5 Sensores Modbus essenciais para automação industrial (com exemplos)

No mundo da automação industrial, os sensores desempenham um papel crucial na monitorização e controlo de vários processos. Fornecem dados essenciais que ajudam a tomar decisões informadas para melhorar a eficiência, a segurança e a produtividade. Um dos protocolos mais populares para a comunicação com sensores é o Modbus. Este artigo analisa o Modbus, as versões RTU e TCP do protocolo e destaca cinco tipos de sensores compatíveis com o Modbus que podem ter um impacto positivo em diferentes tipos de operações.

O que é o Modbus?

O Modbus é um protocolo de comunicação em série desenvolvido pela Modicon em 1979 para utilização com os seus controladores lógicos programáveis (PLC). Desde então, tornou-se um padrão em sistemas de comunicação industrial. O Modbus permite a comunicação entre vários dispositivos ligados à mesma rede, tais como sensores, actuadores e controladores.

Modbus RTU

O Modbus RTU (Unidade Terminal Remota) é a versão mais utilizada do Modbus. Funciona através de linhas de comunicação em série como RS-485 ou RS-232. O formato RTU inclui uma verificação de redundância cíclica (CRC) para verificação de erros, assegurando uma transmissão de dados fiável. É particularmente favorecido pela sua simplicidade e robustez em ambientes industriais adversos.

Modbus TCP

O Modbus TCP (Transmission Control Protocol) é uma variante que funciona através de Ethernet. Isto permite taxas de transferência de dados mais rápidas e a capacidade de integração com equipamento de rede moderno. O Modbus TCP é benéfico em ambientes onde são necessárias comunicações de alta velocidade e acesso remoto.

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Sendo um protocolo de longa data e respeitável, existem todos os tipos de sensores compatíveis com Modbus e redes Modbus. No entanto, com base na nossa experiência no Ubidots e em testes práticos, decidimos fazer uma lista com cinco tipos de sensores compatíveis com Modbus que podem ter um impacto profundo em diferentes operações industriais e um exemplo apresentado para cada um deles.

1. Contadores de energia Modbus

Os sensores de medição de potência são cruciais para monitorizar parâmetros eléctricos como a tensão, a corrente, o fator de potência e o consumo de energia. Estes sensores ajudam a gerir eficazmente a utilização de energia e a detetar anomalias que possam indicar falhas no equipamento ou desperdício de energia.

Impacto das questões relacionadas com a energia

1. Tensão:

• Processos industriais: Níveis de tensão inconsistentes ou incorrectos podem levar a um funcionamento ineficiente ou mesmo à avaria das máquinas. A sobretensão pode danificar equipamento sensível, como sistemas de controlo e computadores, enquanto a subtensão pode resultar num desempenho inadequado e num maior desgaste dos motores e outros componentes. Isto pode causar paragens significativas, reduzir a produtividade e aumentar os custos de manutenção.

2. Atual:

• Equipamento industrial: O equipamento crítico em qualquer operação industrial pode ser rapidamente afetado por sobreintensidades se o calor resultante danificar os fios e outros componentes. Para além do calor, os poderosos campos magnéticos provocados pela sobreintensidade podem também colocar muita tensão no equipamento, chegando mesmo a deformá-lo.

3. Fator de potência:

• Sistemas HVAC: Nos sistemas AVAC, um fator de potência fraco pode reduzir a eficiência das operações de aquecimento e arrefecimento, levando a um aumento do consumo de energia e a custos operacionais mais elevados.

4. Consumo de energia:

• Em qualquer tipo de operação: Um elevado consumo de energia sem uma monitorização adequada pode levar a custos operacionais excessivos, a uma maior pegada de carbono e a uma utilização ineficiente dos recursos.

