Saídas e Fiação Fontes de Alimentação Fonte Disponível Classificações dos Sensores Proteção Fluxo de Corrente...

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2 Sumário Prefácio Conceitos Básicos sobre a Aplicação com Sensores O Que é um Sensor? Tecnologias com Contato vs. sem Contato Detecção Discreta vs. Analógica Especificações/Características dos Sensores Padrões Certificações Seleção de Sensores Uma Abordagem Metódica Saídas e Fiação Fontes de Alimentação Fonte Disponível Classificações dos Sensores Proteção Fluxo de Corrente Tipos de Saída Eletromecânica Estado Sólido Fiação Fios vs. 3 Fios Lógica e Temporização de Saída Atraso na Energização e Desenergização Monoestável Atraso Monoestável Detecção de Movimento Chave Fim de Curso Estrutura da Chave Fim de Curso Componentes Básicos NEMA vs. IEC Invólucros Encaixáveis vs Não Encaixáveis Tipos e Função de Atuadores Características e Operação dos Contatos Vantagens e Desvantagens da Chave Fim de Curso Aplicações Típicas Fundamentos de Detecção de Presença Rockwell Automation/Allen-Bradley i

3 SUMÁRIO Detecção por Proximidade Indutiva Estrututa do Sensor de Proximidade Indutivo Componentes Básicos Estrutura Blindada vs. Não Blindada Considerações sobre os Alvos Faixa de Detecção vs. Material e Tamanho do Alvo Efeitos do Material do Alvo Efeitos do Formato e Tipo de Alvo Seleção de Materiais Metálicos, Ferrosos e não Ferrosos. 4-8 Movimento do Objeto Imunidade ao Campo de Solda Vantagens e Desvantagens dos Sensores de Proximidade Indutivos Aplicações Típicas Detecção por Proximidade Capacitiva Estrutura do Sensor de Proximidade Capacitivo Componentes Básicos Estrutura Blindada vs. Não Blindada Sonda Blindada Sonda Não Blindada Considerações sobre os Alvos Constantes Dielétricas Considerações Ambientais Vantagens e Desvantagens da Proximidade Capacitiva..5-8 Aplicações Típicas Detecção por Proximidade Ultra-sônica Estrutura do Sensor Ultra-sônico Componentes Básicos Faixa de Detecção e Feixe Eficiente Distância Sensora Mínima Distância Sensora Máxima Feixe Eficiente Supressão de Fundo Considerações sobre Espaçamento Alinhamento de Sensores Considerações sobre o Alvo Tamanho do Alvo Distância do Alvo até o Sensor Considerações Ambientais Ruído Ambiental Pressão do Ar Temperatura do Ar Turbulência do Ar Umidade Medidas de Proteção ii Fundamentos de Detecção de Presença Rockwell Automation/Allen-Bradley

4 SUMÁRIO Vantagens e Desvantagens dos Sensores de Proximidade Ultra-sônico Aplicações Típicas Sensores Fotoelétricos Estrutura do Sensor Fotoelétrico Componentes Básicos Faixas de Detecção Campo de Visão Distância Sensora Máxima Distância Sensora Mínima Margem Histerese Tempo de Resposta Operação com Luz/no Escuro Modos de Detecção Feixe Transmitido Obtenção de Feixe Eficiente Ótimo Alinhamento dos Sensores Padrões de Feixe Vantagens e Desvantagens do Feixe Transmitido Aplicações Típicas de Feixe Transmitido Retrorefletido e Retrorefletido Polarizado Retrorefletido Retrorefletido Polarizado Alinhamento dos Sensores Padrões de Feixe Retrorefletivo e Retrorefletivo Polarizado Vantagens e Desvantagens Aplicações Típicas com Sensores Retrorefletidos e Retrorefletidos Polarizados Difusão Difusão de Corte Fino Difusão de Supressão de Fundo Difusão de Foco Fixo Amplo Ângular por Difusão Alinhamento dos Sensores de Difusão Modelos de Feixe de Supressão de Fundo, Difusão e Corte Fino Vantagens e Desvantagens Aplicação Típica de Difusão Fibra Óptica Vidro Plástico Vantagens e Desvantagens da Fibra Óptica Fundamentos de Detecção de Presença Rockwell Automation/Allen-Bradley iii

5 SUMÁRIO Aplicações Típicas de Fibra Óptica Apêndice A Seleção de Sensores Seleção da Tecnologia A-1 Seleção da Solução de Detecção A-6 Apêndice B Gabinetes IEC e NEMA Gabinetes IEC B-1 Grau de Proteção B-1 Sumário B-1 Classificação do Gabinete IEC B-2 Descrições Resumidas dos Requisitos de Teste de Gabinete IEC B-3 Apêndice C Glossário Gabinetes NEMA B-7 Especifique o Gabinete Correto para os seus Controles de Motores B-7 Critérios de Seleção B-11 Descrições Resumidas dos Requisitos de Teste de Gabinete NEMA B-11 Critérios de Seleção B-14 Descrição Resumida dos Requisitos de Teste Padrão UL B-15 iv Fundamentos de Detecção de Presença Rockwell Automation/Allen-Bradley

6 Prefácio Fundamentos de Detecção de Presença é uma fonte única de informação aplicada a sensores de presença, direcionada aqueles que projetam, implementam, gerenciam, oferecem suporte ou vendem a tecnologia de detecção de presença: Projetistas de equipamentos Engenheiros de controle e aplicação Engenheiros de produção e qualidade Técnicos em engenharia e manutenção Estudantes de engenharia e escolas técnicas Distribuidores, pessoal de vendas e gerentes Através da combinação da teoria do sensor básico com exemplos de aplicação, Fundamentos de Detecção de Presença fornece uma compreensão conceitual dessas tecnologias e como elas estão relacionadas aos processos industriais em geral. Enfim, este volume ajuda o usuário a deduzir regras ao tomar decisões em projetos relacionados à detecção de presença. Rockwell Automation/Allen-Bradley Fundamentos de Detecção de Presença 1

