Trabalho Redes Industriais - Formatado ABNT

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UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ
ENGENHARIA ELÉTRICA
ISRAEL GONÇALVES DA SILVA
CÍCERO FERREIRA MANSO NETO
VICTOR HUGO SOUZA DO NASCIMENTO
SISTEMA AS-I
RIO DE JANEIRO
2019
ISRAEL GONÇALVES DA SILVA
CÍCERO FERREIRA MANSO NETO
VICTOR HUGO SOUZA DO NASCIMENTO
SISTEMA AS-I
	Trabalho de “Redes Industriais e Sistemas Supervisórios” apresentado à Faculdade Estácio de Sá, a ser utilizada como requisito parcial para avaliação de conceito na matéria referida.
RIO DE JANEIRO
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO	4
2. IP67	5
3. AS-INTERFACE	6
3.1 Introdução	6
3.2 Benefícios	6
3.3 Características	8
3.4. Conectividade	10
3.5 Meio de Transmissão	11
3.5.1 Cabo Flexível Padrão	12
3.5.2 Cabo Circular	13
3.5.3 Comprimento do Cabo	14
3.6 Fontes de Alimentação	15
3.6.1 Fonte de Alimentação	15
3.6.2 Balanceamento	15
3.6.3 Desacoplamento dos Dados	16
3.6.4 Segurança	16
3.7 Limitações	16
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS	18
3.4 	Padrões e regulamentações .................................................................... X
		
1. 	ALTERNATING PULSE MODULATION (APM) .........................X
2. 	CONSIDERAÇÕES FINAIS.............................................................. 16
3. ANEXOS................................................................................................17
20
1. INTRODUÇÃO
O sistema AS-I (Actuator Sensor Interface, ou AS-Interface) é um sistema de rede industrial utilizado para conectar dispositivos de campo, como atuadores e sensores, e também sistemas de processamento de dados, como CPLs (controlador lógico programável).
Uma de suas principais características é poder trafegar informações de natureza discreta (0s e 1s), utilizado o mesmo par de fios de alimentação para este tráfego. O sistema AS-I encontra-se no nível mais baixo de uma planta industrial: leitura e atuadores. Este sistema não pode ser utilizado para comunicações de níveis mais altos, como Profibus, Mobdus, Industrial Ethernet e etc. Esta comunicação entre mestre e escravo é feita de forma cíclica, onde o mestre é responsável por solicitar as informações e o escravo oferece retorno realizando uma tarefa ou devolvendo um valor lido/mensurado.
Por se tratar de um maquinário de operação industrial, o AS-I apresenta certificação IP67. A certificação IP67 mostra que o aparato é à prova de poeira (totalmente vedado) e é protegido contra a imersão temporária em água de até um metro por 30 minutos (a água pode entrar, mas não o bastante para danificar o aparelho). Sendo estas características imprescindíveis para o funcionamento aceitável de uma tecnologia para ambiente fabril.
O sistema AS-I emprega uma modulação por pulsos alternados conhecida como APM (Alternating Pulse Modulation), baseada no código Manchester.
2. IP67
Conhecida como “grau ou classe de proteção IP”, esta sigla se baseia em um padrão internacional definido pela Norma IEC (Comissão Eletrotécnica Internacional) que disserta sobre o nível de proteção de dispositivos elétricos e eletrônicos contra a intrusão de elementos estranhos ao corpo do dispositivo, como água e partículas de poeira.
A codificação é usada como guia para o usuário entender à qual tipo de exposição o dispositivo pode ser submetido. Com os dois números que compõem a legenda, pode-se saber qual o nível de proteção interna e externa do aparato para o contato com tais elementos estranhos, determinando seu grau de resistência aos mesmos.
Os graus de proteção contra poeira residem no primeiro número. No caso do IP67, obtém-se a informação de que o sistema AS-I é à prova de poeira, sendo o mesmo totalmente vedado.
Já o segundo número refere-se ao grau de proteção contra água. No caso do IP67, obtém-se a informação de que o sistema AS-I é protegido contra a imersão temporária de água de até um metro por 30 minutos (água podendo entrar, mas não o bastante para danificar o aparelho).