Compreensivelmente, a monitorização destas variáveis relacionadas com a energia pode trazer benefícios como os seguintes:

• Otimização da energia: Ao monitorizar a utilização de energia, as empresas podem identificar áreas onde a energia está a ser desperdiçada e implementar medidas para otimizar o consumo. Isto conduz a operações mais eficientes e a custos de energia reduzidos.
• Fiabilidade: Garantir um fornecimento de energia estável e o funcionamento adequado dos sistemas eléctricos aumenta a fiabilidade dos processos industriais e minimiza as interrupções.
• Aumento da vida útil do equipamento: A monitorização adequada da energia ajuda a evitar condições que podem danificar o equipamento, prolongando a sua vida útil e reduzindo a frequência de substituições e reparações.
• Mitigação de riscos: A monitorização dos parâmetros de potência ajuda na deteção precoce de condições potencialmente perigosas, como sobreintensidades, sobretensões e curto-circuitos. Isto permite uma intervenção atempada para evitar acidentes e garantir a segurança.
• Conformidade: O cumprimento das normas de segurança eléctrica é importante para cumprir diferentes regulamentos comuns em todo o mundo. A medição de potência pode ajudá-lo a evitar problemas legais graças a reacções atempadas.

Dispositivo de energia em destaque: Módulo de medição de potência trifásica

O módulo de medição de potência trifásica da WAGO é um dispositivo versátil e compacto, projetado para medir dados elétricos em redes de alimentação trifásicas. Alojado numa caixa de montagem em calha DIN, este módulo fornece capacidades de monitorização remota a partir do nível de controlo, tornando-o ideal para várias aplicações industriais. O módulo mede variáveis eléctricas críticas, incluindo potência ativa, aparente e reactiva, consumo de energia, fator de potência, ângulo de fase e frequência.

Uma das caraterísticas de destaque do módulo da WAGO é a sua capacidade de armazenar variáveis medidas num cartão microSD, facilitando a medição móvel e o registo de dados. O dispositivo suporta a medição de corrente através de um transformador de corrente 1A e inclui uma saída de sinal digital configurável para saída de impulsos. Além disso, ele oferece uma interface de configuração para exibir e configurar os valores medidos durante a operação, garantindo facilidade de uso e flexibilidade.

2. Medidores de caudal Modbus

Os medidores de caudal Modbus são essenciais em vários sectores, como o tratamento de água, o processamento químico, o petróleo e o gás, e os alimentos e bebidas. Estes sensores podem medir o caudal volumétrico ou mássico de um fluido que se move através de um tubo, fornecendo dados críticos para o controlo e otimização do processo. Os caudalímetros volumétricos medem o volume de fluido por unidade de tempo, enquanto os caudalímetros mássicos medem a massa de fluido por unidade de tempo. Os caudalímetros de densidade, embora não meçam diretamente o caudal, são frequentemente utilizados em conjunto com os caudalímetros para fornecer dados de densidade que podem ser utilizados para calcular o caudal mássico a partir de medições de caudal volumétrico.

Compreender o impacto da medição do caudal e da densidade nos processos industriais e noutras operações pode ajudar a alcançar uma maior eficiência, qualidade e segurança.

Como é que os problemas de fluxo e densidade afectam as operações

1. Problemas de caudal:

• Processos industriais: A medição incorrecta do caudal pode levar a uma mistura inadequada e a uma qualidade inconsistente dos produtos. Por exemplo, na indústria química, caudais incorrectos podem resultar em proporções erradas de reagentes, produzindo produtos fora de especificação que podem ter de ser reprocessados ou eliminados, aumentando assim os custos operacionais e os resíduos.
• Tratamento de água: Nas estações de tratamento de água, a medição incorrecta do caudal pode afetar a dosagem de produtos químicos, conduzindo a um subtratamento ou a um tratamento excessivo da água. Isto pode resultar numa qualidade de água insegura, multas regulamentares e aumento dos custos operacionais.
• Estufas: Em estufas, a rega inadequada devido a medições de caudal imprecisas pode levar ao stress hídrico ou ao encharcamento das plantas, afectando o seu crescimento e rendimento. A sobre-irrigação pode também desperdiçar recursos hídricos e aumentar os custos.

