Sensores e Automação CLP

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UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ – UNESA
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
DISCIPLINA: AUTOMAÇÃO
CAPÍTULO 3 – CLP
Prof. Leonardo Domingues
Edição: 02/2019
Sumário
1	Sensores	4
1.1	Sensores de Presença	4
1.1.1	Sensores óticos	4
1.1.2	Sensor ótico por retro reflexão	5
1.1.3	Sensor ótico por transmissão	6
1.1.4	Sensor ótico por reflexão difusa	6
1.1.5	Sensor infravermelho ativo	7
1.1.6	Infra vermelho passivo	8
1.1.7	Janela de luz	8
1.1.8	Barreira ultra sônica	9
1 – Detecção de objeto	15
2 – Rompimento de fio	15
3 – Verificação de presença	15
4 – Posicionamento	15
5 – Detecção de pessoas	16
6 – Detecção de altura de pilha	16
7 – Monitoramento de quebra de folha	16
8 – Medição de altura e largura	16
9 – Monitoramento de nível de enchimento	17
10 – Posicionamento de dispositivos robóticos	17
1.2	Sensor de posição	17
1.2.1	Sensores de posição Indutivos	17
1.2.2	Sensor Indutivo para corrente alternada CA	19
1.2.3	Sensor de proximidade capacitivo	21
1.3	Encoders	21
1.4	Sensor Ultrassônico	24
1.4.1	Princípio de funcionamento	25
1.5	Sensores de Velocidade	27
1.5.1	Dínamo Taquimétrico	27
1.5.2	Alternador taquimétrico	28
1.6	Sensor de aceleração	28
1.7	Sensores de temperatura	30
1.7.1	Termistores	30
1.7.2	Termopar	32
1.7.3	Par Bimetálico	34
1.8	Sensor de Pressão	34
1.8.1	Célula de carga	34
1.8.2	Transdutor de pressão piezoelétrico	38
1.9	Sensor de Nível	39
1.9.1	Flutuadores	39
1.9.2	Flutuador com acionamento magnético	39
1.9.3	Flutuador com acionamento por potenciômetro	40
1.9.4	Chave nível boia	40
1.9.5	Medição de nível capacitiva	40
Introdução
O objetivo desta apostila é o de apresentar a linguagem de programação de Controladores Lógico Programáveis (CLPs) denominada de diagrama de contatos, ou Ladder. A palavra “Ladder” em inglês significa “escada”, nome este dado por causa da similaridade da linguagem com o objeto de uso diário. Esta similaridade será observada posteriormente, no decorrer do curso.
A simbologia na linguagem de programação Ladder segue a padrões e normas internacionais, apesar de há uma pequena variação em alguns símbolos dentre os diferentes fabricantes. Mais uma vez deve-se citar que o aluno não deve ficar preocupado com este detalhe, pois o que importa realmente, é o raciocínio lógico que leva a programação, e não o símbolo propriamente dito.
Nos próximos parágrafos tem-se a definição de CLP, mostrando um histórico da tecnologia. A partir do capítulo 2 pode-se encontrar a parte prática do curso.
 Definição dos CLPS
Os CLPs ou Controladores Lógico Programáveis podem ser definidos, segundo a norma ABNT, como um equipamento eletrônico-digital compatível com aplicações industriais.
Os CPLs também são conhecidos como PLCs, do inglês: Programmable Logic Controller.
A tecnologia dos CLPs só foi possível com o advento dos chamados Circuitos Integrados e da evolução da lógica digital.
Trouxe consigo as principais vantagens:
1. fácil diagnóstico durante o projeto
1. economia de espaço devido ao seu tamanho reduzido
1. não produzem faíscas
1. podem ser programados sem interromper o processo produtivo
1. possibilidade de criar um banco de armazenamento de programas
1. baixo consumo de energia
1. necessita de uma reduzida equipe de manutenção
1. tem a flexibilidade para expansão do número de entradas e saídas
1. capacidade de comunicação com diversos outros equipamentos, entre outras
Estrutura Básica de um CLP
· Fonte de alimentação: Converte a tensão da rede de 110 ou 220 VCA em +5VCC, +12VCC ou +24VCC para alimentar os circuitos eletrônicos, as entradas e as as saídas.
