS padr o RS 485 2 2 AS I AS I acr nimo de Actuator Sensor Interface um sistema de rede de comunica o industrial padronizado EN 50295 e aberto para o n vel mais baixo de automa o n vel sensorbus Surgiu para atender a alguns requisitos definidos a partir da experi ncia dos membros fundadores e para suprir o mercado cujo n vel hier rquico o orientado a bit A rede AS I foi concebida para complementar os demais sistemas e tornar mais simples e r pida as conex es entre sensores e atuadores com os seus respectivos controladores SIEMENS 2008 A rede AS I do tipo mestre escravo com capta o c clica de dados Ela apresenta um dispositivo mestre capaz de controlar toda a rede percorrendo por ciclo todos os outros dispositivos Integrados a ela denominados de escravos Al m di
3. com a possibilidade de se adicionar 32 m dulos de tipos diversos subdividindo se em m dulos I O m dulos de comunica o e m dulos de fun o Um sistema de controle baseado no SY7 300 basicamente composto pelos m dulos de expans o fonte e CPU Tem se acesso a CPU da s rie S7 300 por meio de uma porta de comunica o MPI Multi Point Interface pela qual se faz toda a configura o e parametriza o Al m deste acesso algumas CPU s possuem uma segunda interface de comunica o integrada Profibus DP ou serial ponto a ponto SIEMENS 1998 3 2 Sensores e M dulos Os sensores utilizados no projeto s o do tipo fotoel trico e indutivo COBENGE XL CONGRESSO BRASILEIRO DE EDUCA O EM ENGENHARIA fo a d di A A RR a 03 a 06 de Setembro ITED A B e l m PA No sensor fotoel trico existe um circuito transmissor respons vel pela emiss o do feixe de luz infravermelha e um circuito receptor respons vel pela recep o do feixe A luz pode ser refletida ou interrompida por um objeto a ser detectado fazendo o sensor ser acionado SENSE 2012 O esquema do funcionamento desse sensor apresentado na Figura 6 Figura 6 Princ pio de funcionamento de um sensor fotoel trico No sistema em quest o foi utilizado um sensor da s rie VF AS I OSIK VF AS I da Sense que pode ser visualizado na Figura 7 Figura 7 Imagem do sensor fotoel trico VF AS I da Sense O sensor indutivo de proximidade um eq
4. experi ncias on line para o estudo do processo de automa o industrial Palavras chave Monitoramento de sensores Rede industrial CLP Computador 1 INTRODU O Atualmente com o desenvolvimento da tecnologia da informa o a comunica o entre dispositivos e o uso de mecanismos padronizados abertos e transparentes se tornaram conceitos fundamentais na tecnologia da automa o principalmente no ambiente industrial A Integra o de n veis inferiores field level e superiores de comunica o v m se expandindo e garantindo condi es ideais de redes abertas em processos de automa o em ind stria como a combina o das redes AS Interface Actuator Sensor Interface e PROFIBUS Process Field Bus ASSOCIA O PROFIBUS 2006 Visando um melhor conhecimento sobre as referidas redes experimentos foram desenvolvidos para garantir uma compreens o de como as redes funcionam e possibilidades de aplica o Foram analisados o comportamento de uma rede de sensores com AS I e os dispositivos foram ligados pela rede PROFIBUS e controlados pelo Controlador L gico Program vel S7 300 da Siemens Todo o sistema foi configurado pelo software STEP7 tamb m da Siemens que proporcionou aos alunos um monitoramento do sistema online bd a o ENGENHEIRO PROFESSOR E 0 DESAFIO EDUCAR ABENGE XL CONGRESSO BRASILEIRO DE EDUCA O EM ENGENHARIA 03 a 06 de Setembro Bel m PA 2 REDES INDUSTRIAIS Na Figura 1 apr
