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PRINCÍPIOS DE AUTOMAÇÃO Evolução da Automação Controle de Processos O Controlador Lógico Programável (CLP) Básico de Sensores Linguagens de Programação 1. 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 NÍVEL 0 NÍVEL 1 NÍVEL 2 NÍVEL 3 NÍVEL 0 - Representa o “Chão-de-fábrica”, quer dizer, 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 Controle estatístico do processo OPERADOR PAINEL DE CONTROLE Resposta de SINALIZAÇÃO Entrada por INSTRUÇÕES PLC PROGRAMA DO USUÁRIO Resposta de COMANDO Entrada Por REGISTRO MÁQUINA PROCESSO Controle Contínuo (variáveis analógicas) Controle Discreto (variáveis discretas) Controlador Planta r(t) SP + - e(t) u(t) MV y(t) PV Controladores de duas Posições ou Liga- Desliga (ON-OFF) 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. 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. Mitsubishi Allen Bradley Siemens GE-Fanuc Altus WEG Fonte de alimentação; CPU (Unidade Central de Processamento); Módulos de entrada e saída; Memórias; Software de programação. Ciclo básico de varredura Conexão Tipo Fonte (SOURCE - PNP) 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 - NPN) 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. 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 Contato tipo NA Não atuado = Circuito aberto = 0 Atuado = Circuito fechado = 1 Contato tipo NF Não atuado = Circuito fechado = 1 Atuado = Circuito aberto = 0 Em Princípios de Automação: Sensores Magnéticos Sensores Indutivos Sensores Capacitivos Sensores Ópticos 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. 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 Quando um objeto metálico penetra nesse campo, correntes de superfície são induzidas no objeto metálico, o que resulta na perda de energia no circuito do oscilador e, conseqüentemente, há uma redução na amplitude de oscilação. O circuito acionador detecta essa alteração e gera um sinal para comutar a saída em LIGAR ou DESLIGAR. Quando o objeto se afasta da área do campo eletromagnético, o oscilador se regenera e o sensor retorna ao seu estado normal. 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 metálicoFase do sensor Capacitor Sensor acionado Sensor desacionado Campo elétrico Na face sensora há uma placa de capacitor. No momento em que a alimentação é aplicada ao sensor, um campo eletrostático é gerado e reage às alterações de capacitância. Quando o objeto está fora do campo eletrostático, o oscilador fica desativado. À medida que o objeto se aproxima, a capacitância varia e quando alcança um limite determinado, o oscilador é ativado, acionando o circuito de saída para comutar os estados entre LIGADO (ON) e DESLIGADO (OFF). 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. 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): (alguns autores consireram acessório) Feixe transmitido (Opposed mode)(Barreira) 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. Verificação da presença da tampa Análise do tamanho e posição do pacote (volume) Contagem de container Contagem de latas e checagem do enchimento Cortina de segurança para proteção Detector de presença O princípio de funcionamento dos transdutores está baseado na variação de um sinal elétrico gerado devido a variação de um parâmetro físico. 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. Utilizam ondas sonoras de alta freqüência para detectar objetos. O emisssor envia impulsos ultrasônicos sobre o objeto analisado. As ondas sonoras voltam ao detetor depois de um certo tempo, proporcional a distância. 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. 1. 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 peloCLP 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. CLP FAMÍLIA FX Série FX 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. Procedimento: • Ligar X0, ligar X1. • Desligar X0 e desligar X1. Objetivo: Conceituar dupla ocupação de dispositivo de saída. Procedimento: Ligar a chave X0; Ligar a chave X2; Desligar a chave X0. Procedimento: Pulsar X0; Pulsar X1. 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. 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. 