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Apostila 032012  clp Apostila 032012 clp Document Transcript

  • UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA Centro de Tecnologia Departamento de Eletromecânica e Sistemas de Potência Geomar Machado Martins Princípios de Automação Industrial Agosto de 2007 Revisado em Março de 2012
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial APRESENTAÇÃO A disciplina Princípios de Automação Industrial, ofertada especificamente para o curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Santa Maria, tem por objetivos: - Compreender e aplicar um tratamento introdutório da teoria da automação aplicada à transmissão de sinais de informação, com atenção à comunicação de sinais analógicos e digitais. O texto que segue foi elaborado com a finalidade de servir de suporte para esta disciplina e surgiu da pesquisa de uma série de fontes, entre elas: a literatura técnica especializada, materiais coletados na internet, de diversas fontes e autores, aos quais agradecemos a iniciativa de compartilhamento e universalização do conhecimento sem fins lucrativos, de notas de cursos realizados e de pesquisas em artigos da área, conforme indicados nas referências bibliográficas de cada unidade. Este é um material que sofrerá frequentes atualizações, em função da constante evolução tecnológica na área da Automação Industrial, além do que, o próprio texto pode conter eventuais erros, para os quais pedimos a colaboração dos estudantes e profissionais que eventualmente fizerem uso do mesmo, enviando ao autor uma comunicação sobre as falhas detectadas. Alguns projetos experimentais incluídos no texto referem-se a trabalhos executados pelo autor, juntamente com os estudantes nos laboratórios do curso de engenharia elétrica da Universidade Federal de Santa Maria. Gostaria de agradecer a colaboração das mais diversas pessoas e organismos que de alguma forma contribuem para a o desenvolvimento desta disciplina, entre elas destacandose os técnicos Zulmar, Fernando Martins, Anacleto Brondani, Marcus Molina, que se empenharam no desenvolvimento e finalização dos módulos didáticos. Aos alunos Adriane Dutra, João Victor Baghetti Fuchs, Fernando Konzen, Diogo de Vargas, Thiago Doleski, Leandro Neis, Luis Gustavo Braun, pela tutoria da disciplina. A coordenação do curso de Engenharia Elétrica e a chefia do Depto de Eletromecânica e Sistemas de Potência, aos funcionários do laboratório “Nupedee”, aos grupo de pesquisa, entre outros, que colaboram para a melhoria desta disciplina. Santa Maria, 05 de Março de 2012. Geomar Machado Martins 2 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial SUMÁRIO 1. Introdução à Engenharia de Automação 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 Histórico e definição da automação A automação nas atividades humanas A automação no meio produtivo Características e conceitos da automação industrial Componentes básicos da automação Tipos de sistemas de sistemas de processos industriais Tipos de controle na automação Aspectos gerais da automação Arquitetura da automação industrial A visão crítica ao automatizar processos 1.11 Tendências da automação 1.12 O mercado atual da automação no Brasil 5 5 5 6 6 10 10 11 12 15 16 16 2. Controlador Lógico Programável - CLP 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 Introdução Histórico Características e vantagens Aplicações Constituição de um CLP Estrutura de programação Aspectos de software Linguagens de programação Terminologia O micro-CLP Considerações de projeto 18 18 21 22 23 28 29 30 30 35 35 3. Lógica e Linguagem de Programação 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8. 3.9 3.10 Introdução Programação de CLPs Análise das linguagens de programação Normalização Linguagem de Relés e Blocos (Ladder) Desenvolvimento do Programa Ladder Associação de Contatos no Ladder e Lógica Combinacional Sistemas Combinatórios Minimização por Mapa de Karnaugh Outros circuitos combinacionais 4. Sistemas Sequenciais 4.1 Circuitos biestáveis, “Flip-Flops” e “Latches” 4.2 Contadores 4.3 Temporizadores 3 37 39 41 42 43 47 51 59 66 68 75 81 86 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 Instruções Booleanas de comparação Instrução Positive Differential Registrador de deslocamento Instruções Aritméticas Outras instruções da linguagem Ladder 94 101 101 104 104 5. Entradas e Saídas Analógicas 5.1 5.2 5.3 5.4 Introdução Entradas analógicas Saídas analógicas Sensores e Atuadores 106 106 116 119 6. Controle Contínuo 6.1 6.2 6.3 6.4 Introdução Controle de sistemas com atuadores lógicos Controle de sistemas com atuadores contínuos Aplicação da função PID em lógica Ladder 123 123 124 127 7. Interface Homem-Máquina 7.1 7.2 7.3 7.4 Introdução IHM via www com CLP Especificação da IHM Aplicação da Interface Homem-Máquina OP05/06 129 132 133 133 8. Noções de Sistemas Supervisórios 8.1 8.2 8.4 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9 Introdução Características do software supervisório Sistemas SCADA Componentes físicos de um sistema supervisório Componentes lógicos de um sistema SCADA Camadas físicas de um sistemas de supervisão Planejamento do sistema supervisório Modos de comunicação Aplicação do supervisório Elipse E3 136 137 138 139 141 141 145 145 147 9. Noções de Redes Locais 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 Introdução Meio físico Protocolos de comunicação Estrutura das redes de comunicação Métodos de acesso ao meio 150 150 151 152 154 4 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial UNIDADE I – Introdução à Engenharia de Automação 1.1 Histórico e definição da automação Etimologia: Da palavra Automation (1960), buscava enfatizar a participação do computador no controle automático industrial. Definição atual: “Qualquer sistema, apoiado em computadores, que substitui o trabalho humano, em favor da segurança das pessoas, da qualidade dos produtos, rapidez da produção ou da redução de custos, assim aperfeiçoando os complexos objetivos das indústrias, dos serviços ou bem estar” (Moraes e Castrucci, 2007). 