5. system 1 3 4 J DIMEXDC24M Interrupt 5 DO16s Relay E Jd alByi2EBit p 7 E gl DP AS H ADAx12Ei Figura 12 Representa o da organiza o do hardware na esta o A configura o dos sensores e m dulos realizado pelo DP AS I Link onde o endere o os bits de entrada e de sa da o c digo ID e I O s o especificados O monitoramento online das vari veis de cada sensor ou m dulo pode ser feito selecionando a op o Monitor Modify onde as entradas e sa das ativadas aparecem habilitadas true ou desabilitadas false como apresentado na Figura 13 XL CONGRESSO BRASILEIRO 2012 DE EDUCA O EM ENGENHARIA 03 a 06 de Setembro DDD IS DD DD Dae SI Dna nen D O bm PA Online via assigned CPU services Path 57 ProdASIMATIC 300 Stations CPU 315 2 DP a address symbol Displa Status value Modify value 25 BOOL O false ED E ES PR eieiei e Rm a doc o UA amp Row Not Effective Update Force Symbol with FS Fun conditionally Fun immediately e Monitor r Status Yalue Enable Periph Outputs M Modify xi Modify Value 40 Display Trigger Tic gt RUNNING Close Help Figura 13 Representa o da janela de monitoramento do sensor de proximidade O monitoramento usado para identificar o estado das vari veis quando acontece altera es no dispositivo e esses
6. COBENGE EL CONGRESSO BRASILEIRO O pia DE EDUCA O EM ENGENHARIA Ia h OA RODA 03 a 06 de Setembro EAD ID DD RD E ID e RS Bel m PA e MONITORAMENTO DE SENSORES EM UMA REDE INDUSTRIAL UTILIZANDO UM CLP E COMPUTADOR Arthur Chaves Costa arthur costa Wee ufcg edu br Universidade Federal de Campina Grande Departamento de Engenharia El trica Rua Apr gio Veloso 882 Bairro Universit rio 58429 900 Campina Grande Para ba Juan Jefferson Cruz Silva juan silvaW ee ufcg edu br Jaidilson J da Silva jaidilson O dee ufcg edu br Jos S rgio da Rocha Neto zesergio O dee ufcg edu br Resumo A integra o do n vel de campo e superior de comunica o em redes industriais est se expandindo e assegurando as condi es ideais para redes abertas em processos de automa o na ind stria Visando um melhor conhecimento sobre redes industriais alguns experimentos foram desenvolvidos para garantir uma boa compreens o de como funcionam e as possibilidades de aplica o como tamb m a elabora o e inser o de um guia de experimentos na disciplina de Laborat rio de Sistemas de Aquisi o de Dados e Interface do curso de gradua o em Engenharia El trica da Universidade Federal de Campina Grande PB Os testes experimentais com uma rede industrial e um CLP Controlador L gico Program vel utilizando como base de aprendizado o computador permitem que os estudantes de engenharia el trica realizem
7. MAMAS Re l m PA REFER NCIAS BIBLIOGR FICAS ALTUS Manual de Utiliza o da Rede Profibus 2004 ASSOCIA O PROFIBUS Profibus Descri o T cnica 2006 GODOY A J C V SQUEZ A C Realizaci n Pr ctica de Red de Comunicaci n Basada en PROFIBUS DP Escuela de Ingenierias Industriales 2004 SENSE Sensores e Instrumentos Dispon vel em lt http www sense com br gt Acesso em Fevereiro de 2012 Cat logo SIEMENS AS Interface AS Isafe System Manual 2008 SIEMENS Distributed I O System DP AS I Link Manual 3 ed 1995 SIEMENS S7 300 Programmable Controller Hardware and Installation Manual 1998 SILVA Juan J C UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE Departamento de Engenharia El trica Estudo e Implementa o da Comunica o entre Redes Industriais AS Ie Profibus DP 2011 Trabalho de Conclus o de Curso SMAR Tutorial sobre a Tecnologia AS I Dispon vel em lt http www smar com brasil2 ast asp gt Acesso em Mar o de 2012 WERNER R Kriesel MADELUNG Otto W AS Interface The Actuator Sensor Interface for Automation Ed 02 Fevereiro 1999 SENSOR MONITORING IN AN INDUSTRIAL NETWORK USING A PLC AND COMPUTER Abstract The integration of field level and higher communication in industrial networks is expanding and ensuring ideal conditions for open networks in process automation at industry Aiming better knowledge on the referred networks some experiments were developed to ensure
