Aula_de_Princípios_de_Automação_2015

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PRINCÍPIOS DE AUTOMAÇÃO
TÓPICOS ABORDADOS
Evolução da Automação
Controle de Processos
O Controlador Lógico Programável (CLP)
Básico de Sensores
Linguagens de Programação
Evolução da Automação
Início da Automação
Sincronização de mecânica de máquinas;
Controle de variáveis manual.
2. Segunda Guerra
Desenvolvimento do Controle e Processos
Surge a grande divisão da Automação – Automação de Manufatura (equipamento de controle de automação de máquinas) e Controle de Processos (equipamentos de monitoração e controle de grandezas físicas de um processo).
3. Anos 50
Invenção do transistor
4. Anos 60
Computadores
Primeiros CLPs
5. Anos 70 e 80
Desenvolvimento dos Microcontroladores
Conceitos Básicos - Níveis de Automação
NÍVEL 0 - Representa o “Chão-de-fábrica”, quer disser, os equipamentos instalados diretamente nas máquinas ou planta de processo.
Exemplos : Motores, Sensores, Acionadores, Painéis de Comando, Sinalizações.
NÍVEL 1 - Representa a parte lógica, ligada diretamente a animação e controle das máquinas ou planta de processo.
Exemplos : CLP`s e sua programação, Interfaces- Homem-Máquina, Sistemas eletrônicos específicos de controle.
NÍVEL 2 - É o nível de supervisão, ou gestão, de um processo. Normalmente não participa diretamente na animação e controle, embora algumas vezes isto aconteça. Sua função principal é trabalhar na gestão dos dados envidados ou gerados pelo processo. Fisicamente, este nível é constituído por Microcomputadores ou Computadores de maior porte.
Exemplos de funcionalidades N2 :
Gestão de receitas ( parâmetros do processo) e envio destas ao N1
Geração de relatórios de produção, através de dados recebidos do N1
Geração de gráficos históricos ou de tendências de variáveis do processo.
Gestão de eventos , mensagens de defeitos ou alarmes do processo.
NÍVEIS 3 - É a interface entre o(s) processo(s) e os Sistemas Corporativos. 
Exemplos de funcionalidades N3 :
Gestão de estoque
Gestão de produção
Traçabilidade
Controle estatístico do processo
Fluxo de Informações
OPERADOR
PAINEL DE CONTROLE
Resposta de SINALIZAÇÃO
Entrada por INSTRUÇÕES
PLC
PROGRAMA DO USUÁRIO
Resposta de COMANDO
Entrada Por REGISTRO
MÁQUINA PROCESSO
Controle de Processos
Controle Contínuo (variáveis analógicas)
Controle Discreto (variáveis discretas)
Controlador
Planta
r(t)
 SP
+
-
e(t)
u(t)
MV
y(t)
PV
Malha aberta X Malha fechada
Ações básicas de controle
Controladores de duas Posições ou Liga-Desliga (ON-OFF)
Controlador PID
Controladores Proporcionais;
Utilizam o valor de erro e tentam compensar este valor com um valor proporcional ao mesmo;
Controladores Proporcional, Integral e Derivativo;
Ação Integral: A ação integral resumidamente atua no sistema de forma a anular o erro em regime permanente.
Ação Derivativa: A ação derivativa atua no sistema de forma a obter um controlador com alta sensibilidade. Este controle antecipa o erro atuante e inicia uma ação corretiva. 
O CLP
Em 1968 cientes das dificuldades encontradas na época para se implementar controles lógicos industriais. David Emmett e William Stone da General Motors Corporation solicitaram aos fabricantes de instrumentos de controle que desenvolvessem um novo tipo de controlador lógico que incorporasse as seguintes características:
Ser facilmente programado e reprogramado para permitir que a seqüência de operação por ele executada pudesse ser alterada, mesmo depois de sua instalação;
Ser de fácil manutenção, preferencialmente constituído de módulos interconectáveis;
Ter condições de operarem ambientes industriais com maior confiabilidade que os painéis de relês;
Ser fisicamente menor que os sistemas de relês;
Ter condições de ser interligado a um sistema central de coleta de dados;
Ter um preço competitivo com os sistemas de relês e de estado-sólido usados até então.
Esse equipamento recebeu o nome de "Controlador Lógico Programável” CLP ou PLC.
Alguns Fabricantes de CLPs
Mitsubishi
Allen Bradley
Siemens
GE-Fanuc
Altus
WEG
Componentes Básicos do CLP
Fonte de alimentação;
CPU (Unidade Central de Processamento);
Módulos de entrada e saída;
Memórias;
Software de programação.
