ASI Actuador – Sensor – Interface

Msc. Alexandre Baratella Lugli Maio / 2010

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO 3 2 REDE ASI 7 2.1 Benefícios da rede AS-i 8 2.2 Limitações da rede AS-i 8 3 MESTRE 10 4 GATEWAY 11 5 ENDEREÇADOR 12 6 ESCRAVO 13 7 FONTE 15 8 CABO 16 9 COMUNICAÇÃO 17 10 VERSÕES 2.1 E 3.0 20 11 SOFTWARE 22

ANEXO 26

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1. INTRODUÇÃO

A partir da revolução industrial surgiu a necessidade de se ter um controle centralizado, flexível, barato e que fosse automático.

Para automatizar as linhas de plantas (Ind. Processo) e linhas de produção (Ind. Manufatura) surgiram os PLC’s, redes de chão de fábrica e redes Fieldbus.

Fig. 1 – Pirâmide das Redes Industriais.

As redes surgiram para dar mais flexibilidade ao processo de controle, permitindo

expansões futuras e tornando-o mais barato. Existem vários tipos de redes tais como:

- AS-i; - DeviceNet; - ProfiBus; - Interbus; - FieldBus Fundation, etc.

Dentre as redes existentes a rede ASI (Atuactor-Sensor-Interface) é a mais barata e

simples de ser operada.

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Fig. 2 – Custo entre uma rede AS-i e um sistema convencional.

As redes possuem muitas vantagens sobre o sistema convencional principalmente

no nível físico, o que resulta em baixo custo de implantação e manutenção. (-) Material – cabos, canaletas, suportes, etc. (-) Mão de obra – hora/homem (instalação e manutenção), etc. (-) Dispositivos – módulos de entrada e saída (+) Capacidade – número de pontos por Slot de PLC, etc. (+) Flexibilidade – expansões futuras, alterar dispositivos de outra natureza, etc. (+) Interconectividade – pode-se conectar a outras redes através de adaptadores, etc. (+) Softwares – possuem mais recursos e são mais amigáveis, etc.

Fig. 3 – Sistema convencional: ponto a ponto.

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Fig. 4 – Sistema ligado em rede.

Geralmente a rede AS-i é interligada a uma outra rede de nível hierárquico superior para aumentar a quantidade e a velocidade dos dados trafegados no sistema. Na figura abaixo, a rede AS-i está interligada a uma rede Profibus DP.

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Fig. 5 – Rede As-i com Profibus DP.

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2. REDE ASI

A rede ASI tem como característica principal, trafegar dados de natureza discreta,

ou seja, dados provenientes de Sensores e Atuadores ON/OFF. Como toda rede, esta faz varredura dos dados de entrada, executa o Software de

aplicação e atualiza os dados de saída.

Fig. 6 – Ciclo de operação da rede AS-i. As principais características da rede são:

- A alimentação e a comunicação são feitas no mesmo par de fios; - Permite derivações a qualquer momento inclusive com a rede energizada; - Permite montagem em várias topologias: estrela, linear ou árvore; - Permite no máximo quatro bits de dados, podendo ser bidirecionais (IN / OUT).

Fig. 7 – Topologias da rede As-i.

LLeeiittuurraa ddaass eennttrraaddaass

EExxeeccuuççããoo ddoo PPrrooggrraammaaAApplliiccaattiivvoo

AAttuuaalliizzaaççããoo ddaass SSaaííddaass

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Sua impedância varia entre 80 e 120Ω, taxa de transmissão é de 167Kbps e tempo de resposta de 5ms (para versão 2.0, somente).

O comprimento máximo é de 100m e pode consumir em toda rede apenas 2A, em função do Vdrop que deve ser no máximo de 3V. Contudo é possível instalar até três repetidores para aumentar a distância e chegar até 300 metros de cabo. Hoje já existem terminadores para rede AS-i que podem alcançar distância de até 900 metros.

Fig. 8 – Comprimento da rede AS-i. A rede ASI é composta por:

- Controladores (Mestres); - Escravos (Sensores, Atuadores e Módulos de I/O); - Conversores de protocolo (Gateway); - Fonte ASI.

2.1. Benefícios da rede AS-i

Economia de hardware. - Um mestre em lugar a vários cartões de I/O; - Instalação simples e segura com menos conexões. Baixo custo por nó de rede instalado. Benefícios ao cliente. - Baixo tempo de manutenção; - Fácil operação e monitoramento;

- Menor custo na instalação; - Único cabo na rede. - Padrão internacional aberto (www.as-interface.net – norma Européia -

EN50295). 2.2. Limitações da rede AS-i 1) Os dados trafegados na rede AS-i são limitados a quatro bits por escravo qu podem ser trocados a cada ciclo de varredura.

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2) É estritamente uma rede mestre-escravo, com “Polling” cíclico por escravo (impede transmissão assíncrona de diagnósticos). 3) Máximo de 31 escravos para versão 2.0, 62 para versão 2.1 (com 4 entradas e 3 saídas por escravo) e 62 para versão 3.0 (com 4 entradas e 4 saídas por escravo). 4) A transferência de dados de escravo só pode ser feita via mestre da rede. 5) Comprimento limitado até 100 metros sem repetidor, 300 metros com repetidor e 900 metros com terminador e repetidor. 6) Tempo de ciclo de 5 ms para versão 2.0 e 10 ms para versões 2.1 e 3.0.