1.2 A automação nas atividades humanas Criada para facilitar a realização das mais diversas atividades humanas, a automação pode ser observada: Nas residências : nas lavadoras de roupas e de louças automáticas; nos microondas; nos controles remotos de portões de garagem, etc. Na rua: nos caixas de bancos automáticos; nos controladores de velocidades de automovóeis; nos trens do metrô; nos cartões de crédito, etc. No trabalho: nos registradores de ponto automático; nos robôs industriais; no recebimento de matéria-prima através de um sistema automático de transporte de carga; na armazenagem do produto final num depósito automatizado; no controle de qualidade através de sistemas de medição e aferição; no controle de temperatura ambiente ou de uma coluna de fracionamento de petróleo; nos sistemas de combate à incêndios, etc. No lazer: em máquinas automáticas de refrigerantes ; em esteiras automáticas de academia; nos aparelhos de reprodução de vídeo ou DVD players; nos videogames, etc. 1.3 A automação no meio produtivo “O processo industrial constitui-se na aplicação do trabalho e do capital para transformar a matéria-prima em bens de produção e consumo, por meios e técnicas de controle, obtendo valor agregado ao produto, atingindo o objetivo do negócio”. Processo Industrial Contínuo: Quando a maioria das variáveis de controle é manipulada são na forma contínua, ou analógica. (Indústria Química, farmacêutica...) Processo Industrial Discreto: Quando a maioria das variáveis de controle é manipulada na forma discreta ou digital. 5 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 1.4 Características e conceitos da automação industrial “A Automação é um conceito e um conjunto de técnicas por meio das quais se constroem sistemas ativos capazes de atuar com eficiência ótima pelo uso de informações recebidas do meio sobre o qual atuam.” Na Automação Industrial se reúnem três grandes áreas da engenharia: 1. A mecânica, através das máquinas que possibilitam transformar matérias primas em produtos “acabados”. 2. A engenharia elétrica que disponibiliza os motores, seus acionamentos e a eletrônica indispensável para o controle e automação das malhas de produção; 3. A informática que através das arquiteturas de bancos de dados e redes de comunicação permitem disponibilizar as informações a todos os níveis de uma empresa. Assim, a automação, tão presente nas atividades humanas, está presente também nos processos industriais, com o mesmo objetivo básico, que é facilitar os processos produtivos, permitindo produzir bens com : • • • • menor custo; maior quantidade; menor tempo; maior qualidade. Olhando por este aspecto, vemos que a automação está intimamente ligada aos sistemas de qualidade, pois é ela que garante a manutenção de uma produção sempre com as mesmas características e com alta produtividade, visando atender o cliente num menor prazo, com preço competitivo e com um produto de qualidade. Pensando no meio ambiente, observa-se também que a automação pode garantir o cumprimento das novas normas ambientais, através de sistemas de controle de efluentes (líquidos que sobram de um processo industrial), emissão de gases, possibilidade de uso de materiais limpos, reciclagem, etc. Portanto, a automação tem papel de muita importância na sobrevivência das indústrias, pois garante a melhoria do processo produtivo e possibilita a competição nesse mercado globalizado, onde o concorrente mais próximo pode estar do outro lado do mundo. 1.5 Componentes básicos da automação Sistemas automatizados são, algumas vezes, extremamente complexos, porém, ao observar suas partes nota-se que seus subsistemas possuem características comuns e de simples entendimento. Assim, formalmente, um sistema automatizado possui os seguintes componentes básicos: • sensoriamento; • comparação e controle; 6 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial • atuação. Exemplo 1 - Um aquário e a temperatura de sua água. Num aquário deve-se manter a água em torno da temperatura ambiente (25°C). Não é necessário ser muito rigoroso sendo que a temperatura pode variar de 23 a 28°C. Nota-se que a temperatura da água pode variar e deve ser ajustada de acordo com a necessidade. Considere o esquema a seguir: Figura 1.1 – Controle de temperatura automatizado em um aquário. Neste exemplo podem ser identificados os componentes básicos da automação (processo, sensor, atuador, controle e distúrbio): - - - O processo (aquário), que requer o controle da temperatura. O sensor de temperatura, constituído pelo termômetro de mercúrio; O controlador, estabelecido pelo acoplamento de um sistema mecânico de ajuste ao termômetro. Este sistema mecânico movimenta um contato metálico ao longo do corpo do termômetro. Ele permite ao controlador, fazer uma comparação com um valor pré-ajustado (ponto de ajuste) e tomar a decisão de ligar ou desligar o atuador (resistência), mantendo a temperatura dentro de um limite considerado aceitável. O distúrbio é representado pelas condições externas que podem influenciar na temperatura da água. A temperatura do ambiente externo influencia diretamente no controle, determinando uma condição diferente de atuação no processo. O atuador formado pelo relé elétrico e a resistência. Quando o deslocamento do mercúrio alcança o ponto de ajuste, um contato elétrico é fechado, sendo ele ligado ao relé que, usando a alimentação da rede, desliga a resistência responsável pelo aquecimento da água. Então, em forma de diagrama, nesse sistema temos: 7 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 1.2 – Diagrama em blocos do controle do processo. Observa-se que existe uma influência da ação de aquecimento da água no valor medido pelo sensor de temperatura. Este ciclo fechado é chamado de malha fechada de controle, ou sistema de realimentação, no qual a saída do sistema influencia diretamente na situação de sua entrada. Em alguns processos, não existe a realimentação, isto é, a ação do atuador comandada pelo controlador não é observada por um sensor que realimenta o sistema. Um exemplo típico é o de uma máquina de lavar roupa, que por não possuir um sensor de roupa limpa, funciona em um ciclo aberto de controle, chamado de malha aberta. O controle apresentado neste exemplo não possui precisão, isto é, nada garante que a temperatura permaneça exatamente no ponto ajustado, ou que fique oscilando em torno do valor ajustado. Este tipo de controle é chamado de Liga/Desliga (ou ON/OFF). O atuador (resistência) permanece em dois estados bem definidos (nenhuma corrente = desligado e máxima corrente = ligado). É considerado então um controle descontínuo. A quantidade de informações e conceitos que podem ser retirados de um sistema tão simples como esse é muito grande, sendo que elas resumem os conhecimentos necessários para o entendimento de um sistema automatizado. Exemplo 2 - Um tanque de combustível e seu nível. Neste caso, pode-se abordar duas situações de controle automatizado: Medição descontínua: para garantir segurança evitando o transbordamento ou esvaziamento abaixo de determinada posição mínima. 