2. Questões de densidade:

• Indústria de alimentos e bebidas: Medições incorrectas da densidade podem levar a uma qualidade inconsistente do produto, afectando o sabor, a textura e a satisfação geral do consumidor. Por exemplo, no processamento de lacticínios, as variações na densidade do leite podem afetar a consistência e a qualidade de produtos como o queijo e o iogurte.
• Indústria do Petróleo e do Gás: No sector do petróleo e do gás, medições de densidade imprecisas podem levar a processos de separação ineficientes e a uma faturação incorrecta. Isto pode resultar em perdas financeiras significativas e litígios com clientes ou fornecedores.

A possibilidade de detetar precocemente problemas de fluxo e de densidade, ou de os prevenir completamente, tem estas e outras vantagens:

• Consistência: A monitorização do fluxo e da densidade assegura uma qualidade consistente do produto, mantendo as proporções corretas dos materiais. Isto é particularmente importante em indústrias onde as formulações exactas são cruciais, como a farmacêutica e a química.
• Gestão de recursos: O fluxo eficiente e o controlo da densidade minimizam a utilização de matérias-primas e reduzem os resíduos, conduzindo a poupanças de custos e a operações mais sustentáveis.
• Manutenção Preditiva: As anomalias nas medições de caudal e densidade podem indicar potenciais problemas com o equipamento, tais como bloqueios ou fugas. A deteção precoce permite a manutenção preventiva, reduzindo o tempo de inatividade inesperado.
• Proteção ambiental: As medições exactas ajudam a controlar as emissões e descargas, reduzindo o impacto ambiental e assegurando o cumprimento da regulamentação ambiental.
  

Dispositivo de caudal em destaque: Rosemount 3418

O medidor de caudal ultrassónico de 8 percursos Rosemount 3418 da Emerson oferece os mais elevados níveis de precisão e desempenho para aplicações sofisticadas de medição fiscal. O Rosemount combina a potência de dois caudalímetros de design British Gas de 4 percursos interligados num único corpo de caudalímetro. Esta configuração inovadora apresenta uma imagem espelhada do primeiro conjunto de cordas, cancelando efetivamente os efeitos do turbilhão e do fluxo cruzado. Com uma impressionante classe de precisão de 0,5 OIML, o Rosemount 3418 requer apenas cinco diâmetros de percurso reto e elimina a necessidade de um condicionador de caudal, reduzindo significativamente os custos de compressão e bombagem, ao mesmo tempo que elimina a manutenção devido a bloqueios.

O Rosemount está repleto de caraterísticas avançadas que melhoram a sua funcionalidade e facilidade de utilização. A sua elevada rangeabilidade superior a 100:1 assegura menos passagens de contadores, linhas mais pequenas e custos de capital mais baixos. Fabricado em aço-carbono e aço inoxidável durável, o Rosemount 3418 foi concebido para resistir a ambientes industriais adversos, ao mesmo tempo que proporciona uma precisão e um desempenho sem paralelo.

3. Sensores de ambiente Modbus

Os sensores ambientais são essenciais na monitorização de variáveis ambientais, como os níveis de dióxido de carbono (CO2), temperatura e humidade. Estas medições desempenham um papel crítico em várias indústrias e aplicações, tais como sistemas AVAC, estufas, armazenamento de alimentos, fabrico e muito mais.

Impacto das questões relacionadas com o ambiente

1. Alterações de temperatura:

• Nos processos industriais: No fabrico, o controlo preciso da temperatura é crucial para manter a qualidade e a consistência dos produtos. Por exemplo, na indústria farmacêutica, as flutuações de temperatura podem afetar a estabilidade e a eficácia dos medicamentos.
• Em estufas: O controlo da temperatura nas estufas é vital para o crescimento e desenvolvimento das plantas. Temperaturas demasiado altas ou demasiado baixas podem atrasar o crescimento, afetar a floração e reduzir o rendimento das culturas.