7 PREFÁCIO 2 Fundamentos de Detecção de Presença Rockwell Automation/Allen-Bradley

8 1 Conceitos Básicos para a Aplicação de Sensores A indústria luta, de forma contínua, para desenvolver os produtos com maior rapidez e com baixo custo. Através de processos automatizados, os fabricantes podem converter em dinheiro essas metas enquanto mantêm níveis mais altos de qualidade e confiabilidade. A tecnologia de detecção de presença é usada para monitorar, regular e controlar esses processos. Mais especificamente, os sensores de presença ajudam a verificar se os passos mais importantes do processo foram concluídos de acordo com o planejado. A primeira seção deste capítulo abrange a terminologia e os princípios de operação básicos e comuns a todos os sensores; as demais mostram a metodologia para examinar aplicações em potencial e selecionar o melhor sensor para o trabalho. Os últimos capítulos irão discutir, em detalhes, as tecnologias que mais prevalecem e suas aplicações: Chaves fim de curso (Capítulo 3) Sensores de proximidade indutivos (Capítulo 4) Sensores de proximidade capacitivos (Capítulo 5) Sensores de proximidade ultra-sônicos (Capítulo 6) Sensores fotoelétricos (Capítulo 7) Rockwell Automation/Allen-Bradley Fundamentos de Detecção de Presença 1-1

9 CONCEITOS BÁSICOS PARA A APLICAÇÃO DE SENSORES O que é um sensor?/tecnologias com Contato vs. Sem Contato O que é um sensor? Um sensor é um dispositivo para detecção e sinalização de uma condição de mudança. E o que é uma "condição de mudança"? Normalmente isto é simplesmente a presença ou ausência de um objeto ou material (detecção discreta). Pode também ser uma quantidade mensurável como uma mudança na distância, tamanho ou cor (detecção analógica). Esta informação, ou a saída do sensor, é a base para a monitoração e o controle de um processo de produção. Tecnologias com Contato vs. Sem Contato Sensores com contato são dispositivos eletromecânicos que detectam mudança através de contato físico direto com o objeto alvo. Os sensores de contato: geralmente não requerem alimentação; podem manusear mais correntes e toleram melhor os distúrbios da linha de alimentação; são geralmente mais fáceis de entender e diagnosticar. Encoders, chaves fim de curso e chaves de segurança são sensores com contato. Os encoders convertem o movimento da máquina em sinais e dados. As chaves fim de curso são usadas quando o objeto alvo pode ter contato físico. As chaves de segurança incorporam atuação resistente a adulteração e contatos de ação de abertura direta para uso como proteções de máquina e paradas de emergência. Sensores sem contato são dispositivos eletrônicos de estado sólido que criam um campo ou feixe de energia e reagem a distúrbios nesse campo. Algumas características de sensores sem contato: nenhum contato físico é requerido; ausência de partes móveis que podem obstruir, desgastar ou quebrar (portanto, menos manutenção); geralmente podem operar com maior rapidez; maior flexibilidade de aplicação. Sensores fotoelétricos, indutivos, capacitivos e ultra-sônicos são tecnologias sem contato. Como não há nenhum contato físico, o potencial para desgaste é eliminado, entretanto, há algumas circunstâncias raras onde pode haver interação entre o sensor e o material alvo. Os sensores sem contato podem também estar suscetíveis à energia irradiada por outros dispositivos ou processos. Um Exemplo Prático Um exemplo de ambos os usos de sensores com contato e sem contato pode ser encontrado em uma linha de pintura. Um sensor com contato pode ser utilizado para contar cada porta assim que ela entra na área de pintura para determinar quantas portas foram enviadas para a área. Conforme as portas são enviadas para a área de secagem, um sensor sem contato conta quantas deixaram a área de pintura e quantas se moveram para a área de secagem. A 1-2 Fundamentos de Detecção de Presença Rockwell Automation/Allen-Bradley

10 CONCEITOS BÁSICOS PARA A APLICAÇÃO DE SENSORES O que é um sensor?/detecção Discreta x Analógica Detecção Discreta x Analógica mudança para um sensor sem contato é feita para que não haja nenhum contato, nenhuma possibilidade de afetar as superfícies recém pintadas. A detecção discreta responde a pergunta, "O alvo está lá?" o sensor produz um sinal (digital) Ligado/Desligado (ON/OFF) como saída, baseado na presença ou ausência do alvo. A detecção analógica responde as perguntas "Onde está?" ou "Quanto está lá?" fornecendo uma resposta de saída contínua. A saída é proporcional ao efeito do alvo no sensor, ou em relação a sua posição dentro da faixa de detecção ou a força relativa do sinal que ele retorna ao sensor. Características/Especificações do Sensor Ao especificar sensores, é importante entender os termos comuns ou "termos técnicos" associados à tecnologia. Ao mesmo tempo que os termos exatos diferem de fabricante para fabricante, os conceitos são globalmente aceitos dentro do setor. Distância Sensora Ao colocar um sensor em uma aplicação, a distância sensora nominal e a distância sensora efetiva devem ser avaliadas. Distância Sensora Nominal A distância sensora nominal é a distância de operação nominal para a qual um sensor é projetado. Esta especificação é atingida usando-se um critério padronizado sob condições médias. Figura 1.1: Distância Sensora Nominal 152m à 1x 5mm Rockwell Automation/Allen-Bradley Fundamentos de Detecção de Presença 1-3