8 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial A medição descontínua normalmente é feita por sensores do tipo chave com dois estados, ativo ou não ativo. Considerando um contato elétrico, esse poderá estar aberto (possibilitando passagem de corrente) ou fechado (impedindo a passagem de corrente). Figura 1.3 – Controle de nível de líquido em um tanque. Medição contínua: para determinar a quantidade de combustível armazenado. Além do sistema de segurança mostrado anteriormente, tem-se a necessidade de determinar a quantidade armazenada de um certo combustível dentro deste tanque. Nesse caso é necessário empregar um medidor que "observe" continuamente as variações da altura da coluna líquida no interior do tanque. Este medidor deve fornecer um sinal de saída contínuo, proporcional à altura do tanque. Tendo o valor da altura dada pelo medidor e conhecendo a capacidade do tanque dada pelo formato do próprio tanque, é possível calcular a quantidade de combustível do tanque para cada condição de nível. Figura 1.4 – Controle com transmissor de nível 9 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Observando os exemplos acima, conclui-se que é possível ter sensores descontínuos (Liga/Desliga) e contínuos (chamados analógicos). A escolha do tipo de medição vai depender do que se pretende na automação. No caso do tanque, os dois controles podem estar presentes, cada um cuidando de sua parte no controle do sistema como um todo. 1.6 Tipos de sistemas de sistemas de processos industriais Em automação tem se tornado necessário classificar os sistemas em função de suas ocorrências mais comuns e importância. Além dos sistemas dinâmicos acionados pelo tempo, exemplo típico dos fenômenos químicos, físicos, térmicos, regidos por equações diferenciais, também aparecem em grande quantidade os sistemas de chaveamento manual, automático, as manufaturas, as filas de serviços, etc, que são acionados por eventos, e não são regidos por equações diferenciais. Estes últimos são conhecidos como sistemas dinâmicos a eventos discretos (SED’s) e são sistemas cuja evolução decorre unicamente de eventos instantâneos, repetitivos ou esporádicos. 1.7 Tipos de controle na automação Pode-se classificar o controle em dois grandes grupos: 1.7.1 Controle Dinâmico O controle dinâmico procura estabelecer o comportamento estático e dinâmico dos sistemas físicos, tornando-os mais obedientes aos operadores e mais imunes às perturbações dentro de certos limites. Utiliza medidas das saídas do sistema a fim de melhorar o seu desempenho operacional, através de realimentação. Possui um incalculável poder tecnológico, permitindo o aperfeiçoamento de processos, aumento de velocidade e precisão. É característico da automação industrial de controle de processos (automação contínua), sendo tradicionalmente empregado o controle do tipo P + I + D (proporcional + integral + derivativo), entre outras escolhas. Este será visto em detalhes na seção 6.1. Exemplo de aplicação: controle de temperatura de um aquário. 1.7.2 Controle Lógico ou Controle de Eventos 10 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial O Controle lógico complementa os sistemas lógicos permitindo que eles respondam a eventos externos ou internos de acordo com novas regras que são desejáveis de um ponto de vista utilitário. Utiliza sinais sempre discretos em amplitude, geralmente binários e operações nãolineares e se apresenta na forma de circuitos (elétricos, hidráulicos, pneumáticos, etc) de redes lógicas combinatórias (sem memórias ou temporizações) cujos projetos são construídos com álgebra booleana (descreve, analisa e simplifica as redes com auxílio de Tabelas da Verdade e Diagramas de relés) ou em redes seqüenciais (com memória, temporizadores e entrada de sinais em instantes aleatórios) cujo projeto utiliza a teoria dos autômatos finitos, redes de Petri, cadeias de Markov ou em simulações por computador. É característico da automação industrial de manufatura (automação discreta). Exemplo de aplicação: botões de segurança de uma prensa de alavanca. Figura 1.5 – Exemplo de aplicação de controle lógico Os dois tipos de controle (dinâmico e lógico) são empregados em proporções extremamente variáveis, conforme o processo, e misturam-se nos controladores lógicos programáveis (CLPs) e PCs. No entanto, as teorias do controle dinâmico e do controle lógico desenvolvem-se independentes uma da outra. O controle dinâmico busca evitar a instabilidade do sistema, enquanto o controle lógico procura evitar o conflito ou a parada total da evolução dos sinais. 1.8 Aspectos gerais da automação A automação resulta de diversas necessidades da industria: maior nível de qualidade dos produtos, maior flexibilidade de modelos para o mercado, menores custos e perdas de 11 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial materiais e de energia, mais disponibilidade e qualidade da informação sobre o processo e melhor planejamento e controle da produção. Segundo o grau de complexidade e meios de realização física, a automação industrial pode ser classificada em: • Automações especializadas (menor complexidade) • Grandes sistemas de automação (maior complexidade) • Automações Industriais de âmbito local (média complexidade) Automações especializadas (menor complexidade) Emprega microprocessadores com programação normalmente em linguagem de máquina e memórias do tipo ROM. Ex.: automação interna aos aparelhos eletrônicos, telefones, eletrodomésticos, automóveis. Grandes sistemas de automação (maior complexidade) Utiliza programação comercial e científica em software de tempo real. Ex.: Controladores de vôos nos aeroportos, controle metroviário, sistemas militares. Automações Industriais e de serviços de âmbito local (média complexidade) Baseia-se no uso dos CLP’s isolados ou em redes. Ex.: Transportadores, processos químicos, térmicos, gerenciadores de energia e de edifícios. Corresponde à grande maioria das aplicações existentes, sendo este o foco da disciplina. 1.9 Arquitetura da automação industrial A Figura 1.6 mostra os níveis hierárquicos de um processo de automação industrial, representado pela conhecida Pirâmide de Automação. Para cada nível está associado um formato de comunicação dados que pode ser diferir daquele adotado para a comunicação entre níveis. Na base da pirâmide aparece o Controlador Lógico Programável, responsável por acionar as máquinas, motores e outros processos produtivos. No topo da pirâmide, destaca-se a informatização ligada ao setor corporativo da empresa. 