Princípio de Funcionamento do CLP
Ciclo básico de varredura
Padrão da Porta Serial
Normalmente são encontrados:
RS-232: padrão EIA (Electronic Industries Association) para transmissão de dados por intermédio de cabo `par-trançado`, em distâncias de até 15m. Define pinagem de conectores, níveis de sinais, impedância de carga, etc. para dispositivos de transmissão e recepção. É o padrão existente nas portas seriais dos PCs.
RS-422: padrão EIA para transmissão de dados com balanceamento de sinal (linhas de transmissão e recepção tem comuns independentes), proporcionando maior imunidade a ruídos, maior velocidade de transmissão e distâncias mais longas (até 1.200m). A comunicação é full-duplex (pode enviar e receber dados simultaneamente).
RS-485: similar ao padrão RS-422. Os receptores tem proteções e capacidades maiores. A comunicação é half-duplex (pode apenas enviar ou receber dados em um mesmo instante).
Ligação dos sensores as entradas dos CLPs
Conexão Tipo Fonte (SOURCE)
Na conexão tipo SOURCE o chaveamento será positivo, onde "0" significará 0V no terminal X e "1" significará 24Vcc no terminal X.
Uma conexão do tipo SOURCE pode ser montada utilizando-se a própria fonte da CPU como também uma fonte externa, conforme as figuras a seguir:
 Utilizando fonte de alimentação interna Utilizando fonte de alimentação externa.
CONEXÃO TIPO FONTE ( SINK )
Na conexão tipo SINK o chaveamento será negativo, onde "0" significará 24Vcc no terminal X e "1" significará 0V no terminal X.
Uma conexão do tipo SINK, assim como a conexão tipo SOURCE pode ser montada utilizando-se a própria fonte da CPU como também uma fonte externa, conforme as figuras a seguir:
Utilizando fonte de alimentação interna. Utilizando fonte de alimentação externa.
Tipos de Contato
1- Contato normalmente aberto (NA):
	Este tipo de contato é construído de maneira que permaneça aberto durante o repouso do aparelho ao qual pertença. Quando acionado o aparelho, o contato NA é fechado permitindo a circulação de corrente elétrica pelo circuito. Também é chamado de contato fechamento, contato de trabalho ou normally open contact (NO). 
Ação que atua o contato
2- Contato normalmente fechado (NF):
	Este tipo de contato é construído de maneira que, quando acionado abre o circuito interrompendo a passagem da corrente elétrica. Também é chamado de contato abertura, contato de repouso ou normally closed contact (NC).
Ação que atua o contato
Lógica dos contatos elétricos
Contato tipo NA 
Não atuado = Circuito aberto = 0
Atuado = Circuito fechado = 1
Contato tipo NF
Não atuado = Circuito fechado = 1
Atuado = Circuito aberto = 0
SENSORES
Sensores Magnéticos
Sensores Indutivos
Sensores Capacitivos
Sensores Ópticos
Sensores Magnéticos
Sensor magnético de sobrepor, para portas e janelas, com fio. Utilizado para acionar o alarme em caso de abertura de portas e janelas.
Também chamados de chaves de finais de curso ou limit switches, emitem um sinal elétrico (ou pneumático) quando há um contato físico entre o objeto a ser detectado e o mecanismo de detecção. 
Sensor Indutivo
Os sensores indutivos são emissores de sinal que detectam, sem contato direto, elementos metálicos que atravessam o seu campo magnético convertendo em um sinal elétrico inteligível. 
.
Sensor desacionado
Sensor acionado
Objeto metálico
Fase do sensor
Campo magnético
Bobina
Circuito magnético
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Os sensores indutivos são emissores de sinal que detectam, sem contato direto, elementos metálicos que atravessam o seu campo magnético convertendo em um sinal elétrico inteligível. 
Um sensor de proximidade indutivo é composto de um circuito oscilador LC, um avaliador de sinais, e um amplificador chaveado. 
A bobina deste
circuito oscilador gera um campo alternado eletromagnético de alta freqüência. Este campo é emitido pela face detectora do sensor. Quando um objeto metálico se aproxima da parte sensora, são geradas correntes parasitas (correntes de Foucault). As perdas resultantes retiram energia do circuito oscilador e reduzem as oscilações. O avaliador de sinais, depois do circuito oscilador LC, converte estas informações em um sinal limpo.