11 CONCEITOS BÁSICOS PARA A APLICAÇÃO DE SENSORES O que é um sensor?/características/especificações do Sensor Distância Sensora Efetiva A distância sensora efetiva é a distância sensora real obtida em uma aplicação instalada. A distância é qualquer ponto entre a distância sensora nominal ideal e o pior caso de distância sensora. Histerese Figura 1.2: Histerese Histerese ou curso diferencial é a diferença entre os pontos de operação (ligado) e a liberação (desligado) quando o alvo distancia-se da face sensora. Isto é expresso como uma porcentagem da distância sensora. Sem histerese suficiente, um sensor de proximidade irá ligar e desligar continuamente, oscilando enquanto houver vibração excessiva aplicada ao alvo ou sensor. Isto pode também ser ajustado através de um circuito adicional. Ligado Desligado Objeto Ponto de Operação Distância x Ponto de Queda Distância y Distância do Curso Distância y Distância x = % Diferencial Distância x Repetibilidade Figura 1.3: Repetibilidade Repetibilidade é a habilidade do sensor de detectar o mesmo objeto à mesma distância, todas as vezes. Expresso como um percentual da distância sensora nominal, esse número é baseado em uma temperatura ambiente constante e tensão da fonte. % da Repetibilidade da Distância Sensora Objeto 1-4 Fundamentos de Detecção de Presença Rockwell Automation/Allen-Bradley

12 CONCEITOS BÁSICOS PARA A APLICAÇÃO DE SENSORES O que é um sensor?/padrões Freqüência de Comutação Freqüência de comutação é o número de operações de comutação por segundo alcançável sob condições padronizadas. Em termos gerais, é a velocidade relativa do sensor. Figura 1.4: Configuração da Freqüência de Comutação Padronizada Chave de Proximidade Direção do Movimento Sn m 2 x m 2 Alvos de Ferro ou Aço m Material não magnético e não Condutivo Tempo de Resposta O tempo de resposta de um sensor é o tempo decorrido entre a detecção de um alvo e a mudança do estado do dispositivo de saída (Ligado para Desligado ou Desligado para Ligado). É também o tempo que o dispositivo de saída leva para mudar de estado, uma vez que o alvo não é mais detectado pelo sensor. O tempo de resposta requerido para uma aplicação em particular é uma função entre o tamanho do alvo e a velocidade pela qual ele passa pelo sensor. Padrões Um fabricante de controle industrial possui controle limitado ou nenhum controle sobre os seguintes fatores que são vitais à uma instalação segura. Condições ambientais Projeto do sistema Seleção e aplicação do equipamento Instalação Práticas de operação Manutenção Os Sensores de Presença e Chaves, bem como todo equipamento elétrico, devem ser instalados de acordo com os padrões da NEC (National Electrical Codes). Três organizações padrões principais se desenvolveram a partir da NEC: CENELEC - European Committee for Electrotechnical Standardization IEC - International Eletrotechnical Commission NEMA - National Electrical Manufacturers Association Rockwell Automation/Allen-Bradley Fundamentos de Detecção de Presença 1-5

13 CONCEITOS BÁSICOS PARA A APLICAÇÃO DE SENSORES O que é um sensor?/certificações Certificações Geralmente, o mercado europeu segue as especificações do CENELEC, enquanto as instalações na América do Norte seguem os padrões NEMA. O IEC cobre os padrões em escala internacional. Muitos fabricantes de sensores voluntariamente submetem seus projetos de produtos para teste e aprovação por órgãos de certificação. Em outros casos, o fabricante está autorizado a se auto-certificar de que seus projetos estão em conformidade com os padrões aplicáveis. Ainda que normalmente não seja requerido para uso geral nos Estados Unidos, você pode ser solicitado a usar dispositivos devidamente aprovados para equipamentos em alguns clientes ou para exportação. Os produtos dos fabricantes que tenham a marca de um órgão terão uma lista de arquivo, permitindo que o cliente ou inspetor verifique a conformidade. É importante destacar que é o projeto de um produto que recebe aprovação ou certificação, e não o próprio produto físico. Entidades Certificadoras: UL (Underwriters Laboratories) e CSA (Canadian Safety Authority) FM (Factory Mutual) Comunidade Européia (CE) Esses órgãos norte americanos primeiramente executam testes para ajudar a assegurar que os produtos foram fabricados de acordo com os requerimentos impostos e, quando utilizados de acordo, não oferecem risco de choque ou incêndio ao usuário. Factory Mutual é um órgão norte americano preocupado em verificar se os produtos para uso em áreas classificadas (áreas com atmosfera potencialmente explosiva) estão de acordo com práticas para segurança intrínseca. Essas práticas ajudam a assegurar que um dispositivo fabricado de acordo com os requerimentos impostos e usado como parte de um sistema aprovado mantenha os níveis de energia abaixo do que poderia causar uma explosão. O arquivo para cada produto inclui um diagrama de conexão autorizada. Esses requerimentos afetam quase todas as fases do projeto, construção, material, uso e até descarte de um produto. Os produtos sem a marca CE não têm autorização para serem comercializados na Comunidade Européia. Para sensores, a CE aborda a compatibilidade eletromagnética. A marca CE em um sensor indica que o sensor, até um certo nível, não irá interferir ou ser afetado por outros dispositivos eletrônicos. 1-6 Fundamentos de Detecção de Presença Rockwell Automation/Allen-Bradley

14 CONCEITOS BÁSICOS PARA A APLICAÇÃO DE SENSORES O que é um sensor?/certificações Seleção de um Sensor - Uma Abordagem Metódica Dentro de cada sistema há muitas operações ou processos: fabricação, montagem, embalagem, pintura, manuseio de material. Cada um pode ser dividido em eventos menores como contagem, indexação, ejeção, pulverização, preenchimento e transporte. Um sensor pode ser valioso para detectar as condições de mudança associadas com uma ação ou evento. Determine Onde um Sensor Pode ser Necessário Esse processo envolve a identificação de operações chaves dentro do sistema e a definição de áreas de foco onde as condições devam ser verificadas. Identifique as Funções Identifique o que o sistema faz ou o que você quer que ele faça. É necessário contar produtos? Classificar? Verificar a qualidade? Determinar a direção das peças? Especificamente: Quais condições devem ser atendidas para que cada função ocorra? Que retorno é requerido durante cada função? Quais condições devem ser atendidas após cada função para verificar se a mesma ocorreu da forma adequada? Identifique a Área de Foco Focalize uma área onde a ação esteja ocorrendo. Dentro dessa área, você geralmente irá encontrar uma peça e um mecanismo que atua sobre ela. Investigue ambos para determinar o que é requerido para que a função seja devidamente executada. Figura 1.5: Operação de Envasamento Verificação da peça - Existem características ou componentes da peça que devem estar presentes ou em uma direção em particular? Qual a possibilidade de que a própria peça seja direcionada ou danificada de tal modo que poderia afetar adversamente o processo? Verificação do mecanismo - O mecanismo ou a peça são controlados por sistemas separados que poderiam colidir, caso um estivesse presente sem que o outro fosse retirado? Um componente em particular é propício a quebra ou desgaste? Operação de Envasamento Função de Coroamento Foco = Tampa na Garrafa (Verificar a Operação) Aplicação: Detectar tampa de metal em garrafa que está sem a mesma, em um ambiente úmido. Foco = Bordas da Garrafa (Estabelecer Alinhamento e Prontidão da Peça) Aplicação: Detectar garrafa sem tampa em um trilho metálico, em um ambiente úmido. Foco = Tampa no Alimentador (Peça Pronta) Aplicação: Detectar tampa metálica na guia de plástico (alimentador) em um ambiente úmido. Rockwell Automation/Allen-Bradley Fundamentos de Detecção de Presença 1-7