12 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 1.6 - Divisão Hierárquica de um Processo de Automação Industrial Nível 1: Chão de fábrica (Máquinas, dispositivos e componentes) Na base da pirâmide tem-se o nível responsável pelas ligações físicas da rede ou o nível de E/S. Neste nível encontram-se os sensores discretos, as bombas, as válvulas, os contatores, os CLPs e os blocos de E/S. O principal objetivo é o de transferir dados entre o processo e o sistema de controle. Estes dados podem ser binários ou analógicos e a comunicação pode ser feita horizontalmente (entre os dispositivos de campo) e verticalmente, em direção ao nível superior. É neste nível, comumente referenciado como chão de fábrica, que as redes industriais têm provocado grandes revoluções. Ex.: linha de montagem e máquina de embalagens. Figura 1.7 - Nivel chão de fábrica. 13 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Nível 2: Supervisão e Controle (IHMs) É o nível dos controladores digitais, dinâmicos e lógicos e de algum tipo de supervisão associada ao processo. Concentra as informações sobre o nível 1. Ex.: Sala de supervisão. Figura 1.8 – Nível do controle. Nível 3: Controle do Processo Produtivo Permite o controle da planta, sendo constituído por bancos de dados com informações dos índices de qualidade da produção, relatórios e estatísticas de processo, índices de produtividade e etc. Ex.: avaliação e controle da qualidade em processo alimentício e supervisão de laminadores. Nível 4: Controle e Logística dos Suprimentos É o nível responsável pela programação e pelo planejamento da produção. Ex.: controle de suprimentos e estoques em função da sazonalidade. Nível 5: Gerenciamento Corporativo É o nível responsável pela administração dos recursos da empresa. Do ponto de vista da comunicação das informações, no topo da pirâmide encontrase o nível de informação da rede (gerenciamento). Este nível é gerenciado por um computador central que processa o escalonamento da produção da planta e permite operações de monitoramento estatístico da planta sendo implementado, na sua maioria, por softwares gerenciais/corporativos. 14 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial No nível imediatamente abaixo, localiza-se a rede central, a qual incorpora os DCSs (Sistemas de Controle Discreto) e PCs. A informação trafega em tempo real para garantir a atualização dos dados nos softwares que realizam a supervisão da aplicação. Uma das dificuldades dos primeiros processos de automação industrial baseava-se no “ilhamento” das informações dentro do seu respectivo nível da pirâmide. Poucas informações fluíam do nível de supervisão e controle para o nível de controle discreto e praticamente nenhuma informação fluía para o topo da pirâmide, onde se encontram os softwares de gerenciamento da empresa. Nos projetos de automação modernos as informações fluem entre todas as camadas. Esta característica é tão importante para as indústrias, hoje em dia, que muitas delas estão atualizando suas plantas industriais, ou incorporando novas tecnologias em sistemas antigos (conhecido por RETROFIT). 1.10 A visão crítica ao automatizar processos As principais motivações para a automação de um processo industrial são a redução do custo, a melhoria da qualidade do produto e a realização de tarefas que são danosas ao ser humano (tarefas repetitivas ou que exigem grande esforço físico, ambientes perigosos ou insalubres). Quase sempre os dois primeiros motivos são os que movem os processos de automação. A automação é capaz de manter o homem no domínio da situação no que se refere à produção industrial, porém numa posição mais confortável. O homem, nessa situação, necessita cada vez mais usar o seu cérebro e cada vez menos seus músculos. Porém essa mudança faz com que os profissionais necessitem cada vez mais se especializar, buscando competências para o desenvolvimento de suas atividades. A reconversão, isto é, a adaptação a novos postos de trabalho e a qualificação profissional são condições primordiais. Embora a automação seja um processo irreversível na sociedade e o fator custo X benefício, calcado no aumento do lucro das empresas, o grande definidor do emprego da tecnologia, é fundamental que empresários e engenheiros tenham uma visão das conseqüências sociais que um processo de automação pode trazer: • A automação quase sempre gera desemprego; • A automação requer um profissional cada vez mais qualificado; Em países em desenvolvimento o governo não possui uma infra-estrutura para atender a população desfavorecida; O “sonho” propalado da automação era que ela traria melhor qualidade de vida para toda a sociedade, reduzindo a carga horária de trabalho para possibilitar ao ser humano um convívio mais harmonioso entre si e a natureza. Este sonho tem se esbarrado na boca voraz do capitalismo selvagem que infelizmente, sem a força de um governo forte, é incapaz de dividir as riquezas acumuladas para o bem de toda a sociedade. 15 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial O papel de preparar esse novo profissional é das escolas que deve contar com o apoio das indústrias, porém com a velocidade que ocorrem as mudanças tecnológicas, não é permitido ao profissional estar sempre num ambiente escolar para sua preparação. Então, o que fazer? A conclusão que se chega é que o profissional cada vez mais terá que se autodesenvolver, provendo o seu próprio conhecimento, não só na área tecnológica, mas também em outras áreas, de modo mais amplo, como: economia, sociologia, comércio exterior, qualidade, relações humanas, meio ambiente, etc. Cabe ao engenheiro e aos empresários a visão crítica diante dos processos de automação. Mais importante do que retardar um processo inevitável talvez seja criar condições para que o bem final possa ser melhor repartido entre todos. 1.11 Tendências da automação Tecnologia Wireless: de lenta, cara e insegura tornou-se mais rápida e econômica. Chips de menor capacidade residirão inteligência diretamente em sensores e atuadores – softwares serão parte do produto. Controles baseados em PLC ou PC serão obsoletos e caros. A propriedade da solução tecnológica será medida em meses em vez de anos Sistemas microeletromecânicos serão usados para miniaturizar sensores, atuadores, motores, engrenagens displays para equipamentos digitais. 1.12 O mercado atual da automação no Brasil Conforme dados da ABINEE, vistos nas tabelas abaixo, o faturamento da área da automação industrial cresceu cerca de 25% no período entre o primeiro semestre de 2006 e o de 2007. As exportações neste período chegaram a US$ 132 milhões e é um mercado em expansão, ao contrário de outros, como é o caso das telecomunicações que retrai cerca de 21% no período pesquisado. 