Aplicações
Sensor Capacitivo
Este tipo de sensor é utilizado para detectar a presença de líquidos, papéis, plásticos, madeiras, metais, materiais orgânicos, etc . Seu funcionamento baseia-se na variação de seu campo elétrico com a introdução do objeto, 
 
Objeto metálico
Fase do sensor
Capacitor
Sensor acionado
Sensor desacionado
Campo elétrico
Aplicações
Sensores Fotoelétricos
Sensor fotoelétrico é um equipamento de controle ótico utilizado em vários processos de automação. Ele detecta um feixe de luz visível ou invisível e responde a mudanças na intensidade do feixe. As mudanças na luz podem ser o resultado da presença ou ausência do alvo ou então resultado de mudança no tamanho, forma, refletividade ou cor de um alvo.
Modos de detecção fotoelétricos
Podemos dividir basicamente os modos de detecção em 4 tipos:
Feixe transmitido (Opposed mode):
Feixe retro-refletido (Retroreflective mode):
Feixe difuso ou de proximidade (Proximity mode):
Fibra ótica (Fiber optics):
Feixe transmitido (Opposed mode)
Neste sensor o transmissor e o receptor são separados. O objeto a ser detectado deve interromper o feixe, e seu corpo deve ser opaco o suficiente para interromper ou reduzir substancialmente a intensidade do feixe.
Feixe retro-refletido (Retroreflective mode):
Neste sensor o transmissor e o receptor estão no mesmo corpo do sensor. O objeto a ser detectado deve interromper o feixe, e seu corpo deve ser opaco o suficiente para interromper ou reduzir substancialmente a intensidade do feixe.
Feixe difuso ou de proximidade (Proximity mode)
Neste tipo de sensor é necessário apontar o emissor diretamente para o alvo. A luz emitida é espalhada pela superfície de todos os ângulos e uma pequena parte é refletida de volta para ser detectada pelo receptor contido no mesmo corpo.
Fibra Ótica (Fiber optics)
Este tipo de sensor é utilizado em locais onde não é possível a instalação de um equipamento comum, devido ao ambiente ou aplicação (ex.: calor extremo, ruído elétrico, vibrações e espaço reduzido). Podendo funcionar em todos os modos de detecção fotoelétrico usuais. Ele usa um cabo flexível composto por várias fibras que conduzem o feixe de luz do emissor para o receptor.
Sensores fotoelétricos possuem as mais diferentes formas e tamanhos.
Aplicações
Verificação da presença da tampa
Análise do tamanho e posição do pacote (volume)
Contagem de container
Verificação de impressão em chips (laser)
Contagem do número de pernas de chips
Contagem de latas e checagem do enchimento
Contagem de garrafas
Localização de marcas de corte em impressão
Verificação da correta colocação da tampa e presença
Checagem da presença de etiqueta
Cortina de segurança para proteção
Sinalizar erro de alimentação em máquinas
Checagem do conteúdo
Contagem de componentes
Contagem de embalagens
Checagem de etiqueta
Checagem da cor da etiqueta
Contagem da embalagem e do enchimento
Detecção de problemas em ambientes inflamáveis
Detector de presença
Sensores Ultra Sônicos 
Utilizam ondas sonoras de alta freqüência para detectar objetos. 
Princípio de Funcionamento
O emisssor envia impulsos ultrasônicos sobre o objeto analisado. As ondas sonoras voltam ao detetor depois de um certo tempo, proporcional a distância. 
Aplicações
TRANSDUTORES
O princípio de funcionamento dos transdutores está baseado na variação de um sinal elétrico gerado devido a variação de um parâmetro físico
Exemplos:
Termoresistor(Pt100): Varia sua resistência de acordo com a temperatura.
Termopar:Gera uma tensão elétrica quando submetido a uma temperatura.
Tacogerador:Gera uma tensão proporcional a velocidade no qual é submetido.
Célula de Carga:Varia sua resistência de acordo com a força que lhe é aplicada .
Com a diversidade de sensores e transdutores disponíveis no mercado, a escolha de qual usar depende do que será mensurado ou controlado. A tabela a seguir, mostra os sensores e transdutores mais comuns que são utilizados.
Introdução às Linguagens de Programação
São várias as linguagens de programação utilizadas em controladores programáveis. O IEC – International Electrotechnical Committee – é o responsável pela padronização dessas linguagens de programação, sendo a norma IEC 61131-3 Programing Languages - a recomendada para o assunto em questão.
LINGUAGEM DE RELÉS (LADDER)
LISTA DE INSTRUÇÕES
DIAGRAMA LÓGICO
GRAFCET
Como escolher um CLP
Determine quando o seu sistema é novo ou já existente: O seu sistema será instalado desde o início ou existem produtos já instalados que seu novo sistema terá que ser compatível com estes? 