3. AS-INTERFACE
3.1 Introdução
A tecnologia surgiu no ano de 1990, elaborada por um consórcio de empresas bem-sucedidas no território da Alemanha. Este sistema foi elaborado para complementar tecnologias já existentes, fazendo com que as conexões entre eles fossem mais simples e rápidas, entre sensores e atuadores com os seus respectivos controladores.
Seu desenvolvimento foi concebido para ser exclusivamente simples e prática, teve seu uso direcionado para máquinas e equipamentos de pequeno porte, principalmente para aqueles onde a conexão digital de sensores e atuadores representa boa parte das instalações elétricas da aplicação. Acabou por se tornar conhecida como “a rede industrial mais simples, eficiente e prática já criada para o mercado”.
3.2 Benefícios
O sistema AS-I é considerado por boa parte do mercado como o mais econômico e ideal para comunicação entre atuadores e sensores, fazendo com que seja uma tecnologia de ponta. A economia reside não somente na parte física (hardware), como também no comissionamento de uma rede AS-I propriamente dita.
Os custos da instalação são reduzidos por conta de um número menor de cabos exigidos, já que o tráfego desdados e a alimentação podem ser feitos em um único cabo, fazendo uso da tecnologia de contatos e redes. Seus componentes possuem boa granularidade (extensão à qual um sistema é dividido em pequenas partes) e facilidade para futuras expansões.
Sua frequência de erros é reduzida devido ao custo dos seus testes de erros também serem reduzidos e por conta do fácil diagnóstico dos mesmos.
É importante dizer que os valores investidos em treinamentos e qualificação profissional de operadores e profissionais de manutenção também são considerados baixos, se comparados à outras tecnologias. Esta característica é importante por quebrar paradigmas no âmbito da acessibilidade e de barreiras iniciais. 
Em sumo, podemos qualificar uma rede AS-I como:
· Simplicidade: é o seu ponto forte, requer um único cabo para conectar módulos de entradas e saídas de quaisquer fabricantes, não demanda de grandes conhecimentos em redes ou protocolos técnicos da parte do usuário para o efetivo uso da tecnologia.
· Desempenho: eficazes e rápidas, as redes AS-I são totalmente capazes de substituir sistemas de alto custo e grande porte, tendo também como ponto forte a confiabilidade na integração suave entre tecnologias existentes.
· Flexibilidade: fácil expansão, basta conectar um novo módulo, endereça-lo e conectar o cabo de rede; caso o led de alimentação esteja ligado, o sistema já está pronto para roda; outro ponto forte é o fato de que a rede AS-I suporta qualquer topologia de cabeamento (estrela, barramento, árvore, etc, com até 100 metros de cabo e, com a adição de repetidores, essa range é aumentada para até 300 metros).
· Custo: redução de até 50% no valor de instalação, se comparada com outras tecnologias de redes convencionais, resultado esse refletido até mesmo no tempo total da instalação.
Figura 1: a) Sistemas convencionais; b) Rede AS-I.
Fonte: StoneL Corporation
3.3 Características
1. Compatibilidade: sensores e Atuadores de diferentes fabricantes podem ser conectados a uma interface digital serial padronizada;
2. Controle de acesso ao meio: sistema com um único mestre e varredura cíclica;
3. Endereçamento: escravos recebem um endereço permanente do mestre ou via hand-held;
4. Estrutura da rede: sem restrições (linear, anel, estrela ou árvore);
5. Meio de transferência: dois cabos não-trançados e sem blindagem para dados e energia (24 VDC), tipicamente até 200 mA por escravo, até 8A por barramento;
6. Rápida instalação: por meio de conectores auto perfurantes
7. Tamanho de cabo: máximo de 100 m ou até 300 m com o uso de repetidores;
8. Sinais e alimentação: estão presentes em um mesmo barramento (24VDC);
9. Número de escravos: até 62 escravos por rede (versão 2.1);
10. Telegramas: telegrama do mestre contendo o endereço, resposta direta do escravo;
11. Dados: 4 entradas e 4 saídas para cada escravo e no caso de mais de 31 escravos têm, então, apenas 3 saídas; (máximo de 248 participantes binários por rede).
