Sistemas de Controle e Automação Industrial

Prévia do material em texto

Sistemas de Controle e Automação Industrial 
Dezembro / 2002 
Prof. Me. Marco Antonio Baptista de Sousa 
SUMÁRIO 
1- INTRODUÇÃO 
2- JUSTIFICATIVA 
3- OBJETIVO 
 4- DESCRIÇÃO DE SISTEMAS DE CONTROLE DEDICADO A AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL 
 4.1 Controlador Lógico Programável – CLP 
4.2 Interfaces Homem-Máquina – IHM 
4.3 Programa Supervisório. 
 5- CONCLUSÃO 
 6- BIBLIOGRAFIA 
1. INTRODUÇÃO 
Desde a Revolução Industrial, no século XVIII, o ser humano procura produzir bens de consumo mais 
baratos, em maiores quantidades e com qualidade. Sendo assim, este vem desenvolvendo processos cada 
vez mais otimizados para alcançar tal ideal. 
 É definido como processo um conjunto de equipamentos, espaço físico e recursos humanos, 
utilizados com o objetivo de produzir um produto. Todo processo possui as seguintes etapas: 
 
Todo processo deve possuir uma entrada, que no caso de um processo produtivo, seria a matéria 
prima, o processo produtivo em si e a saída sendo o produto acabado. 
Através dos tempos, o controle do processo atravessou três importantes fases na utomação: 
a) Sistema de Atuação Manual. 
b) Sistema de atuação Semi-Automática. 
c) Sistema de atuação Automática. 
a) Sistema de Atuação Manual. 
 
a) Sistema de Atuação Manual. 
Neste tipo de controle, o homem recebia as informações do processo através da leitura de instrumentos, 
impressões visuais, sonoras e tácteis e, baseado nestas impressões, este atuava válvulas, alavancas e 
botões que alteravam o funcionamento do processo com o objetivo de obter a saída desejada. 
b) Sistema de atuação Semi-Automática. 
Outra forma de controle era baseada na supervisão do homem e de alguns itens de controle que 
eram autônomos como, por exemplo: um motor mantinha sua velocidade devido ao retorno 
recebido de um gerador de sinais acoplado mecanicamente ao próprio eixo do motor, sendo assim a 
atuação do operador apenas serviria para definir a velocidade desejada. 
 
c) Sistema de atuação Automática. 
Nesta terceira forma, o elemento de controle possui o poder exclusivo de todo o processo, ficando a 
cargo do operador, apenas a especificação das características desejadas na saída. 
 
Em todo tipo de controle, deve-se considerar alguns itens que servirão de parâmetro para a análise 
do emprego de um determinado tipo de controle a um caso 
• Custo de implantação. 
• Custo de manutenção. 
• Repetibilidade. 
• Versatilidade na mudança de suas funções. 
• Produtividade 
• Confiabilidade 
Na tabela abaixo, são enumeradas as vantagens e desvantagens de cada tipo de controle. 
TIPO DE CONTROLE VANTAGENS DESVANTAGENS 
Controle Manual 
Controle 
Semi-Automático 
 
• Melhor repetibilidade que 
o manual; 
• Menos sujeito a erros de 
operação que o manual 
 
• Baixa qualidade; 
• Sujeito a erros; 
• Baixa produtividade; 
• Baixa repetibilidade; 
• Alto custo de manutenção 
no decorrer do tempo. 
 
 Controle Automático 
• Alto controle da 
qualidade; 
• Grande repetibilidade; 
• Grande produtividade; 
• Baixo custo de 
manutenção no decorrer 
do tempo. 
• Alto custo de implantação. 
• Sem versatilidade na 
aplicação. 
 