15 CONCEITOS BÁSICOS PARA A APLICAÇÃO DE SENSORES O que é um sensor?/certificações Determine se um Sensor Deve ser Aplicado Você agora deverá decidir a importância de cada uma das áreas que você identificou no processo. Quanto mais alto o nível de automação, mais importante se torna a execução correta dessas funções. Especificamente, você deve perguntar: Qual o impacto do dano ou perda? Qual a probabilidade disto ocorrer? Quanto isto é crítico para a integridade do processo? Se a resposta para qualquer uma dessas perguntas for "elevado", você deve considerar a utilização de um sensor para monitorar uma condição que, se presente, possa facilitar uma parada no sistema. O próximo passo é definir quais as funções de detecção que necessitam ser atingidas e qual a melhor localização para obtê-las. Você está tentando determinar obstruções no sistema, limites altos/baixos, classificação, detecção de velocidade ou posicionamento de uma peça? Isto determina a localização do sensor e focaliza limitações físicas específicas. Agora é importante também considerar o seguinte: "Existem considerações de segurança ou de economia?" Se a falha na detecção de uma condição puder resultar em uma pessoa sendo machucada ou morta, ou se a falha puder resultar em uma perda financeira significante, você deve indicar que o item seja considerado com cuidado por um especialista nesse tipo de aplicação. "Este é o melhor local para executar a função de detecção?" Geralmente, em uma seqüência de operações, é o resultado final que nos preocupa. Em muitos casos, a monitoração desse resultado final pode fornecer indicação de que as ações anteriores ocorreram corretamente. Em outras operações, o meio ambiente ou restrições de espaço podem nos impedir de executar a função de detecção na área de foco, mas nós podemos executá-la com mais confiabilidade enquanto a peça estiver em trânsito ou em uma função anterior. Defina a Aplicação Você identificou uma aplicação que pode ser beneficiada através da implementação de um sensor para detectar uma condição de mudança. Tendo isto em mente, você deve agora determinar: alimentação disponível; requerimentos de Saída/Carga; características do alvo; condições ambientais. 1-8 Fundamentos de Detecção de Presença Rockwell Automation/Allen-Bradley

16 CONCEITOS BÁSICOS PARA A APLICAÇÃO DE SENSORES O que é um sensor?/certificações Identifique as Fontes de Alimentação Qual a alimentação disponível para o ponto de aplicação - CC ou CA? Baseado na tensão comumente disponível em campo, os sensores são geralmente designados para se enquadrar em uma das quatro faixas de tensão: Vcc Vca Vca Vca/cc Os sensores CA e as chaves podem receber alimentação diretamente da rede ou de uma fonte filtrada, eliminando a necessidade de uma fonte de alimentação separada. Os métodos de conexão e os dispositivos de CA são considerados como sendo mais robustos. Os sensores CC necessitam de uma fonte separada para isolar a parte CC do sinal CA. Entretanto, com tensões tipicamente inferiores a 30V, a CC é considerada mais segura que a CA. Os sensores CC estão disponíveis nas versões de corrente source e corrente sink. Os sensores de corrente source fornecem alimentação para a carga que deve se referir ao aterramento ou à fonte negativa da fonte de alimentação. Os sensores de corrente sink fornecem aterramento para a carga que deve se referir à tensão positiva que compartilha o mesmo aterramento. Vários fabricantes oferecem dispositivos CA /CC que operam com uma ampla faixa de tensões de qualquer fonte de alimentação. Esses sensores oferecem a conveniência de serem estocados, pois podem operar em várias aplicações com diferentes fontes de alimentação. Como prática geral, você pode especificar que as suas chaves ou sensores sejam alimentados por uma fonte estável livre de ruído. Geralmente, isto envolve especificar uma linha isolada ou uma fonte separada para alimentar as chaves e os sensores e estar de acordo com as classificações. Identifique os Requerimentos de Carga O sensor estará afetando o quê? Em outras palavras, que dispositivo o sensor vai controlar diretamente e quais são as suas características? Os componentes elétricos em série entre a saída do sensor e alimentação ou aterramento constituem o que é denominado como carga de entrada do dispositivo e carga de saída para o sensor. Essa carga converte os sinais elétricos da saída do sensor em som elétrico, mecânico ou fonte de luz que inicia uma mudança dentro do dispositivo afetado. Características chaves dos três tipos dos elementos do circuito que podem ser encontrados nessa carga: Os elementos resistivos constituem um tipo ideal de carga, dissipando potência em proporções diretas com a tensão aplicada. Elementos capacitivos são reativos e podem aparentar um curto circuito quando ligados na primeira vez. Rockwell Automation/Allen-Bradley Fundamentos de Detecção de Presença 1-9