2. Alterações de humidade:

• Em processos industriais: A humidade pode ter um impacto significativo em processos como a pintura, o revestimento e a impressão. A humidade elevada pode causar condensação, conduzindo a defeitos e a uma fraca aderência, enquanto a humidade baixa pode conduzir a problemas de eletricidade estática.
• Na armazenagem de alimentos: O controlo adequado da humidade na armazenagem de alimentos é essencial para evitar a deterioração e manter a qualidade dos produtos. A humidade elevada pode levar ao crescimento de bolor, enquanto a humidade baixa pode fazer com que os produtos sequem e percam a sua textura.

3. Alterações de CO2:

• Em estufas: Os níveis de CO2 nas estufas são críticos para a fotossíntese. Níveis elevados de CO2 podem aumentar o crescimento e o rendimento das plantas, mas níveis excessivamente elevados também podem ser prejudiciais.
• Na habitabilidade/segurança: A monitorização dos níveis de CO2 em edifícios e espaços de trabalho ajuda a manter uma boa qualidade do ar interior. Concentrações elevadas de CO2 podem provocar sonolência, redução da produtividade e problemas de saúde.

Consequentemente, a monitorização das variáveis ambientais e a atuação atempada em caso de alterações críticas trazem vários benefícios, incluindo

• Consistência: A monitorização e o controlo das variáveis ambientais asseguram condições consistentes, conduzindo a uma maior qualidade e uniformidade do produto.
• Conformidade: Em indústrias como a farmacêutica e a agroalimentar, o cumprimento de normas ambientais rigorosas é crucial para garantir a conformidade com os requisitos regulamentares.
• Eficiência de recursos: O controlo preciso das variáveis ambientais reduz o desperdício de matérias-primas e energia. Por exemplo, manter os níveis corretos de humidade pode evitar a deterioração dos produtos e reduzir o desperdício no armazenamento de alimentos.
• Segurança do processo: Nos processos que envolvem substâncias voláteis, como o fabrico de produtos químicos, o controlo das condições ambientais é crucial para evitar situações perigosas.
  

Dispositivo de CO2 em destaque: SenseCAP SOLO CO2 5000 - Sensor de CO2 NDIR

O SenseCAP SOLO CO2 5000 da Seeed Studio é um sensor de concentração de CO2 NDIR de elevado desempenho, concebido para diversas aplicações, incluindo estufas, ambientes urbanos, explorações avícolas e estações de transporte. Compatível com os protocolos de comunicação Modbus (Modbus-RTU/Modbus-ASCII) RS485 e SDI-12, este sensor compacto oferece uma funcionalidade de calibração incorporada, facilitando a sua integração e funcionamento em vários cenários em que a monitorização dos níveis de CO2 é fundamental.

O SenseCAP SOLO CO2 5000 possui uma vasta gama de medição de CO2 de 400ppm a 5.000ppm com uma precisão de ± (50ppm + 5% * MV), assegurando uma recolha de dados precisa e fiável. A sua elevada precisão, resposta rápida e estabilidade superior fazem dele uma escolha fiável para a monitorização contínua de CO2. O dispositivo suporta uma vasta gama de fontes de alimentação de 5V a 16V, proporcionando flexibilidade em diferentes ambientes de instalação. O seu tamanho compacto e a excelente relação desempenho/preço fazem dele a solução ideal para várias aplicações.

4. Sensores de pressão Modbus

Os sensores de pressão Modbus, também conhecidos como transmissores de pressão Modbus, são amplamente utilizados em várias indústrias para monitorizar e controlar a pressão em processos que envolvem gases ou líquidos. A medição exacta da pressão é vital para garantir a segurança, a eficiência e a qualidade do produto.