· Unidade de processamento: Também conhecida por CPU, é composta por microcontroladores ou microprocessadores (Intel 80xx, motorola 68xx, PIC 16xx). Endereçamento de memória de até 1Mega Byte, velocidades de clock de 4 a 30 MHz, manipulação de dados decimais, octais e hexadecimais.
· Bateria: Utilizada para manter o circuito do relógio em tempo real. Normalmente são utilizadas baterias recarregáveis do tipo Ni - Ca.
· Memória do programa supervisor: O programa supervisor é responsável pelo gerenciamento de todas as atividades do CLP. Não pode ser modificado pelo usuário e fica normalmente em memórias do tipo PROM, EPROM, EEPROM.
· Memória do usuário: Espaço reservado ao programa do usuário. Constituída por memórias do tipo RAM, EEPROM ou FLASH-EPROM. Também pode-se utilizar cartuchos de memória, para proporcionar agilidade e flexibilidade.
· Memória de dados: Armazena valores do programa do usuário, tais como valores de temporizadores, contadores, códigos de erros, senhas, etc. Nesta região se encontra também a memória imagem das entradas – a saídas. Esta funciona como uma tabela virtual onde a CPU busca informações para o processo decisório.
· Os circuitos auxiliares atuam em caso de falha do CLP, são:
· POWER ON RESET: desliga todas as saídas assim que o equipamento é ligado, isso evita que possíveis danos venham a acontecer.
· POWER DOWN: monitora a tensão de alimentação salvando o conteúdo das memórias antes que alguma queda de energia possa acontecer.
· WATCH DOG TIMER: o cão de guarda deve ser acionado em intervalos periódicos, isso evita que o programa entre em “loop”.
 Tipos de Variáveis
Durante o decorrer do curso serão utilizadas variáveis discretas e analógicas, pois esta mixagem é permitida neste tipo de linguagem. As variáveis analógicas são aquelas que variam continuamente com o tempo, conforme mostra a figura 1.1(a). Elas são comumente encontradas em processos químicos advindas de sensores de pressão, temperatura e outras variáveis físicas. As variáveis discretas, ou digitais, são aquelas que variam discretamente com o tempo, como pode ser visto na figura 1.1(b).
Figura 1.2 – Variáveis analógicas e digitais
Alguns tópicos do controle discreto, ou a automação com variáveis discretas, já foi estudado pelo aluno na disciplina de comandos elétricos. Esta é fundamental e básica, pois a finalidade da automação de qualquer sistema está no acionamento de atuadores, que irão exercer um trabalho físico no sistema controlado, evitando assim a intervenção humana.
As variáveis controladas pelo CLP podem ser dividias em entradas, advindas dos sensores e saídas, correspondendo aos atuadores. Alguns exemplos são mostrados nos próximos parágrafos.- Entradas discretas
São aquelas que fornecem apenas um pulso ao controlador, ou seja, elas têm apenas um estado ligado ou desligado, nível alto ou nível baixo, remontando a álgebra boolena que trabalha com uns e zeros. Alguns exemplos são mostrados na figura 1.2, dentre elas: as botoeiras (1.2a), válvulas eletro-pneumáticas (1.2b) , os pressostatos (1.2c) e os termostatos (1.2d).
Figura 1.2 – Entradas discretas
 Entradas analógicas:
Como o próprio nome já diz, elas medem as grandezas de forma analógica. Para trabalhar com este tipo de entrada os controladores tem conversores analógico-digitais (A/D). Atualmente no mercado os conversores de 10 bits são os mais populares. As principais medidas feitas de forma analógica são a temperatura e pressão. Na figura 1.3 mostram-se, como exemplo, sensores de pressão ou termopares.
Figura 1.3 – Exemplos de entradas analógicas – Termopares
 Saídas discretas
São aquelas que exigem do controlador apenas um pulso que determinará o seu acionamento ou desacionamento. Como exemplo têm-se elementos mostrados na figura 1.4: Contatores (1.4a) que acionam os Motores de Indução (1.4b) e as Válvulas Eletro- pneumáticas (1.4c).