17 CONCEITOS BÁSICOS PARA A APLICAÇÃO DE SENSORES O que é um sensor?/certificações Elementos indutivos como bobinas a relé e solenóides são também elementos reativos que podem criar transientes de alta tensão ao serem desligados abruptamente. O sensor precisa condicionar a saída a fim de que seja útil para o dispositivo com o qual ela faz interface? Se o evento que estamos detectando é extremamente rápido, pode ser necessário para o sensor ou um circuito de condicionamento fornecer um pulso de saída mais longo que a duração do evento. Em outros casos, como quando a função de detecção e a ação que ele inicia ocorre em dois lugares diferentes no sistema, o sinal de saída pode precisar ser comutado por um intervalo de tempo. Determine as Propriedades Físicas do Que Você Está Detectando Para qualquer função de detecção, você deve identificar o item que você quer detectar (alvo); isto pode ser um objeto inteiro ou uma característica desse objeto. Você deve também determinar as variáveis associadas ao alvo - presença, posição, direção etc. - e como essas variáveis afetam o processo. Finalmente, devemos considerar condições ambientais e seus efeitos; assegurar que os arredores não contêm fatores que afetam a tecnologia é um grande aspecto de confiabilidade da aplicação. Considerações sobre o Alvo Propriedades do Alvo - tamanho, material, cor, opacidade etc. - determinarão o uso de uma tecnologia específica e definirão limitações dentro dessa tecnologia. Por exemplo, sensores indutivos somente detectarão alvos metálicos. Entretanto, o tamanho e o material do alvo afetam a faixa e a velocidade de detecção. Mais considerações sobre o alvo em tecnologias de detecção específicas podem ser encontradas nos capítulos respectivos neste manual Fundamentos de Detecção de Presença Rockwell Automation/Allen-Bradley

18 CONCEITOS BÁSICOS PARA A APLICAÇÃO DE SENSORES O que é um sensor?/certificações Identifique as Influências Ambientais Há características do alvo, fundo e arredores, que influenciam a habilidade para diferenciar um do outro. Idealmente, a condição de mudança do alvo que você está tentando detectar deve ser única a partir dos fatores relativos ao fundo e aos arredores. Por exemplo, para detectar mudanças nas cores, devemos utilizar luz. Um sensor que utiliza luz para detectar mudanças ( um sensor fotoelétrico) nas cores do nosso alvo pode ter problemas para visualizar o alvo se os arredores estiverem muito opacos para transmitir a luz ou se o fundo refletir mais luz que o alvo. Tabela 1.1: Alvo e Ambiente Alvo Fundo Arredores Massa Forma Integridade Estrutural Tamanho Proximidade ao Alvo Material Material Material Opacidade Propriedades Emissivas Umidade Propriedades Refletidas Propriedades Refletidas Propriedades Transmissíveis Cor Cor Luz Temperatura Interferência Eletromagnética Ruído Sistemático Possibilidade de Acesso, Proximidade ao Sensor, Tempo, Quantidade Exposta Seleção do Sensor Agora que você documentou a aplicação e entendeu o que deve ser detectado, nossa discussão pode ser direcionada para a seleção do sensor. Este é um processo para determinar qual tecnologia ou tecnologias melhor utilizam as características diferenciadas mais fortes da condição de mudança ao mesmo tempo em que seja a menos afetada pelas condições do fundo e dos arredores. Raramente há uma única solução, cada tecnologia tem pontos fortes e pontos fracos que a tornam uma boa ou má escolha para uma determinada aplicação. Isto ajuda a visualizar o sistema geral e gradualmente estreitar o seu foco para processos específicos. Determine como um sensor pode melhorar esse processo e como ele se relaciona com o sistema geral. A informação resultante dessa abordagem pode então ser comparada às informações dos tipos de sensores disponíveis para determinar o melhor produto para a aplicação. Por fim, a solução escolhida tem melhor adequação em termos de desempenho, confiabilidade, disponibilidade e custo. Rockwell Automation/Allen-Bradley Fundamentos de Detecção de Presença 1-11

19 CONCEITOS BÁSICOS PARA A APLICAÇÃO DE SENSORES O que é um sensor?/certificações 1-12 Fundamentos de Detecção de Presença Rockwell Automation/Allen-Bradley

20 2 Saídas e Fiação Figura 2.1: Circuito Elétrico de Interface Básico As conexões entre os sensores, fonte de alimentação e dispositivos de carga são geralmente denominadas circuito elétrico de interface. Cada elemento é vital à confiabilidade de uma aplicação. Fonte de Alimentação Sensor Circuito da Interface Carga Uma interface confiável combina todos os requerimentos de todos os dispositivos na aplicação e antecipa aqueles referentes ao ambiente no qual é aplicada. A fonte de alimentação oferece um nível de tensão e corrente para o circuito que é compartilhado por seus dispositivos. Uma vez que a alimentação é compartilhada, você deve considerar que cada dispositivo irá obter a alimentação de que necessita para operar de forma confiável. Isto se torna muito importante quando sensores múltiplos e/ou cargas são conectados a uma fonte CC de baixa tensão. Isto também envolve assegurar que nenhum dispositivo receba muita corrente; a maioria dos sensores apresenta falhas devido à instalação imprópria, sendo que o problema mais comum é uma conexão direta da saída do sensor com a fonte de alimentação ou linha CA. Rockwell Automation/Allen-Bradley Fundamentos de Detecção de Presença 2-1