Como é que os problemas de pressão afectam as operações

• Na indústria transformadora: Uma pressão incorrecta pode levar a produtos defeituosos e a ineficiências no processo. Por exemplo, na moldagem de plásticos, uma pressão incorrecta pode resultar em produtos mal formados, levando a elevadas taxas de refugo e a um aumento dos custos.
• Em Alimentos e Bebidas: Na indústria alimentar e de bebidas, a manutenção de uma pressão precisa é essencial para processos como a pasteurização e a carbonatação. Uma pressão incorrecta pode levar a produtos estragados e a riscos de segurança.
• Em sistemas de filtragem: Nas estações de tratamento de água, a pressão incorrecta pode afetar a eficiência dos sistemas de filtragem. A baixa pressão pode levar a uma filtragem insuficiente, resultando numa má qualidade da água, enquanto que a alta pressão pode danificar as membranas de filtragem, levando a reparações dispendiosas e a períodos de inatividade.
• Em operações de perfuração: Na perfuração de petróleo e gás, manter a pressão correta é fundamental para evitar explosões e garantir operações seguras. Uma pressão incorrecta pode levar a falhas no equipamento, riscos de segurança e poluição ambiental.
• Sistemas de rega: Nas estufas, os problemas de pressão podem afetar o desempenho dos sistemas de rega. Uma pressão baixa pode resultar num fornecimento inadequado de água às plantas, afectando o seu crescimento e rendimento, enquanto que uma pressão elevada pode danificar o equipamento de rega.
  

Algumas das vantagens da monitorização da pressão incluem:

• Consistência: A monitorização e a manutenção de níveis de pressão corretos garantem uma qualidade consistente do produto, permitindo um controlo preciso das condições de fabrico e processamento.
• Estabilidade operacional: As medições de pressão estáveis e exactas asseguram o bom funcionamento dos processos, minimizando as interrupções e mantendo a produtividade.
• Mitigação de riscos: A monitorização da pressão ajuda a detetar condições anómalas que podem conduzir a situações perigosas em que o equipamento ou os processos falham. A antecipação de falhas com monitorização ativa evita acidentes.
  

Dispositivo de pressão em destaque: Transmissor de pressão Modbus Foxboro IAP10M

O transmissor de pressão Modbus Foxboro IAP10M da Schneideré um dispositivo de elevada precisão concebido para a medição de pressões absolutas ou manométricas de processo. Este pequeno transmissor pode ser ligado em rede utilizando Modbus over Ethernet ou uma linha de série RS485/232 selecionável, oferecendo opções de conetividade versáteis. A sua facilidade de instalação e funcionamento torna-o uma excelente escolha para uma vasta gama de aplicações nos sectores do petróleo, gás, água e industrial.

O Foxboro IAP10M possui uma saída analógica de 0:20mA com resolução de 12 bits, adequada para controlar variáveis medidas no âmbito do controlo lógico PID na UTR. Inclui também uma interface LCD de fácil utilização com controlo de dois botões e um visor de 2 linhas com 13 caracteres para fácil configuração e monitorização.

5. Medição de vibrações

Os sensores de vibração, também conhecidos como acelerómetros, são essenciais para monitorizar o estado das máquinas e equipamentos em várias indústrias. Estes sensores medem os níveis de vibração das máquinas, fornecendo dados essenciais para evitar falhas, otimizar os planos de manutenção e garantir operações sem problemas. A compreensão dos impactos negativos dos problemas de vibração nos processos industriais e noutras operações realça a importância destes sensores para alcançar um desempenho e fiabilidade ideais.

Impacto das questões relacionadas com a vibração

• Fabrico: A vibração excessiva nas máquinas de fabrico pode levar a desalinhamento, desgaste e falha prematura dos componentes. Isto pode causar atrasos na produção, redução da qualidade do produto e aumento dos custos de manutenção.
• Maquinação: Nas operações de maquinagem de precisão, as vibrações podem levar a imprecisões nos processos de corte, perfuração e fresagem. Isto resulta em peças defeituosas, taxas de refugo mais elevadas e retrabalho adicional.
  