 
 2. JUSTIFICATIVA 
 Hoje, o mercado oferece excelentes possibilidades para a automação e controle de processos. Porém, 
muitas pessoas, principalmente as que não possuem formação técnica nesta área, tem a necessidade de 
conhecer o princípio de funcionamento de equipamentos dedicados a esse fim. 
Os elementos abordados neste artigo, são genéricos e podem ser aplicados a qualquer fabricante de 
equipamentos de automação. 
3. OBJETIVO 
O principal objetivo deste trabalho será de fornecer subsídios para o conhecimento de profissionais e 
estudantes 
área industrial em geral, do princípio de funcionamento de equipamentos dirigidos à automação 
industrial. 
4. DESCRIÇÃO DE SISTEMAS DE CONTROLE DEDICADOS A AUTOMAÇÃO 
INDUSTRIAL. 
 4.1 Controlador Lógico Programável – CLP16 
O Controlador Lógico Programável (CLP) foi idealizado nos Estados Unidos da América, no final da 
década de 1960, pela indústria automobilística, que na época, tinha a necessidade de criar um elemento de 
controle versátil e, ao mesmo tempo, com uma rápida capacidade de modificação de sua programação. 
A Fig. 4.1.1 mostra a representação esquemática e o princípio de funcionamento de um CLP, onde cada 
elemento é descrito a seguir: 
 
Fig4.1.1: Representação esquemática e o princípio de funcionamento de um CLP 
Nesta figura temos: 
CPU (Unidade Central de Processamento): É o elemento responsável pela execução do programa lido 
nas memórias. 
Memória de sistema: Como a CPU é um elemento híbrido. Por exemplo, o mesmo componente pode ser 
encontrado dentro de uma calculadora ou de um vídeo cassete. Portanto, o que faz a CPU agir como um 
CLP é o programa encontrado na memória de sistema. 
 
Memória de usuário: É a memória que armazena o programa de usuário, ou seja, o programa que irá 
controlar o processo. 
Entradas e saídas: É o meio de ligação física entre o CLP e o processo, onde: 
 Entradas: O CLP recebe todos os sinais provenientes de botões, sensores, chaves, entre outros, para 
conhecimento do estado do processo. 
Saídas: Conectam-se todos os elementos passivos do processo, como por exemplo: Motores, lâmpadas, 
eletro-válvulas, sirenes, entre outros. 
Uma vez conectadas às entradas e saídas, utiliza-se um microcomputador para programar o funcionamento 
desejado de um processo. 
O aspecto físico de um CLP é mostrado na Fig. 4.1.2 
 
Fig. 4.1.2: O aspecto físico de um CLP 
 
O CLP pode receber ou enviar informações para o processo, através de sinais, classificados como sinais 
digitais ou sinais analógicos. 
Os sinais digitais são os que possuem dois estados definidos: Ligado ou desligado. Como exemplo de 
sinais digitais de entrada podem ser citados: Botões de controle; sensores de presença; chaves de fim-de-
curso; entre outros. E, como exemplo de sinais digitais de saída, tem-se: Lâmpadas de controle; sirenes; 
displays; eletro-válvulas; chaves magnéticas; entre outros. 
Muitas vezes, não basta apenas saber se um elemento foi acionado ou não, mas o quanto foi acionado; 
Para estas situações, utilizam-se sinais analógicos. 
Nestes casos, são sinais que indicam um valor de uma variável através de um sinal de tensão (0 a 10Vcc; -
5V a +5V; -10V a +10V) ou de corrente (0 a 20mA; 4 a 20mA). 
Como exemplo de sinais analógicos de entrada, tem-se: Sensores de temperatura; umidade; pressão; nível; 
entre outros. E, de sinais digitais de saída, tem-se: servo-mecanismos de um modo geral (como o utilizado 
na movimentação e posicionamento de câmeras ou outros elementos móveis) como as servo-válvulas 
(válvulas que abrem e fecham completamente ou parcialmente, se desejado); entre outros. 
Os sinais analógicos de entradas ao serem recebidos pelo CLP, são convertidos em números binários e se 
diferenciam também com respeito a sua precisão; isto pode ser indicado pelo número de bits* compostos 
pelo valor obtido. 
No mercado brasileiro encontram-se disponíveis CLP’s com entradas ou saídas analógicas com resolução 
de 8, 10, 12 ou 16 bits. Cabe ressaltar que, quanto maior o número de bits de resolução, maior será a 
precisão obtida e conseqüentemente, maior será o custo do aparelho. 
Por exemplo, qual seria a precisão de leitura de um forno industrial que possa ser aquecido de 0ºC a 
1000°C, se utilizasse um sensor, que mostrasse o valor desta temperatura na entrada analógica de um 
CLP, com um conversor para binário de 8 bits? Com um valor binário que utilize 8 bits pode-se conseguir 
256 combinações diferentes entre seus bits. Portanto, dividindo-se o valor da temperatura por 256, tem-se 
que, cada progressão binária representaráuma variação de aproximadamente 3,9°C de temperatura no 
forno. 
Assim sendo, devido à capacidade de trabalhar com qualquer tipo de sinal, pode-se dizer que um CLP é o 
elemento ideal para se controlar um sistema, ou processo, seja ele, analógico ou digital. 
* Bits são algarismos de um sistema de contagem composto por “0” e “1” chamado de Sistema Binário . 
Além da possibilidade de funcionamento autônomo, o CLP pode ser integrado com outros CLP´s (não 
necessariamente do mesmo fabricante) através da implementação de placas de redes ProfBus, InterBus, 
ModBus,entre outras, que serão descritas mais adiante. 
 
4.2 Interfaces Homem-Máquina – IHM 
 Com a grande difusão do CLP nesta última década, surgiram também novas necessidades do usuário, 
como por exemplo, a possibilidade de verificar e/ou modificar certos parâmetros dentro de um programa, 
tais como: O preset de um temporizador ou contador; o preset de uma temperatura desejada; a indicação 
de uma nova velocidade para um servo-motor; entre outros, sem a necessidade de conectar-se a um 
computador para a realização desta tarefa. 
Em face desta necessidade, surgiram as chamadas interfaces homem-máquina, também conhecidas como 
IHM’s. O mercado oferece IHM’s de dois tipos: As de interface alfa-numérica e as de interfaces gráficas. 
Numa interface alfa-numérica, a IHM é ligada ao CLP através de sua porta de comunicação. Além dos 
parâmetros normais, quando se está programando uma IHM indica-se qual será a marca e o modelo do 
CLP com o qual vai se comunicar. 
O princípio de funcionamento consiste em pré-programar mensagens, onde cada mensagem possui um 
número. Quando se deseja acessar qualquer mensagem, basta fazer com que o CLP coloque o número 
desta mensagem no registrador designado para indicar qual mensagem será mostrada no momento. 
As teclas de função podem funcionar como botões de comando para acionar qualquer elemento no CLP. A 
cada tecla é atribuído um endereço de memória do CLP. Ao acionar a tecla na IHM, este bit é “setado”, 
permitindo assim que o programa do CLP possa utilizá-lo para acionar, por exemplo, uma saída que liga 
um motor de uma bomba de recalque. 
Tal possibilidade é muito vantajosa, pois, além de não se precisar ter um painel convencional, de grandes 
dimensões, com botões e lâmpadas de controle, é possível enviar mensagens pelo display, ou acionar leds 
frontais, economizando-se assim entradas e saídas que seriam destinadas a estes elementos, pois, a IHM se 
comunica com o CLP através da porta serial de comunicação. 
Caso o usuário queira modificar um parâmetro qualquer, como por exemplo, o preset de um temporizador, 
ele pode utilizar o teclado numérico frontal, juntamente com a tecla enter para confirmar a inclusão. 
O aspecto físico de uma IHM simples, com interface alfa-numérica, é representado na Fig. 4.2.1, a qual 
apresenta um display de 4 linhas de 20 caracteres, com teclado numérico, além de teclas de função de F1 a 
F8. 
 
Fig. 4.2.1:O aspecto físico de uma IHM simples (Topo) 
Nas IHM’s gráficas, o usuário pode, por meio de um programa específico, desenhar comandos em forma 
de botões, bem como, lâmpadas para aviso ou alarmes, escolhendo cores, formatos, tamanhos e definindo, 
também, endereços do CLP para cada elemento. 
Depois de carregado o programa na IHM, o usuário deve fazer o programa no CLP que interpreta a função 
de cada endereço da IHM. Tudo isso é realizado de forma simples e rápida, podendo o usuário modificar 
esta interface a qualquer momento, acrescentando ou retirando funções, de acordo com suas necessidades. 
 Além das funções básicas citadas, as IHM’s gráficas podem mostrar valores de variáveis, tanto na 
forma numérica simples, como na forma de gráfico de barras. A Fig. 4.2.2 mostra um exemplo de IHM 
com interface gráfica, com tecnologia touch screen (toque de tela). 
 
Fig. 4.2.2: Exemplo de IHM com interface gráfica, com tecnologia touch screen (toque de tela). 
Para o usuário modificar um parâmetro qualquer (como por exemplo, o preset de um temporizador), pode-
se programar uma tecla tipo keypad, que, quando tocada, mostra uma janela com um teclado numérico 
para ser digitado. Isso facilitará em muito as rotinas e modificações necessárias das funções, e rapidez 
com que serão feitas tais alterações. 
 
4.3 Programa Supervisório. 
Assim como as IHM´s, os programas Supervisórios podem ser utilizados para a monitoração e 
modificação de parâmetros dentro de um CLP. 
Seu sistema funciona a partir de um computador comum, que através do Mouse ou Teclado, o usuário 
possa acessar qualquer parâmetro dentro de um sistema automatizado. 
4.3.1 Princípio de programação: 
Inicialmente, programa-se uma tela com o desenho do sistema supervisionado, como mostrado na figura 7.3.1: 
 
Fig. 4.3.1: Tela com o desenho do sistema supervisionado 
Com a figura criada, basta acrescentar os mostradores de valor, indicadores de preset´s, botões de 
acionamento, associando o número do registrador do CLP a cada elemento da tela. 
Com um simples toque de mouse sobre o mostrador da variável, esta permite sua alteração. 
Outra possibilidade, é a criação de várias telas inter-relacionadas permitindo a fragmentação do processo 
supervisionado. Em um sistema predial, cada tela poderia representar um pavimento ou sala. 
Neste sistema, devido a utilização um computador comum e além de possuir as mesmas possibilidades de 
uma IHM, pode-se gerar banco de dados de registros, o que permitiria, por exemplo, armazenar o 
consumo diário de água de vários apartamentos durante um ano. 
Não se pode pensar que, utilizando um sistema supervisório, o usuário não necessite de IHM, pois suas 
aplicações possuem algumas características como relacionado abaixo: 
IHM: 
- Possui robustez para serem empregadas em ambientes hostis sujeitos a umidade, poeira, ruídos 
de rede, etc. 
- Por não possuir elementos mecânicos como winchester, não estão sujeitas a erros de leitura e 
interpretação do programa nelas instalados. 
- Não permitem armazenar dados para bancos de dados. 
- Têm tamanho físico reduzido, o que facilita sua instalação em painéis, puptos, etc.. 
Programas Supervisório: 
- Possuem estrutura delicada, e devem ser instalados em computadores (de preferência 
industriais) em sala especialmente preparada (temperatura controlada) e sistemas de No-break. 
- Exigem grande espaço físico na instalação. (no mínimo 2m2). 
- Permitem armazenar grandes bancos de dados. 
- Permitem animações. 
- Possibilidade de utilização para a finalidade de computador. 
Possuem grande capacidade gráfica. 
 
5. CONCLUSÃO 
Este trabalho é apenas o início de um caminho que deverá ser trilhado, para chegar aos detalhes que cada 
profissional necessita para o desenvolvimento de um sistema. 
É muito importante o desenvolvimento da capacidade de análise do equipamento a ser utilizado, deixando 
claro que não apenas o fator “Preço” deva ser levado em consideração na escolha mas, também o fator 
“Custo” que engloba disponibilidade, atendimento pós venda, treinamento, facilidade de instalação e 
operação, versatilidade de emprego, qualidade, durabilidade, entre outros, que deverão ser questionados 
conforme a necessidade e conveniência da cada caso. 
 
6. BIBLIOGRAFIA 
 
[1] CASTRO NETO, J. S. Edifícios de Alta Tecnologia. Editora Carthago & Forte. São Paulo, 1994. 
[2] FACCIONI Fº., M. Qualidade de energia em edificações como resultado de planejamento e 
projeto integrados. Revista InTech Brasil. ISA Distrito 4. FCC Editora, São Paulo. Ano IV. nº 37, 
p.60 a 62, 2001. 
[3] MARTE, C. L. Automação Predial: A inteligência distribuída nas edificações. Editora Carthago &