21 SAÍDAS E FIAÇÃO Fontes de Alimentação/Alimentação Disponível Fontes de Alimentação Alimentação Disponível Por uma questão de prática, você deve especificar que as suas chaves ou sensores sejam alimentados por uma fonte de alimentação estável, livre de ruído (ruído, nesse caso, é a energia indesejável induzida ao sistema por outros dispositivos ou campos elétricos). Geralmente, isto envolve a especificação de uma linha isolada ou fonte separada para alimentar as chaves e os sensores, de acordo com as classificações da fonte. Ao mesmo tempo, é também uma boa prática especificar sensores que incorporam um grau de proteção para eventos potenciais da linha de alimentação, ex. curtos circuitos e sobrecargas. Quatro tensões estão geralmente disponíveis para alimentar os sensores industriais: 12 Vcc 24 Vcc 120 Vca 240 Vca Classificações dos Sensores Proteção Os sensores industriais são geralmente projetados para operar dentro de uma das quatro classificações de tensão: Vcc Vca Vca Vca/cc Os sensores CA e as chaves podem receber alimentação diretamente de uma linha de alimentação ou uma fonte filtrada, ajudando a eliminar a necessidade de uma fonte de alimentação separada. A maioria dos sensores CC necessitam de uma fonte separada que isole a parte CC do sinal da linha CA. Independente de CA ou CC, a boa prática determina que a alimentação de um sensor deve ser proveniente de uma fonte separada e filtrada, sendo que a linha deve ser protegida com um fusível próprio a sua classificação. Isto irá proteger a fonte de alimentação e a fiação, mas fornecerá pouca proteção para os dispositivos de estado sólido e os sensores do circuito. 2-2 Fundamentos de Detecção de Presença Rockwell Automation/Allen-Bradley

22 SAÍDAS E FIAÇÃO Fontes de Alimentação/Fluxo de Corrente Fluxo de Corrente Mesmo os fusíveis de ação rápida e a maioria dos circuitos eletrônicos de limitação de corrente são muito lentos para proteger o sensor de danos, em caso de: Curto-circuito/ Sobrecarga - percurso de corrente em curto (portanto menos resistente) permite que uma corrente excessiva atinja o dispositivo. Polaridade Reversa - fiações positiva e negativa não são conectadas aos seus respectivos terminais. Se esses eventos foram previstos, especifique um sensor com proteção incorporada contra polaridade reversa, curto-circuito e sobrecarga. O consumo típico de alimentação para cada tipo de sensor: Fotoelétrico 35mA Ultra-sônico 70mA Indutivo 15mA Capacitivo 15mA Rockwell Automation/Allen-Bradley Fundamentos de Detecção de Presença 2-3

23 SAÍDAS E FIAÇÃO Tipos de Saída/Eletromecânica Tipos de Saída As configurações de saída posicionam-se em duas categorias: eletromecânica e estado sólido. Eletromecânica Relé Chave Estado Sólido ou Eletrônico Transistor Transistor FET Triac Analógico Rede ou Barramento O tipo de saída escolhido dependerá da interface da sua aplicação e os tipos de saída disponíveis para os sensores com os quais você está trabalhando. Eletromecânica Um relé eletromecânico (ou "contato seco") é atuado pela energização da fiação de uma bobina a qual atrai magneticamente uma armadura para abrir e fechar um circuito fisicamente. Quando o circuito está aberto, nenhuma alimentação é conduzida através dos contatos. Quando o circuito está fechado, a alimentação é conduzida para a carga com praticamente nenhuma queda de tensão. Um relé com contato aberto em estado de repouso ( ou desenergizado) é considerado Normalmente Aberto (N.A.), enquanto um relé com um contato fechado em estado de repouso é considerado Normalmente Fechado (N.F.) Devido à isolação elétrica da fonte de alimentação do sensor, e devido à falta de corrente de fuga (corrente indesejável presente no estado "desligado"), relés de fontes múltiplas podem prontamente ser conectados em série e/ou em paralelo para comutar cargas CA ou CC. Figura 2.2: Circuitos Eletromecânicos SPST SPDT (1 Forma C) N.F. N.F. N.A. N.F. DPDT (2 Forma C) N.A. N.F. N.A. 2-4 Fundamentos de Detecção de Presença Rockwell Automation/Allen-Bradley

24 SAÍDAS E FIAÇÃO Tipos de Saída/Estado Sólido Existem várias distribuições diferentes de contatos disponíveis: SPST - Chave de pólo único de uma posição SPDT - Chave de pólo único de duas posições (1 forma C) DPDT - Chave bipolar de duas posições (2 forma C) Uma vez que os relés são mecânicos até certo ponto, eles sucumbem ao desgaste; portanto eles possuem uma vida útil limitada. Em baixa energia, a oxidação do contato pode também causar a degeneração dos contatos. Os tempos de resposta dos relés são geralmente de 15 a 25ms, muito mais lento que a maioria das saídas de estado sólido. Estado Sólido As saídas de estado sólido devem ser consideradas para as aplicações que requerem chaveamento freqüente ou de baixa tensão em baixas correntes. Uma chave de estado sólido é puramente eletrônica - não possui partes móveis. Transistores NPN/ PNP Os transistores são geralmente dispositivos de saída de estado sólido para sensores CC de baixa tensão. Constituídos de um chip cristalino (geralmente silicone) e três contatos, um transistor amplifica ou alterna a corrente eletronicamente. Os transistores padrões estão disponíveis em dois tipos: NPN e PNP. Para a saída do transistor NPN, a carga deve estar conectada entre a saída do sensor e a conexão de alimentação positiva (+). É também conhecido como uma saída sinking. Figura 2.3: Transistor NPN + Carga Saída - Rockwell Automation/Allen-Bradley Fundamentos de Detecção de Presença 2-5

25 SAÍDAS E FIAÇÃO Tipos de Saída/Estado Sólido A saída do transistor PNP é considerada uma saída sourcing. A carga deve estar conectada entre a saída do sensor e a conexão de alimentação negativa (-). Figura 2.4: Transistor PNP + Carga Saída Os transistores exibem corrente de fuga muito baixa (medida em µa) e corrente de comutação relativamente alta (tipicamente 100mA) para facilitar a interface com a maioria das cargas CC. Os tempos de resposta dos sensores com saída a transistor podem variar de 2ms até 30µs. Entretanto, os transistores NPN e PNP são capazes apenas de comutar cargas CC. Transistor FET Figura 2.5: NFET O transistor FET é um dispositivo de estado sólido com quase nenhuma corrente de fuga, o que fornece rápida comutação de alimentação CA ou CC. Também requer uma pequena quantidade de corrente para mudar de estado de 30µA. Como resultado, os FETs são geralmente mais caros que as saídas a transistor padrões. + As saídas FET podem ser conectadas em paralelo como os contato de relés eletromecânicos. Transistor MOSFET de Alimentação Um MOSFET de alimentação (Transistor de Efeito de Campo semicondutor de metal óxido) tem como benefício pouca corrente de fuga e tempo de resposta rápido, assim como um FET com capacidade para comutação de alta corrente; as saídas MOSFET de alimentação podem comutar até 500mA de corrente. 2-6 Fundamentos de Detecção de Presença Rockwell Automation/Allen-Bradley