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 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 Faixa de endereçamento: M0 a M3071 M500 a M3071 (retentivos) M8000 a M8255 (especiais) Procedimento: Pulsar a chave X0; Desligar e ligar a chave Run; Pulsar a chave X1. Faixa de endereçamento: Base de tempo Valor máximo Endereço 100 ms 0 a 3.276,7 s T0 a T199 10 ms 0 a 327,67 s T200 a T245 1 ms (retentivo) 0 a 32.767 s T246 a T249 100 ms (retentivo) 0 a 3.276,7 s T250 a T255 1,23 seg X0 VALOR REAL Y0 t1 t2 t1 + t2 = 34,5 seg X1 VALOR REAL Y7 X2 Esses registros podem ser divididos em três grupos: Contadores de 16 bits Contadores de 32 bits Contadores de alta velocidade. Tipo Valor máximo Endereço 16 bits 0 a 32,767 C0 a C199 16 bits (retentivo) 0 a 32,767 C100 a C199 X1 X2 10 C0 Y0 Tipo Valor máximo Endereço 32 bits -2.147.483.648 a 2.147.483.647 C200 a C234 32 bits (retentivo) 0 a 3.276,7 s C219 a C234 Controle (R) M8200 a M8234 M8200 X3 X4 C200 Y1 1) Pulsando-se o botão “Partida” se dará início ao processo como a seguir: A comporta C1 é aberta por 3 segundos, em seguida é fechada; Após o fechamento de C1, C2 será aberta por 5 segundos; Após o fechamento de C2, C3 será aberta por 4 segundos; Após o fechamento de C3, a válvula V1 será aberta por 5 segundos a fim de acrescentar água a mistura; Após o fechamento de V1, o motor do misturador será acionado, a fim de forçar a mistura dos elementos. O tempo de operação do motor será de 15 segundos; A comporta para evacuação da mistura, EV, deverá ser comandada de modo, a ficar aberta por 10 segundos, e o seu fechamento que encerra a fase de evacuação deverá coincidir com o desligamento do motor. 2) Implementar uma rotina LADDER que gere a forma de onda descrita abaixo em uma saída Y0 enquanto uma entrada X0 estiver acionada. Onde T1 é de 4 segundos e T2 é de 1 segundo. 3) Montar um programa em LADDER para controle do processo. O diagrama acima representa um sistema de envasamento automático, para uma linha de produção. Um servo-motor realiza a tração da esteira transportadora até que, o sensor ótico identifique uma embalagem,desligando então o motor. Nesse momento a eletro-válvula do silo de alimentação deverá ser aberta e ficar nessa condição por 90 segundos. Transcorrido esse tempo, a eletro-válvula deve fechar e o motor de tração novamente acionado. O sistema possui um painel no qual, uma chave liga/desliga controla a operação do sistema. Prover lâmpadas de sinalização no painel para indicar os estados de operação do sistema. Pulsando-se o botão de partida (X0) se dará início a um processo por batelada: 1º) As válvulas V1 e V2 são abertas, onde V1 será fechada quando atingir o nível pré- determinado (representado pelo contato X1) dentro do tanque e V2 será fechado após passados 10 segundos da sua abertura. (Admitir que o tempo de 10 segundos aconteça antes de ser atingido o nível) 2º) Após os fechamentos de V1 e V2, uma bomba BB1 será acionada adicionando ao tanque uma matéria-prima durante 20 segundos. 3º) Após a parada da bomba BB1, o motor do agitador (M1) é acionado durante 2 minutos tornando a mistura totalmente homogênea. 4º) Ao final, após a parada do motor, a válvula V3 será aberta, liberando a mistura até o seu esvaziamento que tem duração de 2 minutos, e assim ao término do processo o sistema aguarda nova batelada. O esquema abaixo representa uma partida estrela-triângulo. Criar um programa para acionar os contatores KM1, KM2 e KM3 a partir do acionamento de um botão pulsador LIGA. Acionando LIGA, os contatores KM1 (principal) e KM3 (estrela) são atuados. Após 10 segundos, o contator KM3 é desatuado e o contator KM2 (triângulo) é acionado. Neste instante, um contador de “Número de Partidas” será incrementado. O operador poderá efetuar 15 partidas. Após a 15ª partida, não será mais possível acionar o motor, a menos que um “Reset” do contador de partidas seja feito a partir de um Comutador à Chave. ELEMENTO ENDEREÇO NO PLC ESTADO DO BIT CONDIÇÃO B1 (NA) X0 0 NÃO PRESSIONADO 1 PRESSIONADO B2 (NF) X1 0 PRESSIONADO 1 NÃO PRESSIONADO B3 (NA) X2 0 POSIÇÃO CONTAGEM 1 POSIÇÃO RESET KM1 Y0 0 CONTATOR DESLIGADO 1 CONTATOR LIGADO KM2 Y1 0 CONTATOR DESLIGADO 1 CONTATOR LIGADO KM3 Y2 0 CONTATOR DESLIGADO 1 CONTATOR LIGADO
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