16 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Fonte: Revista Abinee – Agosto/2007 Fonte: Revista Abinee – Agosto/2007 Bibliografia do Capítulo Moraes e Castrucci, Engenharia de Automação Industrial, livro. Editora LTC, São Paulo, 2007. WEB: http://www.senaiformadores.com.br/Cursos/01/ WEB: http://www.amarcato.ufjf.br/eletrica/automacao/arquivos/Automacaocapitulo1.pdf 17 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial UNIDADE II – Controlador Lógico Programável - CLP 2.1 Introdução Antes do surgimento dos Controladores Lógicos Programáveis (CLP’s), as tarefas de comando e controle de máquinas e processos industriais eram feitas por relés eletromagnéticos, especialmente projetados para este fim. O controle baseado em relés exigia modificações na fiação, no caso de alterações no processo automatizado, e em muitos casos isso se tornava inviável, sendo mais barato substituir todo o painel por um novo. O CLP revolucionou os comandos e controles industriais desde seu surgimento na década de 70. 2.2 Histórico O primeiro CLP surgiu na indústria automobilística americana até então um usuário em potencial dos relés eletromagnéticos utilizados para controlar operações seqüenciadas e repetitivas numa linha de montagem, especificamente na Hydromic Division da General Motors, em 1968, devido a grande dificuldade existente para alterar-se a lógica de controle de painéis de comando a cada mudança na linha de montagem. Estas mudanças implicavam altos gastos de tempo e dinheiro. Sob a liderança do engenheiro Richard Morley, foi preparada uma especificação que refletia os sentimentos de muitos usuários de relés, não só da indústria automobilística como de toda a indústria manufatureira. Os primeiros controladores surgiram baseados numa especificação resumida a seguir: • • • • • • • • Facilidade de programação; Facilidade de manutenção com conceito plug-in; Alta confiabilidade; Dimensões menores que painéis de Relês, para redução de custos; Envio de dados para processamento centralizado; Preço competitivo; Expansão em módulos; Mínimo de 4000 palavras na memória. A grande vantagem dos controladores programáveis era a possibilidade de reprogramação, permitindo transferir as modificações de hardware em modificações de software. 18 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Nascia, assim, a indústria de controladores programáveis, hoje com um mercado mundial estimado em 4 bilhões de dólares anuais, e que no Brasil é estimado em 50 milhões de dólares anuais (dados de 2005). Com o sucesso do uso dos CLPs na indústria, a demanda por novas funções e maior capacidade aumentou consideravelmente. Evolução A primeira geração de CLP’s utilizava componentes discretos como transistores e circuitos integrados (CI’s) com baixa escala de integração. A partir da década de 70, os equipamentos cresceram em poder de processamento, número de entradas e saídas (I/O), e novas funções foram incorporadas. Ainda usavam lógica discreta e só eram empregados na indústria, pois eram caros para outras aplicações (p. ex. automação predial). O advento do microprocessador (ainda na década de 70) permitiu a diminuição nos custos e tamanho dos controladores e eles passaram a se chamar Controladores Lógicos Programáveis (CLPs), com o aumento do poder de processamento e confiabilidade. Na década de 80, surgiram as redes locais para comunicação de dados entre CLPs e entre estes e os computadores (Morais e Castrucci, 2001). A tendência atual é a utilização de pequenos CLPs controlando processos locais e comunicando-se com outros CLPs e outros sistemas supervisórios descentralizando-se o processo industrial. Assim, evita-se que uma pane interrompa toda a planta. Com a diminuição dos custos, os CLPs passaram a ser empregados em outros campos como a automação predial (controle de iluminação, alarme, ambiência: ventilação, temperatura e umidade, etc.). Nos países desenvolvidos, a automação residencial desponta como uma aplicação para pequenos CLPs, esbarrando nos custos e na previsão de fiação e tubulação adequada. Neste caso, a comunicação pode ser feita via rádio ou usando a própria rede elétrica (que é uma tendência forte para os próximos anos). Conclui-se que desde o seu aparecimento até hoje, muita coisa evoluiu nos controladores lógicos. Esta evolução está ligada diretamente ao desenvolvimento tecnológico da informática em suas características de software e de hardware. O que no seu surgimento era executado com componentes discretos, hoje utiliza microprocessadores e microcontroladores de última geração, usando técnicas de processamento paralelo, inteligência artificial, redes de comunicação, fieldbus, etc. Até recentemente não havia nenhuma padronização entre fabricantes, apesar da maioria utilizar as mesmas normas construtivas. Porém, pelo menos no nível de software aplicativo, os controladores programáveis podem se tornar compatíveis com a adoção da 19 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial norma IEC 1131-3, que prevê a padronização da linguagem de programação e sua portabilidade. Outra novidade que está sendo incorporada pelos controladores programáveis é o fieldbus (barramento de campo), que surgiu como uma proposta de padronização de sinais ao nível de chão-de-fábrica. Este barramento diminui sensivelmente o número de condutores usados para interligar os sistemas de controle aos sensores e atuadores, além de propiciar a distribuição da inteligência por todo o processo. Hoje os CLP’s oferecem um considerável número de benefícios para aplicações industriais, que podem resultar em economia que excede o custo do CLP e devem ser considerados na seleção de um dispositivo de controle industrial. Linha do Tempo Década de 60 - aumento de competitividade na industria, melhoria das linhas de produção. 1968 – Divisão Hydramatic (GM) define especificações de projeto para um PLC. 1969 – Bedford Associates (Modicon) desenvolve primeiro PLC, chamado MODICON 084. Dick Morley é considerado o pai do PLC. Figura 2.1 – O CLP Modicon 084 e Dick Morley 1972 - PLCs incorporam funções de Temporização e Contagem. 1973- The "084" é melhorado e re-introduzido como "184". A força de trabalho aumentou de 80 para 170 empregados e as vendas atingem US$5 million. São introduzidas: Operações Aritméticas, manipulação de dados e comunicação com computadores. 1974 - Comunicação com Interfaces Homem-Máquina. 1975 - Modicon lança o "284", o primeiro controlador com um microprocessador e controle distribuído e o "384, o primeiro PLC com algoritmos digitais para controle contínuo (PID). Maior capacidade de memória. 1979 - Companhia introduz Modbus, a primeira rede de comunicações industrial, permitindo o interfaceamento de computadores e controladores. Graças a sua confiabilidade, Modbus se torna um padrão industrial. 20 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 1979/1980 Módulos de I/O remotos, módulos inteligentes e controle de posicionamento. 