Do aplicativo ao esquema: Um guia para seleção e símbolos de sensores de proximidade

A confiabilidade e a precisão são as medidas de sucesso na automação industrial. O caminho entre o reconhecimento de um desafio na linha de produção e o estabelecimento de um sistema de controle eficiente é sério. Esse processo não começa com um componente, mas com uma pergunta: O que precisamos fazer? Somente quando a aplicação é definida é que podemos escolher o hardware apropriado, modelá-lo em um esquema e incorporá-lo a um circuito de controle.

Este guia abrangente o orienta nessa jornada essencial. Começaremos com o problema do mundo real, escolheremos a tecnologia de sensor correta, aplicaremos essa decisão ao símbolo padrão IEC correto, o inseriremos em um circuito de CLP funcional e até mesmo discutiremos os recursos mais avançados dos novos sensores inteligentes. Este é o guia definitivo para a transição entre aplicação e automação.

Comece pelo aplicativo: Escolhendo o sensor certo

A realidade física da aplicação deve ser conhecida antes que uma única linha seja desenhada em um esquema. O erro mais frequente no projeto do sistema é escolher um sensor porque ele é familiar e não porque é apropriado. Para evitar isso, devemos começar respondendo a quatro perguntas básicas sobre o alvo e seu ambiente. Elas são: Material, Ambiente, Distância e Precisão, e formam uma estrutura de seleção racional.

Material de destino:

O objeto a ser detectado é metálico ou não metálico? Ele é opaco, transparente ou reflexivo? A tecnologia de detecção subjacente é determinada principalmente pela composição do material.

Operacional Meio ambiente:

O sensor será exposto a contaminantes como poeira, óleo ou água? Há temperaturas extremas, alta vibração ou potencial de impacto físico? O sensor deve ser projetado e seu valor de IP (Ingress Protection, proteção contra ingresso) deve corresponder à gravidade de seu ambiente.

Distância de detecção:

A que distância a face do sensor deve estar do objeto-alvo (faixa de detecção)? Essa faixa nominal pode variar entre vários milímetros e vários metros.

Precisão e Velocidade:

Até que ponto a posição do objeto deve ser detectada? Qual é a taxa de movimentação do alvo e qual é o tempo de resposta necessário para o sistema de controle?

Essas são as considerações que informam diretamente a escolha entre as principais famílias de sensores de proximidade. Embora existam muitos sensores dedicados, os quatro tipos básicos de sensores podem ser usados para resolver a maioria das aplicações: indutivo, capacitivo, fotoelétrico ou ultrassônico. Para simplificar essa decisão, a tabela abaixo apresenta uma matriz de tomada de decisão.

Ao trabalhar metodicamente com essa tabela, o engenheiro pode restringir com segurança a tecnologia ideal para a tarefa em questão, garantindo que a base do sistema de controle seja sólida.

Estudo de caso: Detecção de garrafas PET em uma esteira transportadora

Para ilustrar esse processo de seleção, vamos analisar uma aplicação industrial comum e desafiadora: a detecção confiável de garrafas transparentes de politereftalato de etileno (PET) em um transportador de linha de engarrafamento de alta velocidade.

O problema:

O objetivo é obter uma contagem consistente de garrafas e acionar ações posteriores, como o enchimento ou a colocação de tampas. As garrafas são transparentes, movem-se rapidamente e podem apresentar pequenas variações de posição no transportador.

O processo de análise e eliminação:

Começamos aplicando nossos quatro fatores-chave:

1. Material: O alvo é o plástico PET, um não-metal. Isso elimina imediatamente os sensores indutivos, que funcionam detectando alterações em um campo eletromagnético causado por objetos metálicos.
2. Meio ambiente: O ambiente é relativamente limpo, mas pode envolver umidade ou lavagens. A velocidade é um fator crítico.
3. Distância: O sensor será montado próximo ao transportador, com uma distância de detecção de aproximadamente 100 a 300 mm.
4. Precisão: Precisamos de um sinal confiável de ligar/desligar para cada garrafa.

Como os sensores indutivos não são uma opção, analisamos as outras possibilidades. Um sensor capacitivo seria tecnicamente capaz de detectar o plástico e o líquido dentro dele, mas sua distância de detecção limitada e a possível sensibilidade à umidade ambiente seriam uma opção menos confiável em um ambiente de alta velocidade e possivelmente úmido. Um sensor ultrassônico pode ser eficaz, pois não é sensível à transparência. Mas ele tende a ser mais lento do que os fotoelétricos, devido à velocidade de propagação da onda sonora, e não é adequado para aplicações de alta velocidade.

O resultado lógico desse processo são os sensores fotoelétricos. Entretanto, mesmo nessa família, é preciso tomar uma decisão. Um sensor fotoelétrico difuso típico, que reflete diretamente a luz do alvo, provavelmente falharia. A maior parte da luz seria espalhada ou transmitida pela superfície clara e curva da garrafa PET, e um sinal não confiável seria obtido.

A solução ideal:

Um sensor fotoelétrico retrorrefletivo é a solução mais forte. Essa configuração emprega um sensor e um refletor discreto. O sensor produz um feixe de luz que é refletido de volta para o sensor. Quando uma garrafa PET passa entre eles, ela interrompe esse feixe estável. A diferença mínima na refração e reflexão da luz devido ao material e à superfície curva da garrafa é suficiente para interromper o caminho do feixe, proporcionando um disparo limpo em alta velocidade. Para obter a mais alta confiabilidade na detecção de objetos muito claros, um modelo com um filtro polarizador é empregado para rejeitar o reflexo de superfícies brilhantes que não sejam o refletor especializado.

Essa abordagem metódica, que vai do problema à tecnologia, garante a seleção de um sensor que não seja apenas funcional, mas otimizado para os desafios específicos da aplicação.

Do sensor ao símbolo: Representação esquemática correta

Depois que o sensor fotoelétrico retrorrefletivo é escolhido, a segunda etapa é modelá-lo corretamente em um esquema elétrico. Não se trata apenas de um exercício de desenho; o símbolo esquemático é uma parte exata da comunicação técnica que informa qualquer pessoa que esteja construindo, solucionando problemas ou fazendo a manutenção do sistema. Esses símbolos têm a linguagem universal da norma internacional IEC 60617.

No caso do nosso sensor fotoelétrico selecionado, o símbolo mais simples é um quadrado, que é o invólucro do dispositivo. Internamente, os gráficos se referem à sua função. Aqui, um emissor e um receptor de luz são representados por símbolos, e um ícone indica que se trata de um tipo retrorrefletivo.

No entanto, o símbolo não deve representar apenas a tecnologia de detecção. Duas configurações elétricas importantes precisam ser especificadas: o tipo de saída (PNP vs. NPN) e o estado lógico padrão (NO vs. NC).

PNP vs. NPN: Isso define como a saída do sensor comuta a carga elétrica.

• PNP (fornecimento): A saída do sensor comuta a tensão positiva (+) para a carga (por exemplo, uma entrada de CLP). Quando ativada, a saída conecta a carga à alimentação de +24 VDC. Esse é o padrão mais comum na Europa e na América do Norte.
• NPN (afundamento): A saída do sensor alterna a conexão Negativa (-) ou 0V para a carga. Quando ativada, a saída conecta a carga ao trilho de 0V (GND). Isso é mais comum na Ásia.

NO (Normalmente aberto) vs. NC (Normalmente fechado): Define o estado de saída do sensor quando ele não está detectando um alvo.

• Normalmente aberto (NA): A chave de saída está aberta por padrão. Quando o sensor detecta a garrafa PET, o interruptor se fecha e um sinal é enviado. Isso é ideal para tarefas de detecção de presença.
• Normalmente fechado (NC): A chave de saída está fechada por padrão, fornecendo um sinal contínuo. Quando o sensor detecta a garrafa, a chave se abre e o sinal é interrompido. Isso pode ser útil para aplicações à prova de falhas, pois um fio quebrado produziria o mesmo estado de um objeto detectado.

Em nosso aplicativo de garrafas PET, precisamos contar as garrafas à medida que elas chegam. Portanto, um Normalmente Aberto (NO) é adequado. Uma saída PNP seria uma opção típica, supondo que o sistema de controle seja um PLC moderno na América do Norte.

Portanto, optamos por um sensor fotoelétrico retrorrefletivo, saída PNP, lógica normalmente aberta (NO). Pequenas notações serão adicionadas ao símbolo esquemático para representar essa especificação completa, de modo que não haja nenhuma ambiguidade no diagrama do circuito.

Símbolos comuns de sensores de proximidade e seus significados

Para garantir a clareza no projeto esquemático e a comunicação eficaz entre as equipes de engenharia, são usados símbolos padronizados para representar diferentes tipos de sensores de proximidade e relés. Esses símbolos, regidos pela norma IEC 60617, codificam visualmente a função e a configuração de um sensor sem ambiguidade. Veja a seguir um detalhamento dos símbolos de sensores de proximidade mais comumente usados:

1. Indutivo Sensor de proximidade
   1. Símbolo: Um quadrado (que representa a carcaça do dispositivo) com uma bobina ou loop em seu interior.
   2. Uso: Detecta objetos metálicos usando campos eletromagnéticos.
   3. Observação: Geralmente rotulado com “Ind” ou inclui um gráfico de indutor.
2. Capacitivo Sensor de proximidade
   1. Símbolo: Um quadrado com duas linhas paralelas (representando as placas do capacitor) ou um retângulo aberto.
   2. Use: Detecta objetos metálicos e não metálicos. Inclua uma captura de tela se estiver solicitando mais detalhes.
   3. Observação: Às vezes, inclui uma linha pontilhada ou um identificador de material dentro do quadrado.
3. Sensor fotoelétrico
   1. Símbolo: Um quadrado com uma seta (feixe de luz) direcionada a um alvo.
   2. Variantes:
      1. Difuso: Tanto o emissor quanto o receptor em uma única unidade.
      2. Retrorrefletivo: A seta reflete de volta de um refletor simbolizado.
      3. Feixe de passagem: Símbolos separados de emissor e receptor conectados por uma linha ou seta.
   3. Uso: Detecta a presença por meio da interrupção da luz.
4. Sensor ultrassônico
   1. Símbolo: Um quadrado com linhas curvas (representando ondas sonoras) emitidas de um lado.
   2. Uso: Adequado para alvos claros ou transparentes e detecção de longo alcance.
5. Sensor Saída Notações de tipo (PNP/NPN)
   1. PNP (fornecimento): Geralmente indicado com um triângulo apontando para cima ou com o rótulo “+”.
   2. NPN (afundamento): Geralmente indicado com um triângulo apontando para baixo ou rotulado como “-“.
   3. Dica: Essas notações são adicionadas perto do símbolo ou documentadas em legendas de fiação.
6. Estado lógico (NO/NC)
   1. Normalmente aberto (NA): O estado padrão mostra um contato aberto; ele fecha quando ativado.
   2. Normalmente fechado (NC): Mostra um contato fechado; abre quando o sensor é acionado.
   3. Representação: Normalmente mostrado em diagramas auxiliares, blocos de contato ou anotações próximas ao símbolo do sensor.

Tabela de resumo

A compreensão e a aplicação correta desses símbolos garantem que os esquemas do sistema sejam intuitivos, compreendidos internacionalmente e prontos para a solução de problemas ou expansão.

Fiação para um PLC: Desenho do circuito de controle

O símbolo esquemático é uma representação abstrata; sua verdadeira finalidade é orientar a fiação física do circuito de controle. A integração do nosso sensor fotoelétrico PNP, NO com um módulo de entrada do controlador lógico programável (PLC) é uma tarefa fundamental na automação. Um sensor CC típico de 3 fios requer três conexões: alimentação, comum e sinal.

O circuito consiste em três componentes principais:

• A fonte de alimentação de 24 VCC: Fornece a tensão operacional para o sensor e o PLC. Possui um terminal positivo (+) e um terminal de 0V (comum).
• O Sensor de proximidade: Tem três fios. Para o nosso sensor PNP, eles normalmente são codificados por cores:
  • Marrom: +24VDC (entrada de energia)
  • Azul: 0V (comum)
  • Preto: Saída de sinal
• O PLCEntrada Módulo: Esse módulo tem vários terminais de entrada e um terminal comum. Ele lê o estado de tensão do fio de sinal para determinar se o sensor está “ligado” ou “desligado”.”

Fiação de um sensor PNP (fonte):

Em uma configuração PNP, o sensor “alimenta” ou fornece uma tensão positiva à entrada do PLC quando detecta o alvo. A fiação é a seguinte:

• O sensor Marrom conecta-se ao terminal de +24 VDC da fonte de alimentação.
• O sensor Azul conecta-se ao terminal 0V da fonte de alimentação.
• O sensor Preto O fio de sinal se conecta a um terminal de entrada específico no PLC (por exemplo, I0.0).
• O módulo de entrada do PLC Comum é conectado ao trilho de 0V da fonte de alimentação para completar o circuito.

Representação diagramática do fluxo de corrente (PNP):

+24VDC ----------------------> Fio marrom (sensor)
                             |
                             V
                          [Sensor]
                             |
Entrada do PLC (I0.0)  Fio azul (sensor)
                             |
                             V
                          [PLC Common]

Quando a garrafa PET é detectada, a chave interna do sensor PNP conecta o Marrom (+24V) fio para o Preto (sinal) fio. Isso envia um sinal de +24 VCC para o terminal de entrada do PLC, que o processador do PLC registra como um estado lógico “1” ou “alto”.

Contraste com a fiação NPN (com efeito secundário):

Para fins de esclarecimento, um sensor NPN opera de maneira oposta. Ele “afunda” a corrente da entrada do PLC para o terra. O comum da entrada do CLP seria ligado a +24 VCC, e a saída do sensor puxaria o terminal de entrada para 0 V quando ativado. A interpretação correta da designação PNP/NPN no esquema é absolutamente essencial para a fiação funcional e para evitar danos aos componentes.

O sistema inteligente: Apresentando os sensores IO-Link

Durante décadas, a saída de um interruptor de proximidade sempre foi um sinal binário: LIGADO ou DESLIGADO. Isso funciona bem em tarefas de controle simples, mas o processo de fabricação atual exige dados adicionais, flexibilidade e inteligência em todos os níveis do chão de fábrica. Esse é o domínio do IO-Link.

O IO-Link não é uma segunda rede de barramento industrial, como EtherNet/IP ou Profinet. Um protocolo de comunicação ponto a ponto padronizado (IEC 61131-9) permite que um típico cabo de sensor de 3 fios realize muito mais do que um simples sinal de chaveamento. Ele estabelece uma interface de comunicação eletrônica entre o sensor e um módulo IO-Link Master, que posteriormente interpreta os dados para o PLC ou sistema de controle principal.

O valor que essa tecnologia agrega à nossa aplicação em garrafas PET é significativo:

• Dados do processo: O sensor IO-Link é capaz de enviar dados mais detalhados do que apenas um ON/OFF. Por exemplo, ele pode fornecer um valor analógico da intensidade do sinal, de modo que o sistema possa saber se a lente do sensor está ficando suja gradualmente antes que seja tarde demais.
• Diagnóstico: O sensor é capaz de informar proativamente sua integridade e seu status. Ele é capaz de fornecer avisos de falhas críticas, como curto-circuito, superaquecimento ou falhas internas. Isso permite a manutenção preditiva, por meio da qual os técnicos podem solucionar problemas antes que eles levem a um tempo de inatividade não planejado.
• Parametrização: As configurações remotas e em tempo real do sensor podem ser modificadas no PLC. Quando a linha de produção muda para um tipo de garrafa ligeiramente diferente que precisa de um novo nível de sensibilidade, a alteração pode ser feita imediatamente no software, sem que o técnico precise tocar fisicamente no sensor e usar uma pequena chave de fenda para alterar o nível de sensibilidade. Isso é essencial em aplicações que são alteradas com frequência.

Um sensor IO-Link não é representado em um símbolo convencional de nível de circuito em um diagrama de arquitetura de sistema. Em vez disso, ele é representado como um bloco rotulado que está conectado a um IO-Link Master. Esse dispositivo mestre é um gateway que agrega dados de vários sensores IO-Link e os transmite por meio de uma rede fieldbus para o controlador central.

Quando atualizamos nosso sensor retrorrefletivo para um dispositivo habilitado para IO-Link, nós o transformamos em uma fonte de dados inteligente, o que nos dá a visibilidade e o controle necessários em projetos do Industry 4.0 e resulta em um sistema de automação mais resiliente, eficiente e flexível.

Conclusão: O projeto para a confiabilidade

O caminho entre um problema do mundo real, como a detecção de uma garrafa transparente, e um circuito de controle completamente documentado é uma ciência fundamental da engenharia. Ele mostra que os símbolos em um esquema não são desenhos aleatórios; eles são o resultado sucinto e potente de um processo exigente de análise e escolha.

Quando você começa com o aplicativo em todos os momentos, tem a certeza de que a tecnologia selecionada é adequada à finalidade. Usando um estudo de caso, você transforma requisitos abstratos em uma solução física. Essa solução pode ser codificada para ser compreendida por todos, entendendo a linguagem dos símbolos e os padrões de fiação, como PNP/NPN. Por fim, quando você olha para a tecnologia como o IO-Link, você constrói sistemas que não são apenas operacionais hoje, mas também inteligentes e flexíveis para enfrentar os desafios de amanhã. É essa abordagem sistemática e de ponta a ponta que constitui o roteiro para projetar sistemas de automação que sejam resilientes, passíveis de manutenção e genuinamente confiáveis.

OMCH: Seu parceiro em automação industrial

A teoria e a prática são discutidas, e a seleção correta dos componentes é fundamental para o sucesso de seu projeto. A qualidade de um esquema bem projetado que se traduzirá em um sistema confiável e funcional é determinada pela qualidade e disponibilidade do hardware que você especificar. Tão importante quanto o design é uma cadeia de suprimentos sólida e um suporte técnico profissional.

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