Por que isto é importante: Com certeza existem produtos que não são compatíveis com todos os CLPs. Tenha certeza que todos os produtos já existentes sejam compatíveis com o CLP que está procurando para que economize seu tempo e dinheiro.
2.  Defina qualquer condição ambiental que irá afetar a sua aplicação: Existem específicas questões ambientais que irão afetar seu sistema (temperatura, ruídos, vibrações, códigos específicos para sua facilidade, etc.) ? 
Por que isto é importante: Certamente o meio ambiente pode afetar na operação de um CLP. Por exemplo, um típico CLP tem a sua faixa de temperatura de 0-60 graus Celsius. Se sua aplicação incluir qualquer condição ambiental extrema, precisará encontrar produtos que satisfaçam tais condições, ou projetar uma instalação que reuna estas especificações.
3.  Determine quantos dispositivos analógicos e discretos sua aplicação terá: Quantos dispositivos discretos e analógicos o sistema terá? Quais tipos (AC, DC, etc.) serão necessários? 
Por que isto é importante: O número e o tipo de dispositivos que seu sistema incluirá, é diretamente relacionada ao número de I/O que será necessária para seu sistema. Você precisará escolher um CLP que suporte a quantidade de I/O que serão utilizadas e tenham módulos que suportem os tipos de sinal utilizados.
4. Determine quando o seu sistema irá utilizar qualquer característica especial: Sua aplicação irá utilizar algum contador rápido ou posicionamento? Quanto a um clock em tempo real ou outra função especial? 
Porque isto é importante: Funções especiais não são necessariamente possíveis utilizando módulos de I/O padrões. Planejando primeiramente quando ou não sua aplicação irá requerer tais características, irá ajudar determinar se você precisará adquirir os módulos especiais para o seu sistema.
 
5. Determine o tipo da CPU que irá utilizar: Quanta memória o seu sistema necessita? Quantos dispositivos o sistema terá (determina a memória de dados)? Qual o tamanho do programa e quantos tipos de instruções será incluído (determina a memória de programa)? 
Porque isto é importante: A memória de dados se refere a quantidade de memória necessária para a manipulação de dados dinâmicos e de armazenamento do sistema. Por exemplo, contadores e temporizadores normalmente utilizam a memória de dados para armazenar os valores registrados, valores correntes e outras marcas. Se a aplicação um histórico da retenção de dados, tais como medidas dos valores dos dispositivos durante um longo espaço de tempo, os tamanhos da tabela de dados requerida vai depender de qual modelo de CPU você escolher. A memória de programa é a quantidade de memória necessária para armazenar a lista de instruções do programa que foram programadas para a aplicação. Cada tipo de instrução requer uma quantidade de memória diferente, normalmente especificada no manual de programação
do CLP. Mas a memória se tornou relativamente barata e facilmente é feito um upgrade se necessário. 
6. Determine onde as I/Os estarão localizadas: O seu sistema Terá apenas I/Os locais , ou ambas I/O locais e remotas? 
Por que isto é importante: Se sua aplicação irá necessitar de elementos a uma longa distância da CPU, então você irá precisar de um modelo de CLP que suporte I/O remota. Você também terá que determinar se a distância e a velocidade suportada pelo CLP irão se adequar para a sua aplicação.
7.  Determine os requisitos de comunicação: O seu sistema terá que se comunicar com outra rede ou outro sistema? 
Porque isto é importante: As portas de Comunicação não são necessariamente incluídas junto com os CLPs. Sabendo primeiramente que seu sistema irá ou não comunicar com outro sistema, ajudará na escolha da CPU que suportará os requisitos de comunicação ou módulos adicionais de comunicação se necessário.
8.  Determine os requisitos do programa: O seu programa necessita apenas de funções tradicionais ou é necessário funções especiais? 
Por que isto é importante: Alguns CLPs não suportam todos os tipos de instruções. Você terá que escolher um CLP que suporte todas as instruções que necessite para uma aplicação especifica. Por exemplo, funções PID que são muito fáceis de usar, escrevendo o seu próprio código para realizar controles de processo de ciclo fechado.
INSTRUÇÕES BÁSICAS
CLP FAMÍLIA FX
Série FX-2N
Registros de Entrada e Saída
Registros de entrada : Relés de entrada.
Faixa de endereçamento: X0 a X177 (octal)	Máximo de 128 pontos de entrada.
Registros de saída: Relés de saída.
Faixa de endereçamento: Y0 a Y177 (octal)	Máximo de 128 pontos de saída.