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3. MESTRE ASI

O Mestre ASI é o dispositivo que gerencia a rede. Esta pode ser uma placa para PC,

um módulo Scanner (cartão para PLC) ou Mini-PLC. O Mestre ASI possui vários recursos:

- Monitoração dos escravos; - Endereçamento automático e manual dos escravos; - Detecção de erro com alarme; - Interpretação de mensagem de erro.

Se o Mestre for do tipo Mini-PLC, este pode trabalhar em “Stand Alone” ou conectada ao PC via RS-232, RS422 e RS-485.

O mestre do tipo Mini-PLC deve ser alimentado com uma fonte de 24VDC e a fonte ASI (30,5Vdc). Sua comunicação pode ser feita via RS 232, RS 422 ou RS485.

O Programa aplicativo fica armazenado no mestre, e este é editado em um Software gerenciador de rede o qual entraremos em detalhes mais à frente.

Fig. 9 – Módulo Scanner AS-i sistema S7-300 – Siemens.

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4. GATEWAY

O Gateway é um adaptador de protocolos e serve para ligar a rede AS-i a redes de

nível mais alto do tipo DeviceNet ou Profibus DP. Este dispositivo é um nó da rede de maior nível. Seu funcionamento é similar a do Mini-PLC AS-i.

Fig. 10 – Gateway AS-i / Profibus-DP.

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5. ENDEREÇADOR AS-I

O endereçador é um dispositivo que nos permite alterar os endereços dos escravos na rede As-i de forma manual. Seus principais comandos estão listados a seguir:

- Lesen/Ein(Adr) - liga, faz a leitura do endereço do escravo - Adresse (+) - incrementa o endereço - Adresse (-) - decrementa o endereço - Programmieren(Prg) - grava o endereço escolhido - Adr + Prg - grava endereço 0

Fig. 11 – Endereçador de rede AS-i.

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6. ESCRAVO AS-I

O Escravo é um dispositivo que transfere seus dados de entrada para o mestre e por si só não tem autonomia para mudar os estados de saída, ficando dependente da rede para acioná-las.

Os Escravos podem ser: - Sensores; - Atuadores; - Módulos de entrada; - Módulos de saída; - Módulos de entrada e saída; O escravo possui internamente um microcontrolador (Chip ASI – Veja no anexo um

as características do chip AS-i) que é alimentado pelo mesmo par de fios da comunicação e possui 4 bits de dados, 2 bits strobe e 4 bits de parâmetros.

Os quatro bits de dados são bidirecionais e permitem transferir um dado proveniente de uma entrada de sensor ou acionar um relé para acionamento de uma solenóide.

Os dois bits Strobe são utilizados para habilitação de componentes externos quando é necessário um “barramento” para transferência de 4 bits de entrada e 4 bits de saída.

Os quatro bits de parâmetros são utilizados para parametrizações operacionais, ou seja, podem configurar um circuito de saída para operar em NA ou NF. Estes são setados no programa aplicativo.

O chip ASI é alimentado com 30,5Vdc e regula 24Vdc para periféricos. Se o consumo de periféricos for >35mA deve se fazer um filtro com indutores e capacitores para preservar a integridade do sinal.

Fig. 12 – Diagrama em blocos do Chip AS-i.

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O escravo ASI possui uma memória não volátil EEPROM que armazena os seguintes dados:

Endereço, ID, IO 00 01 0B

No momento em que o escravo é ligado a rede e o mestre verifica se os dados que

estão na EEPROM são iguais ao do programa aplicativo. Se não forem o mestre acusa o erro.

O endereço é um código de acesso que identifica a peça dentro rede. Este é gravado na memória EEPROM com “0” (default) e pode ser alterado pelo mestre ou pelo endereçador manual (Hand-held).

O código I/O define a função de cada pino de dado, podendo ser este entrada ou saída. Para isto existe uma tabela com todas as possibilidades. Tabela de códigos I/O:

Code D0 D1 D2 D3 Code D0 D1 D2 D3 0H E E E E 1H E E E S 2H E E E E/S 3H E E S S 4H E E E/S E/S 5H E S S S 6H E E/S E/S E/S 7H E/S E/S E/S E/S 8H S S S S 9H S S S E AH S S S E/S BH S S E E CH S S E/S E/S DH S E E E EH S E/S E/S E/S FH Z Z Z Z

O código ID identifica o escravo dentro de uma classificação do ASI.

EEssccrraavvooss ccoomm eessttrruuttuurraa ddee tteelleeggrraammaa eexxtteennddiiddoo 11hh 22hh FFhh

00hh

EEssccrraavvooss ccoomm mmooddooss ddee ooppeerraaççããoo eessppeecciiaaiiss

MMóódduulloo II//OO ccoommuummSSeennssoorreess ee aattuuaaddoorreess ccoommuunnss

IIDD DDiissppoossiittiivvoo

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7. FONTE AS-I

A fonte deve ser regulada com valores e tensão entre 28,5 e 31,6Vcc sendo protegida contra sobrecargas e proteção contra curto-circuito

Esta pode ser instalada em qualquer parte da rede, mas de preferência próximo a ponto de maior consumo de corrente para se evitar queda de tensão na linha.