8. S I integrado permitindo o acoplamento direto com o cabo da rede j outros necessitam de uma liga o com algum m dulo Para o devido interc mbio de informa es entre o mestre e os escravos estes recebem um endere o pr prio que os identificar Estes endere os podem ser estabelecidos por um dispositivo de programa o de endere os SMAR 2012 2 3 DP AS I Link O DP AS I Link cria uma interface entre uma rede AS I e uma rede PROFIBUS DP Opera como um escravo DP comum e concomitantemente como o mestre da rede AS I Assim como os demais escravos DP requer um mestre DP Tem seu princ pio de funcionamento id ntico ao de qualquer outro dispositivo gateway onde os protocolos dos sistemas em quest o s o convertidos O DP AS I Link usado para realizar o interc mbio dos sensores atuadores da rede AS I para a rede PROFIBUS DP SIEMENS 1995 No sistema analisado foi utilizado o DP AS I Link da Siemens que apresentado na Figura 5 Figura 5 Imagem do DP AS 1 Link da Siemens 3 PLATAFORMA EXPERIMENTAL Os dispositivos conectados s redes do sistema proposto s o apresentados nesta sec o O seu processo de aquisi o de dados explicado bem como a sua funcionalidade na plataforma experimental 3 1 CLP S7 300 O Controlador L gico Program vel S7 300 um sistema modular utilizado em aplica es centralizadas ou distribu das de pequeno ou m dio porte Seu car ter modular admite a expans o r pida e f cil
9. a well comprehension on how they work and application possibilities and the process of preparing and inserting a experiment guide for the discipline of Interface and Data Acquisition Systems Laboratory of the undergraduate course of Electrical Engineering at Federal University of Campina Grande PB This document presents detailed instructions of the experimental tests with industrial network using a PLC Programmable Logic Controller based on computer education allowing the electrical engineering students to perform on line experiments for the study of industrial automation process Key words Sensor Monitoring Industrial Network PLC Computer
10. do uma melhor integra o com as plataformas reais No experimento desenvolvido alguns procedimentos foram realizados para alcan ar os resultados desejados para an lise e uma boa compreens o das redes industriais Os procedimentos adotados e os resultados s o apresentados nesta se o 4 1 Metodologia e M todos Visando uma boa compreens o dos dispositivos e redes apresentados experimentos foram realizados com uma explica o te rica e um guia de procedimentos a fim de monitorar os sensores conectados rede e analisar o programa em linguagem Ladder configurado no CLP pelo software STEP 7 que desenvolvido pela Siemens COBENGE XL CONGRESSO BRASILEIRO 7 DE EDUCA O EM ENGENHARIA DADO DDD 03 a 06 de Setembro ADI TITTDI Bel m PA Usando os recursos de software STEP 7 poss vel verificar como a rede os dispositivos sensores e m dulos foram configurados e endere ados Um esquema da rede com os elementos endere ados ligados a MPI e PROFIBUS pode ser visto no NetPro como representado na Figura 11 SIMA TIC 300 Station Figura 11 Esquema das conex es pelo NetPro STEP 7 Usando o STEP 7 uma lista dos componentes de hardware pode ser visto com a sua configura o na esta o e os respectivos endere os de entrada 1 e de sa da Q A imagem da organiza o de endere o de hardware est apresentada na Figura 12 0 UR T PS 307 10 E CPU 315 2 DP 1 E PRO FEDS DF master