1981 Comunicação em rede. 1982 Aparecimento dos primeiros minis e micros PLCs. Anos 90s ocorre uma gradual redução em novos protocolos e a modernização das camadas fisicas dos protocolos mais populares dos anos 80. 1993 – É introduzido o padrão internacional IEC 1131-3 com a finalidade de unificar as linguagens de programação dos PLCs. 2000 - É criada a Automação Web para supervisão remota de processos com produção automatizada. A solução integra PLCs e outros componentes em uma arquitetura aberta usando a Ethernet e os protocolos Internet para conectar via Web. 2.3 Características e vantagens Basicamente, um Controlador Lógico Programável apresenta as seguintes características: • • • • • • • • • • • hardware e/ou dispositivo de controle de fácil e rápida programação ou reprogramação, com a mínima interrupção da produção; capacidade de operação em ambiente industrial; sinalizadores de estado e módulos tipo plug-in de fácil manutenção e substituição; hardware ocupando espaço reduzido e apresentando baixo consumo de energia; possibilidade de monitoração do estado e operação do processo ou sistema, através da comunicação com computadores; compatibilidade com diferentes tipos de sinais de entrada e saída; capacidade de alimentar, de forma contínua ou chaveada, cargas que consomem correntes de até 2 A; hardware de controle que permite a expansão dos diversos tipos de módulos, de acordo com a necessidade; custo de compra e instalação competitivo em relação aos sistemas de controle convencionais; possibilidade de expansão da capacidade de memória; conexão com outros CLP’s através de rede de comunicação. De acordo com (Natale, 2003, p.11), o CLP “É um computador com as mesmas características conhecidas do computador pessoal, porém, [é utilizado] em uma aplicação dedicada [...]” na automação de processos em geral, e no comando numérico computadorizado (CNC) realiza a automação da manufatura. Definição segundo a ABNT O CLP é um equipamento eletrônico digital com hardware e software compatíveis com aplicações industriais. Definição segundo a Nema (National Electrical Manufactures Association) 21 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para armazenamento interno de instruções para implementações específicas, como lógica, seqüenciamento, temporização, contagem e aritmética, para controlar, através de módulos de entradas e saídas, vários tipos de máquinas ou processos. Um CLP é um equipamento eletrônico digital que tem por objetivo implementar funções específicas de controle e monitoração sobre variáveis de uma máquina ou processo. De forma geral, os controladores lógicos programáveis (CLPs) são equipamentos eletrônicos de última geração, utilizados em sistemas de automação flexível. Estes permitem desenvolver e alterar facilmente a lógica para acionamento das saídas em função das entradas. Desta forma, pode-se utilizar inúmeros pontos de entrada de sinal para controlar pontos de saída de sinal (cargas). As vantagens da utilização dos CLP's, comparados aos outros dispositivos de controle industrial, são: • • • • • • • • • menor espaço ocupado; menor Potência elétrica requerida; reutilização; programável: maior confiabilidade; fácil manutenção; maior flexibilidade; permite interface através de rede de comunicação com outros CLP’s e microcomputadores; projeto mais rápido. Todos estes aspectos mostram a evolução da tecnologia, tanto de hardware quanto de software, o que permite acesso a um maior número de pessoas nos projetos de aplicação de controladores programáveis e na sua programação. Porém, conforme Georgini (2000): “Constantes atualizações dos produtos agregam valores e reduzem o custo das soluções baseadas em PLCs, o que exige do profissional uma atualização contínua por intermédio de contato com fabricantes e fornecedores, sendo a internet uma ótima opção.” 2.4 Aplicações O controlador programável automatiza processos industriais, de seqüenciamento, intertravamento, controle de processos, batelada, etc. Este equipamento tem seu uso na área de automação da manufatura e de processos contínuos. Praticamente não existem ramos de aplicações industriais onde não se possa aplicar os CP’s. Por exemplo: 22 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial • • • • • • máquinas industriais (operatrizes, injetoras de plástico, têxteis, calçados); equipamentos industriais para processos ( siderurgia, papel e celulose, petroquímica, química, alimentação, mineração, etc); equipamentos para controle de energia (demanda, fator de carga); controle de processos com realização de sinalização, intertravamento e controle PID; aquisição de dados de supervisão em: fábricas, prédios inteligentes, etc; bancadas de teste automático de componentes industriais. Com a tendência dos CLP’s terem baixo custo, muita inteligência, facilidade de uso e massificação das aplicações, este equipamento pode ser utilizado nos processos e nos produtos. Poderemos encontrá-lo em produtos eletrodomésticos, eletrônicos, residenciais e veículos. 2.5 Constituição de um CLP Um CLP é constituído por módulos de entrada e de saída (hardware) onde as funções disponíveis podem ser programadas em uma memória interna (software), através de uma linguagem de programação que possui um padrão internacional chamado IEC 11313, uma fonte de alimentação e uma CPU (Unidade Central de Processamento). Cada unidade que compõe um CLP é responsável pelo seu funcionamento. Figura 2.2 – Constituição de um CLP As configurações oferecidas pelos diversos fabricantes de CLPs podem ser divididas em duas formas básicas: a) Compacta – onde a CPU e todos os módulos de entrada e saída (E/S) estão no mesmo rack. Um CLP deste tipo pode atender cerca de 80% das aplicações de automação mais comuns. 23 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial b) Modular – onde a CPU e cada um dos módulos de E/S se encontram separados e são montados de acordo com a configuração exigida. Figura 2.3 – Aspecto físico de um CLP modular O diagrama de blocos abaixo representa a estrutura básica de um controlador programável com todos os seus componentes. São estes componentes que irão definir a configuração do CLP. 2.5.1 CPU Segundo Moraes e Castrucci (p.31, 2001), a CPU é “responsável pela execução do programa do usuário, atualização da memória de dados e memória-imagem das entradas e saídas”. Inicialmente com a segunda geração de CLP (barramento de dados, endereço e controle), a CPU era constituída por um microcontrolador. A opção por microcontroladores baseava-se pelo custo-benefício, facilidade de manuseio, e também pela baixa complexidade dos softwares. Com exceção dos CLPs de pequeno porte, em geral, eles apresentam um microprocessador na forma de um CI dedicado. A CPU é o cérebro do sistema. Atualmente, é constituída por microprocessador ou microcontrolador de 8, 16 ou 32 bits e, em CP´s maiores, um co-processador adicional para aumentar a capacidade de processamento em cálculos complexos com aritmética de ponto flutuante, uma memória RAM e uma memória Flash EPROM ou E2PROM (para backup do programa). A maioria dos fabricantes de CP´s especificam os tempos de varredura como função do tamanho do programa (p.ex. 10 ms/1k de programa), e situam-se na faixa de 0,3 à 10 ms/k, caracterizando a existência de CP´s rápidos e lentos. 