TAREFA 01:
Procedimento:
Ligar X0, ligar X1.
Desligar X0 e desligar X1.
TAREFA 02
Objetivo: Conceituar dupla ocupação de dispositivo de saída.
Procedimento:
Ligar a chave X0;
Ligar a chave X2;
Desligar a chave X0.
TAREFA 3
Procedimento:
Pulsar X0;
Pulsar X1.
TAREFA 4
Montar um programa em Ladder que represente o seguinte funcionamento:
Num determinado processo temos 02 sensores T10 (X0) e T11 (X1), cujos valores de trabalho (preset) são respectivamente, 600C e 900C. Construir um painel que indique, através de 03 lâmpadas, os seguintes intervalos.
Sinalização (saída)		Preset
			 só L1 acesa (Y0)		t < 600C
			 só L2 acesa (Y2)	 600C < t < 900C 
			 só L3 acesa (Y4)	 t > 900C	
OBS.: Modo de operação dos sensores. Se a temperatura atinge o valor de preset, saída alta. Caso contrário saída baixa.
TAREFA 5-Implementar um programa em Ladder, que possibilite a verificação do nível de fluido em um reservatório, como descrito a seguir.
OBS: Somente estará ligada uma única lâmpada por vez.
 
Descrição do Sistema:
A verificação de fluido no reservatório pode ser feita de duas maneiras:
Local: Visualização do tubo de verificação.
Remota: Através da sinalização no painel de nível.
 
A sinalização remota consiste em cinco pontos de nível (VAZIO, 25%, 50%, 75% e 100%). Estes pontos são detectados por sensores instalados no tubo de verificação e transmitidos ao CLP que, por sua vez, aciona as lâmpadas correspondentes no painel de nível.
TAREFA 6 
A figura abaixo apresenta um sistema de bombeamento de água de uma cisterna para uma caixa d’água, através de uma bomba M1. Uma “chave-bóia” S1 verifica o nível mínimo de água na cisterna, enquanto que as bóias S2 e S3 verificam os níveis mínimo e máximo da caixa, respectivamente. Através de um comutador de 2 posições fixas B1, o utilizador poderá por o sistema em funcionamento, passando o comutador para a posição LIGA (L). Nesta condição, casa haja nível mínimo de água na cisterna, o sistema funcionará automaticamente. Estando o nível da caixa abaixo do nível mínimo, a bomba entrará em funcionamento, até que a água atinja a bóia de nível máximo. Com a bomba desligada, a caixa irá esvaziar progressivamente, devido ao consumo. Quando a água da caixa voltar a descer abaixo do nível mínimo, a bomba voltará a funcionar.
ELEMENTO
ENDEREÇO
NO PLC
ESTADO
DO BIT
CONDIÇÃO
S1
X0
0
SEM AGUA
1
COM AGUA
S2
X1
0
SEM AGUA
1
COM AGUA
S3
X2
0
SEM AGUA
1
COM AGUA
B1
X3
0
POSIÇÃO DESLIGA
1
POSIÇÃO LIGA
M1
Y0
0
BOMBA DESLIGADA
1
BOMBA LIGADA
SOLUÇÃO
TAREFA 7
No mesmo sistema do Ex.1, o comutador LIGA-DESLIGA foi substituído por um comutador MANUAL-AUTOMÁTICO e dois botões pulsadores foram acrescentados, respectivamente B2 - LIGA e B3 - DESLIGA. Com o comutador na posição AUTO, o funcionamento será o mesmo descrito no Ex.1. Nesta situação, os botões LIGA e DESLIGA não tem nenhum efeito. Com o comutador na posição MANUAL, as bóias de nível da caixa não terão nenhum efeito, sendo a bomba ligada e desligada através dos botões LIGA e DESLIGA, caso haja nível mínimo de água na cisterna.
ELEMENTO
ENDEREÇO
NO PLC
ESTADO
DO BIT
CONDIÇÃO
S1 (NA)
X0
0
SEM AGUA
1
COM AGUA
S2 (NA)
X1
0
SEM AGUA
1
COM AGUA
S3 (NA)
X2
0
SEM AGUA
1
COM AGUA
B1 (NA)
X3
0
POSIÇÃO MODO MANUAL
1
POSIÇÃO MODO AUTOMÁTICO
B2 (NA)
X4
0
NÃO PRESSIONADO
1
PRESSIONADO
B3 (NF)
X5
0
PRESSIONADO
1
NÃO PRESSIONADO
M1
Y0
0
BOMBA DESLIGADA
1
BOMBA LIGADA
SOLUÇÃO