Acoplado a saída da fonte de alimentação deve se ter um conjunto de indutores com função de isolar a fonte do sinal de comunicação e assim preservar a integridade do sinal trafegado pela rede.

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8. CABO ASI

O barramento de comunicação da rede AS-i é um cabo perfilado (contra inversão de polaridade), não blindado com dois fios, o qual trafega dados e a alimentação para os escravos da rede. Pode ser utilizado no formato cabo redondo ou Flat, dispensando malha de aterramento. O cabo tipo Flat é de borracha regenerativa para furos e tem formato especial que evita a inversão de polaridade e tem classe de proteção IP-65.

Fig. 13 – Cabo AS-i.

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9. COMUNICAÇÃO

A comunicação é a transferência de dados, parâmetros e sinais de controle provenientes do mestre para os escravos e de dados do escravo para o mestre.

A rede ASI é uma rede bastante rápida se comparada com as demais, pois seu tempo de resposta com os 31 escravos é de aproximadamente 5ms (e 10ms para versão 2.1).

O método de acesso entre mestre / escravo é do tipo “Cyclic Polling” que consiste em um chamado do mestre, uma pausa, a resposta do escravo e uma nova pausa.

Fig. 14 – Comunicação Polling. O método de acesso entre Mestre / escravo é do tipo Cyclic Data Passing, ou seja, o

mestre transmite ciclicamente mas só quando tem permissão. A comunicação é feita no mesmo par de fios de alimentação, e isto é possível

porque o sinal de comunicação é sobreposto à alimentação através de uma modulação.

Fig. 15 – Comunicação entre mestre / escravo.

RReessppoossttaa

MMeessttrree EEssccrraavvoo EEssccrraavvoo PPeeddiiddoo

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Modulação é uma adaptação do sinal ao meio em que será transmitido. Sendo necessário também a demodulação na parte receptora.

A informação digital sofre três processos antes de ser transmitida, são eles: - Montagem do telegrama; - Codificação Manchester; - Modulação APM (Alternating Pulse Modulation).

O telegrama é um pacote de informações e tem duas formas, que variam de acordo com o sentido de transmissão (sentido mestre-escravo ou escravo-mestre).

Fig. 16 – Telegrama da rede AS-i.

A codificação Manchester II é um código de linha que tenta manter a integridade da informação.Evita uma seqüência longa do mesmo bit e com isso evita a perda de sincronismo. Consiste em substituir do sinal NRZ o bit ‘0’ por ‘10’ e ‘1’ por ‘01’.

O sinal codificado é modulado em APM, onde o sinal digital é convertido em variações de fase de um sinal analógico.

O sinal é concentrado em uma banda estreita para evitar interferências

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eletromagnéticas. A figura abaixo ilustra a codificação na rede AS-i.

Fig. 17 – Modulação na rede AS-i.

0 1 0 0 1 0

NRZ

Manchester II

APM

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10. VERSÃO 2.1 E 3.0 Atualmente a versão 2.0 da rede AS-I não é mais utilizada. Com a necessidade de aumentar o número de escravos da rede, surgiu a versão 2.1. Essa nova versão (lançada comercialmente em 2004) aumenta o número de escravos de 31 para 62 (tendo escravos A e B). Para isso, houve a necessidade de aumentar o tempo de ciclo da rede e retirar um bit de saída para fazer a distinção entre A e B. Assim, um escravo na versão 2.1 pode possuir quatro entradas e apenas três saídas. Essa mudança não agradou muito aos usuários, pois todos os escravos de quatro saídas na versão 2.0 não poderiam ser utilizados na versão 2.1. Para resolver esse grande problema a Associação AS-i (www.as-interface.net) lançou a versão 3.0 (em 2006). Essa nova versão retorna com a quarta saída, mantendo todas as outras características da versão 2.1.

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Fig. 18 - Comparação entre versão 2.0 e 2.1

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11. SOFTWARE AS-I CONTROL TOOLS

Este é um software para ambiente Windows para configuração, parametrização e checagem da rede AS-i. A linguagem de programação utilizada é Instruction List (Step5). Permite visualização completa de rede e verificação de erros na transmissão. (Fabricante: www.bihl-wiedemann.com/english).

Tela inicial

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Configuração da rede.

EEddiittoorr -- AApplliiccaattiivvoo SStteepp 55

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IIddeennttiiffiiccaaççããoo ddooss EEssccrraavvooss

TTaabbeellaa IImmaaggeemm ddee eennttrraaddaa

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TTaabbeellaa IImmaaggeemm ddee ssaaííddaa

ÁÁrreeaa ddee mmeemmóórriiaa

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ANEXO Chip AS-i

Aplicação como escravo

Diagrama em blocos:

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Programa 1 em linguagem Step5:

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Programa 2: