Ao usar sistemas de automação modernos no setor, o foco não está apenas no desempenho técnico, mas também na economia. Idealmente, esses sistemas combinam alta funcionalidade, flexibilidade e confiabilidade pelo melhor preço possível. Como tecnologias de cabeamento simples e comparativamente eficientes em termos de custos para sensores e atuadores no campo, AS-Interface (ASi) e IO-Link atendem precisamente esses requisitos.
Como funcionam exatamente esses sistemas de comunicação subordinados? E o que torna as gerações ASi-3, ASi-5 e IO-Link tão especiais? Neste artigo do blog, respondemos a essas perguntas e destacamos áreas de aplicação nas quais as tecnologias demonstram melhor seus pontos fortes.

AS-Interface: funcionalidade, vantagens e desvantagens

O que é a AS-Interface e como ela funciona?

AS-Interface, abreviação de “Actuator Sensor Interface”, é um padrão de comunicação padronizado internacionalmente (IEC 62026-2) usado para cabeamento de sensores e atuadores no nível de automação mais baixo. Com a AS-Interface, tanto a alimentação de energia quanto a transmissão de dados são realizadas por meio de um único cabo plano amarelo protegido contra polaridade reversa. Usando a tecnologia de perfuração, os dispositivos ASi podem ser fixados de forma fácil e flexível ao longo de todo o cabo plano e reposicionados a qualquer momento.

No padrão ASi 3, um mestre se comunica ciclicamente com os participantes, também conhecidos como nós ASi, onde cada participante é consultado com 4 bits de dados de IO bidirecionais por ciclo. Um mestre ASi pode transmitir dados e energia para até 62 dispositivos com uma tensão de sistema de 30,5 V. Dispositivos com requisitos de energia mais altos são fornecidos com 24 V ou 48 V por meio de um cabo plano separado. Uma grande vantagem é que o ASi pode ser usado em uma topologia livre, como estrutura em árvore, estrela, linha ou anel. A topologia livre facilita a configuração, a modularidade, a granularidade e a instalação para o usuário. O sistema também pode ser expandido com flexibilidade a qualquer momento.

Vantagens e desvantagens do ASi-3

Em comparação com o cabeamento paralelo convencional de sensores e atuadores, o esforço de cabeamento é significativamente reduzido com o uso do AS-Interface. Como os componentes de IO são conectados de forma prática por meio da tecnologia de perfuração e sinais seguros e não seguros são transmitidos no mesmo cabo, o trabalho de montagem e os custos de instalação são reduzidos ao mínimo. O ASi-3 também pode ser usado para transmitir valores analógicos em vários ciclos; no entanto, o ASi-3 não é adequado para a comunicação de volumes maiores de dados (acima de 2 bytes). Por isso, o ASi-3 é uma solução econômica e especialmente robusta para sensores e atuadores simples.

Diferenças entre ASi-5 e ASi-3

Em 2007, um consórcio de originalmente oito empresas iniciou o desenvolvimento de uma nova geração do AS-Interface para incorporar o conceito de Indústria 4.0. A verificação e o desenvolvimento do chip levaram muitos anos e não conseguiram cumprir todas as funções exigidas na época — incluindo o tunelamento de dados IO‑Link e a meta de alcançar a robustez e a relação custo‑benefício do ASi‑3.

Apesar de o ASi‑5 usar o já conhecido cabo flat, a comunicação foi completamente redesenhada. Enquanto o ASi‑3 se baseia no princípio mestre-assinante, com frequência portadora de 167 kHz, o ASi‑5 utiliza comunicação paralela com todos os nós ASi‑5, operando em frequências de transmissão de 1 a 10 MHz. Devido às frequências mais altas, reflexões podem ocorrer mais facilmente na extremidade aberta da linha, gerando interferências construtivas e destrutivas. O nível de sinal do ASi‑5 é inferior a 100 mV, tornando‑o significativamente mais suscetível a interferências externas em comparação ao ASi‑3, que opera com nível de sinal de ± 3 V.

Assim como seu antecessor, o ASi‑5 comunica‑se em trechos de até 200 m de cabo. Diferentemente do ASi‑3, porém, o comprimento de linha não pode ser estendido a 600 m com até dois repetidores em série. Com largura de banda de dados por ciclo quatro vezes maior, os usuários do ASi‑5 dispõem de até 16 bits por nó. Em contraste com o ASi‑3, existem pouquíssimos fornecedores de componentes individuais para ASi‑5 e apenas um provedor de sistema, o que faz do ASi‑5 um produto de nicho com fonte única de fornecimento.

Limitações de Integração com Outras Tecnologias

Onde anteriormente era possível conectar até 62 nós, o ASi‑5 agora permite a integração de até 96 nós. Com o ASi‑5, é possível alcançar tempos de ciclo de 1,27 ms para 24 nós. Devido à maior largura de banda de dados de 16 bits, o ASi‑5 consegue transmitir valores analógicos com mais rapidez. No entanto, se houver operação paralela com dispositivos ASi‑3, o número total de nós, somando ASi‑3 e ASi‑5, é reduzido para 62. Isso ocorre devido à carga indutiva e capacitiva na rede.

Diferente do ASi‑3, a imagem de dados do ASi‑5 não é permanentemente definida e, por conta do seu volume, não pode ser simplesmente transferida ao nível de controle (CLP/PLC). Para isso, é necessário o uso de um software de configuração especial.

A integração do IO-Link em uma rede ASi‑5 é bastante limitada e só faz sentido em casos muito específicos. Encaminhar um dispositivo IO-Link com até 32 bytes de largura de banda por meio do ASi‑5, que opera com apenas 2 bytes por nó, leva a limitações de desempenho do IO-Link. Apenas seis dispositivos IO-Link com 32 bytes (192 bytes) já ocupariam totalmente a comunicação ASi‑5 (96 x 2 bytes = 192 bytes), sem margem para manter o desempenho ideal. Além de sobrecarregar e tornar a comunicação mais lenta, há também desvantagens relacionadas ao aumento do tempo de jitter. Como não foi possível implementar o tunelamento do IO-Link no ASi‑5, é necessário integrar um mestre IO-Link, que é relativamente caro, ao módulo ASi‑5. Com isso, perde-se a transparência e a continuidade do IO-Link, que são características valorizadas dessa tecnologia.

Assim, o ASi‑5 é ideal para tecnologias de sensores mais complexas, tempos de ciclo rápidos e alto volume de dados. Isso inclui, por exemplo, combinações complexas de módulos digitais e analógicos com funções de segurança ou módulos com 16 I/Os, que são raramente usados na prática.

Devido às limitações mencionadas acima, aos custos relativamente altos e à complexidade da tecnologia, a Pepperl+Fuchs descontinuou completamente o desenvolvimento do sistema ASi-5.

IO-Link: funcionalidade, vantagens e desvantagens

O que é o IO-Link e como funciona?

O IO-Link é uma tecnologia de comunicação globalmente padronizada e independente de fabricante para sensores e atuadores, conforme a norma IEC 61131-9, compatível com todos os principais fieldbuses. Utilizando um cabo padrão de três vias, não blindado, mesmo os sensores e atuadores mais simples podem transmitir dados de identificação e diagnóstico ao longo de toda a estrutura do sistema, além dos sinais de comutação convencionais.

Para isso, é possível estabelecer uma conexão de até 20 metros entre um dispositivo IO-Link e o mestre IO-Link. Esse mestre pode estar localizado em um painel de controle ou diretamente em campo. A partir dele, é feita a comunicação entre os dispositivos IO-Link e o sistema de automação. Um mestre pode ter vários canais IO-Link, chamados de ports, aos quais podem ser conectados dispositivos como sensores, atuadores ou leitores/escritores RFID. O IO-Link, portanto, não é um sistema de barramento, mas sim uma conexão ponto a ponto.

No chamado modo SIO (Standard Input-Output), o sensor transmite seu status de detecção como sinal de 0 V ou 24 V. Assim que a comunicação IO-Link é ativada naquela porta do mestre, ele estabelece contato com o dispositivo e inicia a comunicação IO-Link. Mestre e dispositivo passam a se comunicar de forma bidirecional pela linha de sinal C/Q, utilizando uma sequência codificada de estados de sinal, conhecida como comutação codificada.

Uma grande vantagem do IO-Link em relação ao AS-Interface é a disponibilidade de dados adicionais, que servem como base ideal para manutenção preditiva e diagnósticos. Um exemplo é a função de armazenamento de dados (parameter server), que facilita a substituição de sensores (do mesmo modelo) durante a operação: o mestre IO-Link transfere automaticamente as configurações do dispositivo antigo para o novo.

As desvantagens em relação ao AS-Interface são a distância limitada de comunicação, de até 20 metros e os custos de cabeamento mais elevados.

Visão geral da comparação de tecnologias

Dois Protocolos de Comunicação na Prática: Controle de Rolos Motorizados com ASi‑3 e IO‑Link

Uma aplicação típica para AS-Interface e IO-Link é o controle de rolos motorizados em sistemas de armazenagem e transporte. Eles controlam funções como start/stop, sentido de rotação, aceleração/desaceleração e a velocidade de rotação de rolos motorizados DC de 24 V e 48 V. Também é possível registrar sinais digitais de entrada e saída.

Por isso, a Pepperl+Fuchs escolheu ASi‑3 e IO‑Link para os módulos de controle de motor da série G20, tecnologias que mostram todo o seu potencial em diversos pontos ao longo da linha transportadora.

Módulos G20 com AS-Interface

A Solução para Aplicações Padrão

O ASi‑3 é utilizado em sistemas de grande porte, como linhas de transporte com sensores e atuadores distribuídos por longas distâncias, para conectá-los a um controlador lógico programável (CLP) de nível superior. Os dados de até 62 dispositivos podem ser transmitidos por gateway ASi com um tempo de ciclo de 10 ms; ao utilizar gateways com dois circuitos ASi, é possível conectar até 124 dispositivos. O cabo flat amarelo é utilizado simultaneamente para alimentar os sensores e realizar a comunicação bidirecional de dados em 4 bits, o que reduz significativamente a necessidade de cabeamento.

Para todas as aplicações padrão que não exigem controle de alta precisão dos rolos motorizados, como os baseados no peso individual dos itens transportados, o AS-Interface oferece uma solução simples e altamente econômica. O ASi‑3 é a escolha ideal para linhas de transporte amplamente ramificadas, graças à sua topologia livre e alta granularidade até o nível de campo. Várias centenas de metros de linha de transporte e mais de 200 rolos motorizados podem ser conectados ao barramento de campo superior de forma extremamente econômica, usando apenas um único endereço IP.

Módulos G20 com IO-Link

A Solução para Tarefas de Transporte Mais Complexas

Como protocolo de comunicação para dados de processo, parâmetros e diagnóstico, o IO-Link oferece a possibilidade de resolver tarefas complexas de transporte com volumes maiores de dados e uma taxa de transmissão de 230 Kbit/s (COM3). Também está disponível uma versão 16-DIO com 16 entradas/saídas digitais livremente configuráveis para sinais digitais.

O módulo G20 com IO-Link é especialmente eficaz em áreas com alta densidade de entradas e saídas (I/Os). Exemplos disso são as zonas de buffer em níveis individuais do sistema de elevadores, em armazéns automáticos (high-bay warehouse) ou em vários pontos de triagem adjacentes.

Um módulo G20 IO-Link pode coletar até oito sinais digitais e controlar até quatro rolos motorizados simultaneamente. Todas as funções podem ser acessadas de forma muito rápida por meio da imagem de processo.

O IO-Link aumenta a transparência e a flexibilidade nos sistemas de transporte graças à sua maior largura de banda de dados, enquanto o armazenamento integrado de dados ajuda a minimizar o tempo de inatividade. Novos firmwares podem ser enviados para os dispositivos do sistema via IO-Link, garantindo operação confiável e acesso às funções mais recentes em qualquer momento.

Vídeo: módulos G20 em um sistema transportador

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