2.5.2 Memórias As memórias podem ser divididas em dois grupos conforme a função: Memória de Dados: também conhecida como memória de rascunho. Serve para armazenar temporariamente os estados de E/S, marcadores de presets de temporizadores/contadores e valores digitais para que a CPU possa processa-los. A cada ciclo de varredura a memória de dados é atualizada. Geralmente é uma memória do tipo RAM. Memória de Usuário: serve para armazenar as instruções do software aplicativo e do usuário (programas que controlam a máquina ou a operação do processo), que são 24 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial continuamente executados pela CPU. Pode ser memória RAM, EPROM, NVRAM ou FLASH-EPROM. 2.5.3 Terminal de Programação (TP) Pode ser outro computador dedicado usado para elaborar os programas que serão usados no CLP. Em geral, usa-se um computador pessoal (PC) com um software emulador do TP dedicado. 2.5.4 Interface Homem-Máquina (IHM) É responsável pela comunicação do operador com o sistema para atuar em variáveis do processo (tais como temperatura, pressão, etc.) sem que se interfira com o programa ou que se entenda ele. Existe uma enorme gama de IHMs: displays de uma ou dezenas de linhas ou gráficos, de acordo com a aplicação e necessidade. 2.5.5 Portas de Comunicação (TER e AUX) Permitem a comunicação da CPU com o TP (TER) e da CPU com a IHM (AUX). 2.5.6 Interface para Comunicação em Rede Permite a comunicação do CLP com outros CLPs e com um PC. É colocada no lugar de um dos módulos de E/S ou em uma parte específica da CPU. O tipo de interface e o cabo utilizado irão definir o padrão físico e o protocolo de rede. Ex.: MPI ou PPI (point to point), MODEBUS, FIELDBUS, PROFIBUS. Comunicação Serial: é a mais comumente utilizada e é feita utilizando-se simples cabos de par trançado. Os padrões mais utilizados são o RS232C, loop de corrente 20 mA e o RS-422/RS-485 em alguns casos. RS-232C: é empregada para velocidades de transmissão de até 20k baud (bits/s) e distância máxima de 15 metros, que se utilizada com modems, pode ser aumentada. RS-422/RS-485: é uma versão melhorada do padrão RS-232C. Ela possibilita o emprego de velocidades de transmissão de até 100k baud para distâncias de até 1200 m, podendo alcançar velocidades da ordem de Mbaud para distâncias menores. Loop de Corrente 20 mA: é idêntica à RS232C, e como é baseada em níveis de correntes ao invés de tensões, permite o emprego de distâncias bem maiores. Muitos CLP´s oferecem ambos os padrões: RS-232C e loop de corrente. 2.5.7 Blocos de Entrada/Saída São responsáveis pela aquisição de dados de variáveis do processo e acionamento de dispositivos físicos como relés, sinalizadores, etc. O acesso a esta interface pode ocorrer por bornes, blocos de bornes ou cabos e conectores. 25 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial As entradas e saídas de um CLP podem ser divididas em duas categorias: as analógicas e digitais. Na figura abaixo são ilustrados estes dois modelos de interfaces I/O (Daher, 2003). Figura 2.4 - Interfaces de I/O digitais e analógicas. Na entrada, o módulo aceita as tensões usuais de comando (24 Vcc, 110/220 Vca) que chegam e as transforma em tensões de nível lógico aceitos pela CPU. As entradas analógicas são referentes aos dispositivos que trabalham com grandezas analógicas, como por exemplo, temperatura, umidade relativa, pressão, entre outras. Para que a CPU trabalhe com esses valores analógicos é necessário que essas entradas sejam convertidas usando conversores A/D (analógico para digital). O módulo de saída comuta as tensões de controle fornecidas, necessárias para acionar vários dispositivos conectados. O isolamento é feito através de opto-acopladores ou transformadores (isolamento galvânico). As entradas e saídas são organizadas por tipos e funções, e agrupadas em grupos de 2, 4, 8, 16 e até 32 “pontos” (ou circuitos) por interface (cartão eletrônico) de E/S. Os cartões são normalmente do tipo de encaixe e, configuráveis, de forma a possibilitar uma combinação adequada de pontos de E/S, digitais e analógicas. A quantidade máxima de pontos de E/S, disponíveis no mercado de CP´s, pode variar de 16 a 8192 pontos normalmente, o que caracteriza a existência de pequenos, médios e grandes CP´s. 2.5.8 Fonte de alimentação A alimentação de energia do CLP utiliza uma fonte chaveada e uma única tensão de saída de 24 V. Esse valor já é utilizado com a finalidade de alimentar os módulos de entrada e saída de dados e a CPU ao mesmo tempo. Outra característica importante é que normalmente as máquinas industriais, funcionam com essa tensão por ser bem menos suscetível a ruídos. Outro ponto destacável, é que essa tensão já é compatível com o sistema de comunicação RS-232. Como foi visto, o CLP é formado por uma fonte de alimentação, uma CPU, e interfaces de I/O, porém pode-se considerá-lo como uma pequena caixa contendo centenas ou milhares de relês separados, tais como contadores, temporizadores e locais de armazenamento de dados, conforme o diagrama da figura 2.5 (Silva Filho, 2000). Na 26 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial verdade o que ocorre é que o CLP simula essas funcionalidades, utilizando os registradores internos da CPU, Figura 2.5 - Funcionalidades de um CLP. onde: • Relês de entrada (contatos): Conectados com o mundo externo. Existem fisicamente e recebem sinais de interruptores, sensores etc. Normalmente não são relês e sim transistores munidos de isolamento óptico. No caso do CLP TP-02 da WEG Automação, o símbolo na linguagem LADDER que representa este tipo de relé é a letra “X”; • Relês de utilidade interna (contatos): Não recebem sinais do mundo externo e não existem fisicamente. São relês simulados que permitem eliminar relês de entrada externos (físicos). Também há alguns relês especiais que servem para executar só uma tarefa, como relês de pulso, temporizadores etc. Outros são acionados somente uma vez durante o tempo no qual o CLP permanece