12. Carga útil: Transmite 4bits/escravo/mensagem.Todos os escravos são chamados sequencialmente pelo mestre e recebem 4 bits de dados. Cada escravo responde imediatamente com 4 bits de dados. 
13. Tempo de ciclo: 10 ms para a versão 2.1;
14. Detecção de erros: detecção eficiente e retransmissão de telegramas incorretos.
15. Chip AS-Interface: 4 E/S configuráveis para dados, 4 parâmetros de saídas e 2 saídas de controle.
16. Funções do mestre: varredura cíclica em todos os escravos, transmissão de dados para escravos e para a unidade de controle (CLP ou PC). Inicialização da rede, identificação dos escravos, diagnóstico dos escravos e de dados transferidos. Além disso, reporta erros ao controlador e endereça escravos substituídos.
17. Válvulas: são instaladas diretamente no local da aplicação, diminuindo a tubulação e aumentando a velocidade de resposta dos atuadores;
18. Baixo custo: de conexão por escravo e elimina módulos de entradas e saídas no CLP;
19. Confiabilidade: alto nível de confiabilidade operacional em ambientes industriais agressivos;
20. Padrão aberto: elaborado por renomados fabricantes, filiados à Associação Internacional AS-I, cujo protocolo de transmissão é normalizado.
21. Opcional: cabo de alimentação para saídas e controle de parada.
3.4. Conectividade 
A rede AS-I pode se conectar ao nível de controle principal de duas formas. Uma forma é a conexão direta, neste caso, o mestre é parte de um PLC ou PC sendo executado dentro dos tempos de ciclos determinados por esses dispositivos. Um mestre AS-I pode ser construído por qualquer fabricante, uma vez que se trata de um padrão aberto. A segunda maneira de se conectar é através de um acoplador entre uma rede de mais alto nível e a rede AS-I.
Hoje existem acopladores para as redes de campo mais importantes como: Profibus, Interbus, FIP, DeviceNet, CAN, etc.
Abaixo temos um diagrama de como se dão as duas formas de conexão (Figura 2):
Figura 2: Interligação com outras redes digitais.
Fonte: AS-International Association (2008)
3.5 Meio de Transmissão
Na rede AS-I, tem-se uma forma de interligação entre atuadores e sensores com os níveis superiores de forma bem simples e fácil, pois a mesma utiliza de apenas um único cabo para comunicação entre mestre e escravos no sistema. Isto mostra como e por que o sistema tem baixo custo e menos probabilidade de erros, sendo observado o menor número de conexões com menos cabos. 
Nesta rede se caracteriza por um cabo paralelo que faz toda interligação além de enviar alimentação (24Vcc) e comandos para os atuadores e sensores, deste modo seu arranjo de cabo mais simples marca o sistema AS-I com seus cabos especialmente padronizados e especifico na interligação de seus equipamentos.
A figura 3 mostra o sistema AS-I como um todo e suas conexões simples entre mestre e escravo (sensores e atuadores);
Figura 3: Componentes e Interface
Fonte: SANCHES, L.B. (2004)
3.5.1 Cabo Flexível Padrão
Este cabo flexível utilizado como padrão é de alta tensão e está em conformidade com as normas o mesmo tem seu baixo custo e fácil acesso. Podemos ver as especificações deste cabo padrão utilizado na rede AS-I na figura 4.
Figura 4: Cabo padrão do barramento AS-I
Fonte: AS-International Association (2008) e Turck Networks.
Como visto na figura, o cabo não blindado e não trançado possui duas vias paralelas, seu revestimento amarelo externo, possui um desenho geométrico intuitivo para não inversão de polaridades no ato da conexão. Destacando sua fácil instalação pois não necessita “descascar” o cabo para sua conexão, sendo assim mais uma economia feita com conectores e boarnes. O princípio é simples, onde posicionando o cabo pressiona-se laminas condutoras cobre o cabe, assim penetrando as isolações e fazendo contato com o cobre interno. A capa de isolamento é auto regenerativo, quando o cabo e retirado esse isolamento “fecha” evitando futuros curto-circuito. 