Ao monitorizar as vibrações, pode cuidar melhor das suas máquinas e processos, obtendo alguns benefícios como estes:

1. Manutenção melhorada:

• Manutenção Preditiva: A monitorização das vibrações permite a manutenção preditiva, identificando sinais precoces de desgaste e potenciais falhas. Isto permite uma manutenção atempada, reduzindo as avarias inesperadas e o tempo de inatividade associado.
• Aumento da vida útil do equipamento: Ao detetar e resolver precocemente os problemas de vibração, a vida útil da maquinaria e dos componentes pode ser significativamente prolongada, reduzindo a frequência e o custo das substituições.

2. Poupança de custos:

• Redução do tempo de inatividade: Ao evitar falhas inesperadas através da deteção precoce de problemas de vibração, as empresas podem minimizar o dispendioso tempo de inatividade e manter calendários de produção consistentes.

3. Maior segurança:

• Mitigação de riscos: A monitorização das vibrações ajuda a detetar condições que podem conduzir a falhas catastróficas, como a falha de rolamentos ou a fadiga estrutural. Isto garante a segurança do pessoal e do equipamento.

Dispositivo de vibração em destaque: QM30VT2

Os sensores QM30VT2 da Banneroferecem um nível excecional de precisão na medição da velocidade e temperatura RMS graças ao seu design com um perfil baixo e construção metálica rígida que minimiza a interferência ressonante e melhora o contacto com a superfície. Estes sensores podem detetar até mesmo pequenos aumentos na vibração e temperatura da máquina, proporcionando uma identificação precoce de potenciais problemas.

O QM30VT2 comunica dados de desempenho utilizando Modbus RTU e é ideal para detetar potenciais problemas em motores, ventiladores, bombas e qualquer maquinaria com movimento rotativo ou vibração. Disponível em modelos com uma caixa de aço inoxidável 316L ou uma caixa de alumínio resistente, são construídos para suportar ambientes industriais adversos.

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Conclusão

O Modbus continua a ser uma pedra angular da comunicação industrial, proporcionando uma forma fiável e flexível de ligar e controlar uma vasta gama de sensores e dispositivos. Ao compreender as capacidades dos diferentes sensores e facilitadores Modbus, tais como PLCs e gateways, as indústrias podem otimizar os seus processos, aumentar a eficiência e assegurar o bom funcionamento dos seus sistemas. Quer esteja a monitorizar a potência, o fluxo, a pressão ou as condições ambientais, os dispositivos compatíveis com Modbus oferecem uma solução robusta para as suas necessidades de automação.

Nas operações industriais, manter o controlo sobre estas e outras variáveis críticas é essencial para garantir a eficiência, a segurança e a qualidade do produto. Os impactos negativos destas variáveis que excedem os seus intervalos normais podem levar a interrupções operacionais significativas, aumento dos custos de manutenção e potenciais riscos de segurança. No entanto, ao utilizar sensores compatíveis com Modbus, as indústrias podem obter uma monitorização e controlo precisos sobre estas variáveis, transformando potenciais riscos em oportunidades de otimização e melhoria.

Sensores Modbus encontram a nuvem

As operações industriais em todo o mundo estão a aproveitar cada vez mais o protocolo Modbus para se integrarem em tecnologias de nuvem, enviando dados de telemetria para plataformas IoT como o Ubidots. Quando emparelhado com plataformas IoT, o Modbus permite que os dados em tempo real dos processos industriais sejam transmitidos para a nuvem, onde podem ser analisados, monitorizados e controlados remotamente. Esta integração aumenta a eficiência e a flexibilidade das operações industriais, permitindo a manutenção preditiva, a otimização de processos e uma melhor tomada de decisões através de informações baseadas em dados.

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Como é que posso enviar dados de sensores Modbus para a nuvem?

Uma rede Modbus pode ser composta por vários tipos diferentes de dispositivos, cada um com a sua própria função distinta, mas o responsável por encaminhar os dados do sensor para a nuvem é normalmente um gateway. Veja como pode enviar facilmente os seus dados Modbus para a nuvem integrando o seu WAGO, Advantech, Red Lion (ou qualquer outro) gateways no Ubidots.