11. esentado o sistema em estudo ilustrando os dispositivos e redes Para uma melhor compreens o das redes seu funcionamento explicado nesta se o Sensor ensor o P r bi dulo 4 wy TRA 3 Figura 1 Diagrama simplificado do sistema em estudo 2 1 PROFIBUS PROFIBUS acr nimo de Process Field Bus um padr o de rede de comunica o industrial aberto utilizado principalmente para realizar a interconex o de controladores digitais com sensores atuadores do n vel de campo ao n vel de c lula n vel fieldbus tanto para transmiss o de dados em alta velocidade como em servi os de comunica es especiais Por ser um padr o aberto sua independ ncia de fabricante e padroniza o garantida pelas normas EN50170 e EN50254 Assim dispositivos com fabricantes distintos podem se comunicar sem a necessidade de qualquer adapta o em suas respectivas Interfaces ALTUS 2004 Na Figura 2 apresenta se um diagrama com as reas de aplica o do PROFIBUS enfatizando o perfil de comunica o a aplica o empregada e o tempo de ciclo padr o para cada n vel N vel de Figura 2 Diagrama com as reas de aplica o do PROFIBUS O PROFIBUS DP periferia distribu da um perfil otimizado para alta velocidade e conex o de baixo custo Esse protocolo foi a primeira vers o criada Indicada para o ch o de COBENGE EL CONGRESSO BRASILEIRO r o DE EDUCA O EM ENGENHARIA a i a a a d a T a 03
12. estados ajudam a compreender a l gica de controle elaborada no c digo Ladder O c digo configurado no CLP visto no software LAD STL FBD Program Blocks STEP 7 onde o monitoramento online tamb m poss vel e permite ao usu rio saber quais as entradas e sa das s o ativadas quando os sensores e os m dulos funcionam bem como os dados dos blocos A linguagem Ladder uma linguagem de programa o simples fundamentada em blocos As sa das e entradas dos sensores s o referenciadas como s o configuradas A ativa o el trica representada pela colora o verde linha cont nua do segmento de c digo para as sa das e entradas O c digo dividido em sub rotinas para simplificar o entendimento Com o uso da linguagem e programa o elimina se a necessidade de adicionar outros dispositivos de hardware Os blocos utilizados para implementar a l gica de controle s o um bloco contador de borda de subida um temporizador e um comparador de n meros inteiros O bloco contador representado na Figura 14 a realiza a contagem do sinal de entrada quando ele vai de 0 para 1 O temporizador representado na Figura 14 b come a a funcionar no momento em que o sinal de entrada vai para 1 at que ele atinja o tempo pr estabelecido O comparador representado na Figura 14 c compara dois Inteiros e envia 1 para a sa da se o n mero maior ou igual ao outro Existem diferentes varia es desses blocos bem como outros tipos
13. nfigurado 4 3 Monitoramento do sensor fotoel trico Com o sensor fotoel trico qualquer objeto pode ser utilizado para testar seu funcionamento passando o em frente e garantindo que n o haja interfer ncia de outros A entrada do sensor 13 0 ativar o contador e a sa da Q5 1 enquanto a contagem de presen as detectadas por ele forem menores ou iguais a 10 poss vel visualizar como foi feita a implementa o na representa o do programa apresentado nas Figuras 18 a e 18 b Fotoeletr m ico o MP A 75 2 a b Figura 18 Monitoramento online a do contador b do comparador comparando a contagem com dez 4 4 Monitoramento do sensor indutivo BERO O funcionamento do sensor indutivo BERO pode ser verificado aproximando se uma pe a de metal gradualmente De acordo com a proximidade que se encontra de um objeto met lico o sensor ir gerar combina es de bits com 1 e 0 que ativar um maior n mero COBENGE XL CONGRESSO BRASILEIRO ia DE EDUCA O EM ENGENHARIA o A A A A A A al 03 a 06 de Setembro CIC DE IE DD E ENEE E E DI e RS Bel m de sa das do CLP quanto mais pr ximo estiver o objeto Na Tabela 1 apresentam se os c digos em bin rio para cada est gio importante constatar as vari veis ativadas no monitoramento pelo STEP 7 de acordo com o funcionamento do sensor para compreender a l gica elaborada como apresentado na Figura 19 Tabela 1 Estado das vari veis pa