É de se destacar que este tipo de conexão também proporciona um nível de falhas de queda de tensão indesejáveis e são fortes fontes de mal contato.
Na figura 5a e 5b, podemos verificar tais conceitos descritos acima:
 
Figura 5a: Acoplamento de modulo ao barramento / Figura 5b: Pinos de perfuração
Por característica, este cabo amarelo também funciona como identificação do sistema AS-I. Existem casos onde o escravo pode necessitar de uma alimentação suplementar quando tem-se atuadores mais potente, e então um cabo preto é adicionado ao sistema com as mesmas especificações do amarelo, mas dedicado a alimentação do atuador, sua conexão funciona da mesma maneira porem irá conduzir a tesão de 30V.
Atenção para especificações elétricas na instalação, quanto a resistência CC para a alimentação e características de transmissão na faixa de frequência utilizada na comunicação. Deve conduzir ao menos 2A para a alimentação dos escravos. Além das duas especificações acima citadas de cabos, pode-se encontrar também uma versão de cabo na cor vermelha, que fornece até 230Vac.
3.5.2 Cabo Circular
Este cabo foi criado especificamente para o AS-I, com características elétricas bastante similares, mas com uma forma de instalação específica. Esse cabo pode ser com ou sem blindagem, mas preferencialmente são utilizados os cabos sem blindagem e com as seguintes características (na frequência de 167 kHz).
Figura 6: Cabos circulares sem blindagem.
Fonte: AS-Interface Association
3.5.3 Comprimento do Cabo
O comprimento máximo do cabo em um sistema AS-I é de 100m sem a utilização de repetidores ou extensores. No caso da utilização dos mesmos, pode se chegar até 300m no máximo.
Nas figuras 7a e 7b temos a demonstração de como aumentar o sistema através de repetidores e extensores no sistema AS-I.
Figura 7a: Solução com um Extensor e um Repetidor
Fonte: AS-Interface Association
Figura 7b: Solução com dois repetidores
Fonte: AS-Interface Association (2008)
3.6 Fontes de Alimentação
A fonte AS-I possui quatro funções especificas no sistema.
3.6.1 Fonte de Alimentação
A fonte de alimentação fornece uma tensão de 29,9VDC a 31,6VDC e corrente de 0A a 8A sob condições normais de operação. Em linhas mais longas deve-se considerar a perda máxima de 3V. Ela fornece alimentação para os escravos e parcialmente para o mestre através do cabo que também transmite dados de AS-I podendo ser ligada em qualquer ponto da rede.
3.6.2 Balanceamento
A fonte é responsável também por balancear a rede AS-i. O AS-i é operado como um sistema simétrico, não aterrado. Para imunidade a ruídos o cabo AS-i precisa ser instalado tão simétrico quanto possível. Isso é possível através do circuito de balanceamento mostrado na Figura 8. A conexão de blindagem deve ser ligada num ponto apropriado da máquina ou sistema. Apenas esse ponto pode ser conectado à terra do sistema (GND).
Figura 8: Diagrama Esquemático Simplificado da fonte AS-I
Fonte: SANCHES, L.B (2004)
3.6.3 Desacoplamento dos Dados
A rede de desacoplamento encontra-se em geral dentro do modulo da fonte de alimentação, consistem num circuito da combinação de dois indutores e dois resistores. Os indutores fazem o papel de diferenciar o pulso de tensão para converter os pulsos de corrente gerado pelos transmissores conectados a rede. Também tem a função de prevenir curto circuito no cabo.
3.6.4 Segurança
A quarta função é uma consideração de segurança. O sistema AS-I foi projetado como um sistema para baixas tensões com isolação segura (Protective Extra Low Voltage). Isso significa que de acordo com os padrões IEC relevantes, "isolação segura" é requerida da fonte entre a rede de alimentação e a rede AS-I.