26 SAÍDAS E FIAÇÃO Tipos de Saída/Estado Sólido TRIAC Um TRIAC é um dispositivo de saída de estado sólido projetado, apenas, para comutação CA; em termos mais simples, é o equivalente CA de um transistor. Os TRIACs oferecem alta corrente de comutação e baixa queda de tensão, o que os torna adequados para conexão em grandes contatores e solenóides. Os TRIACs exibem maior corrente de fuga do que os FETs e os MOSFETs de alimentação. A corrente de fuga pode exceder 1mA, o que torna os TRIACs inadequados aos dispositivos de entrada para controladores programáveis e outras entradas de estado sólido. Uma vez que um TRIAC é acionado, ele permanece ligado durante o período em que a corrente está presente, impedindo que os dispositivos sejam eletronicamente protegidos contra curtos-circuitos. Um cruzamento zero de uma onda de sinal de alimentação CA de 50/60Hz é necessário para desativar um circuito TRIAC. Para a maioria das aplicações, entretanto, os MOSFETs de alimentação oferecem melhores características de saída. Figura 2.6: TRIAC CA Saída CA Figura 2.7: TRIAC - Cruzamento Zero + Tensão CA 0 60 Hertz Saída Analógica Os sensores de saída analógica oferecem uma saída de tensão ou de corrente proporcional, ou inversamente proporcional, ao sinal detectado pelo sensor. Uma vez que os sensores analógicos permitem detecção simultânea de diversos fatores, eles são usados ocasionalmente em aplicações de detecção discreta onde um sensor deverá desempenhar diversas funções. Um exemplo disto é a detecção e classificação de embalagens de cores claras e escuras. Figura 2.8: Resposta Analógica 20 Corrente (ma) 4 Inclinação Positiva Inclinação Negativa Distância (m) 4 5 Rockwell Automation/Allen-Bradley Fundamentos de Detecção de Presença 2-7

27 SAÍDAS E FIAÇÃO Tipos de Saída/Estado Sólido Rede/Barramento Em um esforço para reduzir a fiação do sistema, a rede de sensores está crescendo em popularidade. A conexão em rede permite que detectores compatíveis sejam diretamente conectados a um único cabo de suporte principal o qual, por sua vez, realizará interface com um controlador. Esses sensores incorporam um chip de interface de barramento/rede (circuito integrado) e firmware que permite a eles receber alimentação e estabelecer comunicação em linhas comuns. O custo dos componentes é geralmente alto, mas a fiação e depuração são simplificados. Tabela 2.1: Pontos Fortes e Fracos das Saídas Tipo de Saída Pontos Fortes Pontos Fracos Relé Eletromecânico Comutação CA ou CC FET Comutação CA ou CC MOSFET de Alimentação Comutação CA ou CC TRIAC Comutação CA Transistor NPN ou PNP Comutação CC A saída é eletricamente isolada da fonte de alimentação Conexões fáceis em série e/ ou em paralelo com as saídas dos sensores Alta corrente de comutação Corrente de fuga muito baixa Velocidade rápida de comutação Corrente de fuga muito baixa Velocidade rápida de comutação Corrente de saída alta Corrente de fuga muito baixa Rápida velocidade de comutação Não é possível proteger contra curtos-circuitos Vida útil finita Lenta Saída de corrente baixa Saída de corrente moderadamente alta Não é possível proteger contra curtos-circuitos Corrente de fuga relativamente alta Comutação lenta na saída Não é possível comutação de CA 2-8 Fundamentos de Detecção de Presença Rockwell Automation/Allen-Bradley

28 SAÍDAS E FIAÇÃO Fiação/2 Fios vs. 3 Fios Fiação 2 Fios vs. 3 Fios Os sensores podem ser divididos de acordo com suas configurações de fiação. As mais comuns são 2 fios e 3 fios. Os dispositivos de 2 fios são projetados para conexão em série com a carga. Em uma configuração de 3 fios, dois dos três condutores fornecem alimentação enquanto que o terceiro comuta a carga. Ambos os tipos podem ser conectados de forma estratégica, com configurações em série ou em paralelo, para conservar as entradas ou desempenhar a lógica. Conexão dos Sensores de 2 fios em Série ou Paralelo Figura 2.9: Conexão em Série de Saídas de 2 Fios Os sensores de 2 fios são os dispositivos mais fáceis de se fazer a fiação, mas podem retardar o desempenho de todo o sistema. Os sensores de 2 fios requerem alimentação da mesma linha onde estão ligados (switching), isto, combinado com suas quedas características de alta de tensão, geralmente limita o número prático que pode ser conectado aos dois. Além disso, uma vez que cada dispositivo fornece alimentação ao dispositivo subsequente, o tempo de resposta é igual à soma do número de vezes que cada dispositivo é ligado. +V Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Carga Figura 2.10: Conexão em Paralelo de Saídas de 2 Fios +V Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Carga Rockwell Automation/Allen-Bradley Fundamentos de Detecção de Presença 2-9

29 SAÍDAS E FIAÇÃO Fiação/2 Fios vs. 3 Fios Conexão das Saídas a Relé em Série ou em Paralelo Figura 2.11: Conexão em Série das Saídas a Relé Para simplificar a fiação das saídas a relé, recomenda-se separar a fiação de saída da fiação de alimentação. Em cada configuração, você irá instalar a fiação em paralelo, estando portanto livre para conectar as saídas na configuração desejada. +V Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Figura 2.12: Conexão em Paralelo das Saídas a Relé T1 +V T2 Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 T1 T2 Conexão das Saídas de 3 Fios em Paralelo Figura 2.13: Conexão em Paralelo das Saídas de 3 Fios Os sensores com saídas a transistor NPN ou PNP devem ter fiação em paralelo. A baixa corrente de fuga das saídas a transistor permite que um determinado número de dispositivos seja conectado junto antes que a corrente de fuga se torne um problema. Todos os dispositivos devem ter a mesma configuração de saída. +V Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Saída 2-10 Fundamentos de Detecção de Presença Rockwell Automation/Allen-Bradley