14. ra cada est gio de proximidade em bin rio e LED s do sensor indutivo RO O 0 0 l l 0 l l k 0 LED s T EE e a PR Laranja e Laranja Pesa aa 4 00 nun Iz s I E 15 5 0 po pe mo m m m mm Figura 19 L gica utilizada para a ativa o de sa das do CLP pelo sensor indutivo BERO 5 CONSIDERA ES FINAIS Os experimentos discutidos objetivaram transmitir aos alunos os conceitos envolvidos neste trabalho utilizando o computador como uma ferramenta principal para a realiza o e an lise dos experimentos verificando o funcionamento de redes industriais Por meio da utiliza o do software STEP 7 os estudantes puderam seguir a progress o da atividade do sensor bem como o processo de comunica o da rede Com o c digo foi poss vel utilizar os dados processados para criar uma l gica de controle para executar tarefas variadas e as an lises Dessa forma foi poss vel perceber como adequado o sistema com diferentes aplica es al m de aproximar o estudante do processo de automa o industrial Agradecimentos Os autores gostariam de agradecer ao CNPq pelo suporte financeiro desse projeto e a todos do LIEC Laborat rio de Instrumenta o Eletr nica e Controle UFCG que apoiaram o desenvolvimento deste trabalho COBENGE EL CONGRESSO BRASILEIRO e o Le DE EDUCA O EM ENGENHARIA A O A A A A A a 03 a 06 de Setembro ERA MAMA MAMMA MARAR RAAMAMARMAM MAMA AAA AMAAARA
15. sso geralmente se comunica com um controlador CLP ou PC para receber a configura o de controle da rede AS I reportar erros endere ar escravos substitu dos entre outras tarefas Os escravos s o passivos e por isso apenas tem acesso rede se houver uma requisi o do mestre WERNER amp MADELUNG 1999 Um cabo especial n o blindado e perfilado para evitar a invers o de polaridade revestido por uma borracha isolante utilizado para a conex o dos elementos da rede ele composto de dois condutores que transportam simultaneamente dados e alimenta o em 24Vcc SMAR 2012 seu esquema apresentado na Figura 4 a A forma de conex o de dispositivos no cabo AS I pr tica e consiste em perfurar o revestimento do cabo com as l minas condutoras at estabelecer o contato com os fios internos Esse tipo de conex o denominada conex o vampiro e ilustrada na Figura 4 b No desacoplamento o cabo retorna ao seu aspecto original pois o seu isolante tem uma propriedade auto regenerativa fechando o corte realizado SILVA 2011 Revestimento Azul O Marrom 24 Vdc a Figura 4 a Condutores em um cabo padr o do barramento AS I b Esquema de conex o COBENGE EL CONGRESSO BRASILEIRO e o Um DE EDUCA O EM ENGENHARIA PPrTTTYrETE 03 a 06 de Setembro EA A DD De DD DD DD DT AT OD a DDD a De e DS Bel m PA Dentre os escravos existem os sensores que possuem um chip A
16. uipamento eletr nico que detecta a aproxima o de pe as met licas Ao interferrem no campo eletromagn tico de alta frequ ncia gerado por uma bobina ressonante instalada na face sensora a varia o do sinal pela pe a comparada a um sinal padr o ativando o est gio de sa da SENSE 2012 O esquema do funcionamento apresentado na Figura 8 DS ACIONACOR MET LICIO Po ACAMPO ELETROMAGH TICO Figura 8 Esquema de funcionamento do sensor de proximidade indutivo Dois sensores indutivos foram usados um Pentakon s rie PS15 UI AS I da Sense Ilustrado na Figura 9 a e um BERO s rie 3RG4613 3WSO00 da Siemens ilustrado na Figura 9 b XL CONGRESSO BRASILEIRO DE EDUCA O EM ENGENHARIA 2 07 2 03 a 06 de Setembro CERA CAST DID DDD IRD DD DT ARAA Bel m PA b Figura 9 Imagem do sensor de proximidade indutivo a Pentakon da Sense b BERO da Siemens Dois m dulos AS I fazem parte do sistema um modulo conector de quatro sa das identificado por M12 4AR 3RG9001 0ABOO que visualizado na Figura 10 a e outro de duas entradas e duas sa das identificado por M12 2E 2AR 3RG9001 0ACO0 que est ilustrado na Figura 10 b Figura 10 a Imagem do m dulo conector AS I de 4 sa das b Imagem do m dulo conector AS I de 2 entradas e 2 sa das 4 RESULTADOS EXPERIMENTAIS Com o uso crescente da ferramenta computacional para aprimorar os m todos de aprendizagem os alunos est o experimentan
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