3.7. Sensores e Atuadores (Interface 1)
Vide a figura 3, onde demonstra-se as interfaces do sistema AS-I. As mesmas podem ser identificadas detalhadamente abaixo:
Interface 1: Entre o escravo e os sensores e atuadores;
Interface 2: Entre os equipamentos (fonte, mestre e escravo) e o meio de transmissão;
Interface 3: Entre o mestre e o host, ou seja, uma entidade qualquer que acessa a rede AS-I de um nível superior.
3.7.1 O Escravo
Conhecido como chip AS-I pelo seu tamanho e claro sendo umchip para fácil implementação em sensores e atuadores, ocupando o mínimo de espaço no sistema, este faz a comunicação entre sensores e atuadores junto a interface de comando que esta interligada ao mestre o qual comanda todo o sistema escravo. O escravo chip AS-I reconhece comandos enviados pelo mestre e também envia dados sobre seus periféricos comandados. Em dispositivos analógicos, os dados ultrapassam os 4 bits de informação útil por ciclo. 
Os chips podem ser implementados de duas formas, embutido em sensores e atuadores, onde elementos estão integrados com o sistema e os bits de dados disponíveis ao dispositivo (Figura 9). Outra forma seria embutir em um modulo com entradas de alimentação e conexões para sensores e atuadores (Figura 10).
Figura 9: Sensor ou Atuador com AS-I embutido.
Fonte: AS-International Association (2008)
Figura 10: Modulo 2E/2S para Sensores/Atuadores convencionais.
Fonte: AS-Interface Association (2008)
Mesmo com as duas formas de utilização do chip AS-I, podemos dizer que existe uma arquitetura única representante desta interligação do escrevo AS-I com os sensores e atuadores (Figura: 11).
3.8 Limitações
Sendo o protocolo ASI um sistema simples para utilização e implementação, tem-se suas limitações para com a troca de informações e status de seu funcionamento, a grosso modo pode se dizer que funciona como um sistema digital, então suas falhas podem causar mau funcionamento dos equipamentos, perdas definitivas de toda a comunicação.
Podemos destacar algumas limitações deste sistema:
· Os dados transmitidos em AS-I são limitados a 4 bits por escravos que podem ser trocados a cada ciclo;
· AS-I é estritamente mestre-escravo, com varredura cíclica por escravos. Isto impede a transmissão assíncrona pelos sensores e atuadores;
· A transferência de dados de escravo para escravo só é possível via mestre;
· Máximo de 31 escravos para versão 2.0, 62 para versão 2.1 e 3.0;
· A limitação de comprimento do cabo é de 100m sem o uso de repetidores;
· Tempo de ciclo de 5 ms para versão 2.0.
Tendo em vista todas essas limitações, a melhor maneira de lidar com isso seria a implementação de protocolos diferentes em comunicação, complementando a rede de forma eficiente. Porém, essa combinação somente deve ser utilizada com os teste e configurações do de toda a rede antes mesmo de sua implementação, pois funcionam com linguagens diferentes e precisam se adaptar e testar essa comunicação previamente num laboratório, de preferência. Desta maneira pode se suprir as futuras falhas que podem ocorrer ao montar uma rede com protocolos diferente, visto que pode-se ter um sistema mais caro ao aumentar o número de combinações diferentes.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
http://www.smar.com/brasil/asi
acesso em: 05/09/2019
http://blog.murrelektronik.com.br/protocolos-de-rede-AS-Interface/
acesso em: 05/09/2019
http://www.profibus.org.br/artigos_tecnicos/protocolo-AS-I-agregando-inteligencia-a-sensores-e-atuadores
acesso em: 08/09/2019
https://tecnoblog.net/295274/ip67-e-ip68-a-diferenca-entre-os-graus-de-certificacao-ip/
acesso em: 09/09/2019
https://www.linkedin.com/pulse/rede-asi-uma-explica%C3%A7%C3%A3o-indo-direto-ao-assunto-leandro-domingos
acesso em: 09/09/2019
http://www.controleinstrumentacao.com.br/arquivo/ed_171/cv1.html
acesso em: 24/10/2019
https://automafull.files.wordpress.com/2014/08/redes3.pdf
acesso em: 24/10/2019
http://www.smar.com/brasil/asi#section10
acesso em: 24/10/2019