30 SAÍDAS E FIAÇÃO Fiação/2 Fios vs. 3 Fios Conexão das Saídas NPN de 3 Fios em Série A conexão em série de dispositivos de saída NPN de 3 fios requer que cada dispositivo na série forneça alimentação negativa ao próximo dispositivo sendo que o último dispositivo na série fornecerá alimentação negativa à carga. Uma vez que cada dispositivo fornece alimentação para o próximo, o tempo de resposta é igual ao tempo de resposta do primeiro sensor mais a soma do número de vezes de acionamento dos outros. A saída de cada sensor deve ser capaz de fornecer as correntes de pico de carga para os sensores subsequentes mais a corrente de carga. Para superar a capacitância da fonte interna dos sensores subsequentes, é necessário em algumas vezes um resistor de valor baixo (10 ohm) conectado em série com cada um. Figura 2.14: Conexão em Série das Saídas a Transistor NPN +V +V Sensor 1 Carga +V Sensor 2 +V Sensor 3 Conexão das Saídas PNP de 3 Fios em Série Figura 2.15: Conexão em Série das Saídas a Transistor PNP A conexão em série de dispositivos de saída PNP com 3 fios requer que cada dispositivo na série forneça alimentação para o próximo dispositivo sendo que o último dispositivo na série fornecerá alimentação para a carga. Uma vez que cada dispositivo fornece alimentação para o próximo, o tempo de resposta é igual ao tempo de resposta do primeiro sensor mais a soma do número de vezes de acionamento dos outros. A saída de cada sensor deve ser capaz de fornecer as correntes de pico de carga para os sensores subsequentes mais a corrente de carga. Para superar a capacitância de fonte interna dos sensores subsequentes, é necessário algumas vezes um resistor de valor baixo (10 ohm) conectado em série com cada um. +V Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Carga Rockwell Automation/Allen-Bradley Fundamentos de Detecção de Presença 2-11

31 SAÍDAS E FIAÇÃO Lógica e Temporização de Saída/Atraso na Energização e Desenergização Lógica e Temporização de Saída Algumas funções especiais dos sensores podem ser incorporadas, do contrário, essas capacidades avançadas estarão disponíveis como cartões ou módulos separados. Os sensores fotoelétricos são de alguma forma únicos entre os sensores de presença porque muitos oferecem funções lógicas ou de temporização integral. Além disso, os sensores para aplicações especializadas como detecção de movimento ou velocidade zero podem vir junto com a temporização e a lógica pré-configurada para a aplicação. Atraso na Energização e Desenergização Os atrasos na energização e desenergização são os modos mais comuns de temporização. Um temporizador de atraso na energização vai retardar a operação de uma saída depois que o alvo é detectado. Um temporizador de atraso na desenergização vai retardar a operação de uma saída depois que o alvo não for mais detectado. O tempo de atraso da maioria dos sensores é ajustável desde menos que um segundo até dez segundos ou mais. Alguns sensores de alta velocidade (menos que 1ms de tempo de resposta) contêm um tempo de atraso na desenergização de 50ms selecionável. Esse "prolongador de pulso" é útil quando for necessário reduzir o tempo de resposta de desenergização para permitir que um CLP mais lento ou outra lógica da máquina possa responder ao movimento de materiais em aplicações de alta velocidade. Figura 2.16: Atraso na Energização e Desenergização Detectado Alvo Perdido Detectado Alvo Perdido Energizada Saída Desenergizada Atraso na Energização Energizada Saída Desenergizada t = tempo, ajustado pelo usuário Atraso na Desenergização 2-12 Fundamentos de Detecção de Presença Rockwell Automation/Allen-Bradley

32 SAÍDAS E FIAÇÃO Lógica e Temporização de Saída/Monoestável Atrasado Monoestável A lógica monoestável fornece uma saída de pulso único independentemente da velocidade na qual um alvo passa pelo sensor. O comprimento do pulso é ajustável. Uma operação monoestável pode fornecer soluções diferentes de aplicação: Figura 2.17: Temporização Monoestável Em operações de alta velocidade - cada vez que um alvo passa pelo sensor, ele fornece um pulso que é suficientemente longo para permitir a resposta de outra lógica mais lenta. Em operações de baixa velocidade - fornece um breve pulso cada vez que o alvo passa pelo sensor para disparar um solenóide ou outro dispositivo de impulso. Fornece um sinal de borda de subida, independentemente do comprimento do alvo. Fornece um sinal de borda de subida, independentemente do comprimento do alvo. Alvo Detectado Perdido Energizada Saída Desenergizada t = tempo, ajustado pelo usuário Monoestável Atrasado A lógica de monoestável atrasado acrescenta um atraso de tempo ajustável antes do pulso de saída monoestável acontecer. Figura 2.18: Temporização Monoestável Atrasada Alvo Detectado Perdido Saída Energizada Desenergizada Rockwell Automation/Allen-Bradley Fundamentos de Detecção de Presença 2-13

33 SAÍDAS E FIAÇÃO Lógica e Temporização de Saída/Detecção de Movimento Detecção de Movimento A lógica de detecção de movimento fornece uma capacidade única para detectar o movimento contínuo dos alvos. O sensor fornecerá uma saída se não detectar o movimento de alvos sucessivos dentro do tempo de atraso ajustável. A lógica de detecção de movimento é útil para detectar uma obstrução ou anulação em aplicações de manuseio de materiais. Figura 2.19: Lógica de Detecção de Movimento Alvo Detectado Perdido Energizada Saída Desenergizada 2-14 Fundamentos de Detecção de Presença Rockwell Automation/Allen-Bradley