Figura 1.4 – Exemplos de saídas discretas
- Saídas analógicas
Como dito anteriormente, de forma similar o controlador necessita de um conversor digital para analógico (D/A), para trabalhar com este tipo de saída. Os exemplos mais comuns são: válvula proporcional, acionamento de motores DC, displays gráficos, entre outros.
Introdução à programação
A programação de PLC’s pode ser baseada em varias linguagens: Entretanto esta apostila é voltada à programação em linguagem Ladder, visto que esta se tornou quase que padrão de programação de PLC’s, devido a sua simplicidade e similaridade com a linguagem de relés usada nodesenvolvimento de circuitos elétricos convencionais. Quando a GM desenvolveu o PLC, sentiu a necessidade de aproveitar o conhecimento dos seus eletricistas para agilizar o processo de programação das máquinas e com este intuito desenvolveu uma linguagem de programação baseada na simbologia elétrica americana, daí a semelhança, conforme apresentado na fig. 3.
fig. 3 – Simbologia ladder e seus similares elétricos
As fig. 4 apresenta uma comparação entre a representação de um circuito elétrico convencional com um diagrama ladder e a respectiva ligação dos componentes no PLC.
Fig. 4 – Comparação entre circuito elétrico e diagrama ladder.
As figs. 5 e 6 representam através da mesma comparação entre circuito elétrico convencional e PLC as lógicas “E” (and) e “OU” (or).
fig. 5 – Lógica “E” em linguagem ladder
fig.6 – Lógica “OU” em linguagem ladder.
Na fig. 7 é apresentada uma comparação entre as portas lógicas NOT, AND e OR através de portas lógicas e álgebra de Boole, ambas utilizadas em eletrônica digital e ladder.
fig.7 – Portas lógicas, expressões lógicas e linguagem ladder.
Na fig.8 o diagrama representativo de um PLC pode ser interpretado como sendo um quadro de comando, com componentes externos e componentes e ligações internas. Imaginando duas botoeiras ligadas ao PLC, uma NA denominada de S1 e uma NF denominada de S0. O contato de S1 alimenta a bobina de um contator interno na entrada do PLC, denominado de I0 (I de input que, em inglês, significa entrada) e o contado de S0 a bobina de um contator interno na entrada do PLC denominado de I2. Utilizando-se contatos abertos e fechados dos contatores de entrada, monta-se um circuito interno no PLC que irá acionar as bobinas dos contatores de saída que são representados no ladder pelo símbolo ( ) e denominados pela letra O (O de output que em inglês significa saída). Quando um contador de saída é acionado, todos os contatos pertencentes a este contator mudam de estado acionando as cargas ligadas na saída do PLC, neste exemplo representadas pelas lâmpadas L1, L2, L3 e L4.
No exemplo da fig.8, quando as botoeiras estão na sua posição de repouso, as lâmpadas L2 e L3 estarão acesas, pois o S1 é um contato aberto, portanto o contator de 
entrada I0 estará em repouso e seus contatos estarão na posição normal o que faz com que a saída O1 fique desenergizada e a saída O2 fique energizada, uma vez que para alimentar a saída O2 está sendo usado um contato NF do contator de entrada I0.
No caso da botoeira S0, está sendo usado o seu contato NF para alimentar a bobina do contator de entrada I2. Desta forma, todos os contatos de I2 estarão invertidos dentro do PLC, fazendo com que a saída O4 fique energizada, acendendo a lâmpada L3 quando a botoeira está em repouso. A saída O5, alimentada por um contato NF do contator de entrada I2 desenergizada, mantendo L4 apagada. Quando a botoeira S0 é acionada, desenergiza o contator de entrada I2 e seus contatos retornam à posição normal, acendendo L4 e apagando L3.
fig.8 – Analogia de um PLC com um quadro de comando.
Observação: este diagrama é apenas uma analogia feita com um quadro de comando para facilitar o entendimento de como os contatos internos se comportam. No entanto não tem absolutamente nada a ver com o funcionamento real de um PLC, uma vez que não existem contatores reais dentro dele e sim transistores que funcionam como contatos fechados ou abertos quando trabalhando em saturação ou em corte respectivamente.
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