ligado e tipicamente são usados para inicializar dados que foram armazenados. No caso do CLP TP-02 o símbolo na linguagem LADDER que representa este tipo de relê é a letra “C”; • Contadores (Counters): Estes não existem fisicamente. São contadores simulados e podem ser programados para contar pulsos. Normalmente, estes contadores podem contar para cima (incrementar), ou abaixo (decrementar), ou ambos. Considerando que são simulados, os contadores estão limitados na velocidade de contagem. Alguns fabricantes também incluem contadores de alta velocidade baseados em hardware, podendo ser considerados como fisicamente existentes. • Temporizadores (Timers): Estes também não existem fisicamente. O mais comum é o tipo com “Retardo no Ligamento”. Outros incluem “Retardo no desligamento” e tipos retentivos e não-retentivos. Os incrementos variam de um mili-segundo até um segundo; • Relês de saída: Estes possuem conexão com o mundo externo e existem fisicamente. Enviam sinais de ON/OFF a solenóides, luzes, etc., podem ser transistores, Relês ou Triacs, dependendo do modelo de CLP. No caso do CLP TP02, o símbolo na linguagem LADDER que representa este tipo de relé é a letra “Y”; 27 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial • 2.5.9 Armazenamento de dados: Normalmente há registros designados simplesmente para armazenar dados. Eles são usados como armazenamento temporário para manipulação matemática ou de dados. Podem ser usados quando houver ausência de energia no CLP. Classificação Embora uma classificação de CLP´s devesse levar em conta a combinação de vários aspectos tais como número de pontos de E/S, capacidade de memória, comunicação, recursos de software e programação, etc., para propósitos práticos, pode-se considerar a seguinte classificação: Micro e Mini CLP´s, CLP´s de pequeno porte, CLP´s de médio porte e CLP´s de grande porte. Uma classificação, em função do número de E/S, aceita, é apresentada na tabela 2.1. Tabela 2.1 – Classificação dos CLPs PORTE No. de PONTOS Micro +/- 20 Mini +/- 180 Pequeno +/- 400 Médio Até 3000 Grande Acima de 3000 Considerando um CLP do tipo compacto, uma configuração mínima para o equipamento poderia ser a seguinte: 16 entradas digitais, 12 a 16 saídas digitais, 8 entradas analógicas, 1 a 2 saídas analógicas, 4 entradas de contagem de baixa velocidade (500 Hz), 2 contadores de 10 a 40 kHz, centenas de memórias (flags), contadores e temporizadores. 2.5.10 Especificação A especificação de um CLP pode ser feita em função do número de sensores e atuadores necessários. Ainda deve-se conhecer o nível elétrico dos sinais envolvidos, tanto na entrada como na saída. 2.6 Estrutura de Programação O princípio de funcionamento de um CLP é semelhante ao de todo sistema microprocessado, baseando-se em três passos: Com a partida, o CLP executa as seguintes tarefas: 1ª.) Transfere os sinais existentes na interface de entrada para a memória de dados (RAM). 2ª.) Inicia a varredura do software aplicativo armazenando-o na memória de dados. Dentro deste ciclo, executará todas as operações que estavam programadas no sofware aplicativo, como intertravamentos, habilitação de temporizadores/contadores, armazenagem de dados processados na memória de dados, etc... 28 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 3ª.) Concluída a varredura do software aplicativo, o CP transfere os dados processados (resultados das operações lógicas) para a interface de saída. Paralelamente, novos dados provenientes da interface de entrada irão alimentar a memória de dados. A figura 2.6 ilustra o ciclo de operação de um CLP (Silva Filho, 2000). Figura 2.6 – Ciclo de processamento O programa completo para o controle do sistema é armazenado em uma área de memória denominada Programa do Usuário. Divide-se o programa em partes chamadas Blocos. Os Blocos podem ser identificados por letras e números. Usa-se uma linguagem de programação regulamentada pela norma IEC 1131-3, que permite escrever o programa em cinco representações diferentes, que serão vistos a seguir. 2.7 Aspectos de Software Além do número de pontos de E/S, o que determina a utilização de um CLP são os recursos de software disponíveis, ou seja, quais funções podem ser executadas. Todos os CLP´s possuem as seguintes funções básicas de software: - Lógica E, OU e XOR; - SET e RESET; - Temporização e contagem; - Cálculos com aritmética básica (+, -, x, %); - Parênteses (para associação de lógicas); - Comparação de valores; - Registrador de deslocamento; - Salto. Estas funções são detalhadas no capítulo 4. 29 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial A medida que os CLP´s tem sua capacidade de processamento aumentada, surge a necessidade de funções de software mais avançadas, tais como: - Cálculos com ponto flutuante; - Cálculos integrais e trigonométricos; - Malha de controle PID; - Posicionamento; - Contagem rápida; - Leitura de sinais analógicos; - Linearização de sinais analógicos; - Lógica fuzzy; - Outros. Algumas destas funções são abordadas no capítulo 5. 2.8 Linguagens de Programação A programação traduz as funções a serem executadas. Para isso, ela deve ser a mais simples possível. A linguagem de programação é baseada na memotécnica, e através de uma linguagem específica, que usa abreviações, figuras e números, se torna acessível a todos os níveis tecnológicos, principalmente aos técnicos e engenheiros (lógica de relés). Hoje, a linguagem de programação é padronizada segundo a norma IEC 1131-3 (estabelecida em 1993) e visa atender tanto os conhecimentos da época do relé, ditos comandos elétricos, onde os sistemas eram automatizados fazendo-se uso destes, como os conhecimentos da era digital, onde os sistemas são automatizados usando-se CLPs. No primeiro caso, adequa-se a representação da linguagem pelos diagramas de contatos, e no segundo, a representação pelos diagramas lógicos da tecnologia digital, ou ainda a representação matemática. Existem diferentes formas de representação para a mesma linguagem e que são detalhadas na seção 3.2, desta apostila: 2.9 Terminologia A linguagem de programação dos CLP´s consiste de um conjunto de termos comumente usados, cujo entendimento se faz necessário e que são descritos a seguir. Sensor Um sensor é um dispositivo que converte uma condição física em um sinal elétrico para uso pelo CLP. Os sensores são conectados na entrada de um CP. Ex.: um botão tipo pushbutton conectado na entrada do CLP envia um sinal elétrico indicando a condição (aberto/fechado) de seus contatos. 30 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 2.7 – Exemplo de um sensor lógico. Atuador O atuador converte um sinal elétrico proveniente do CLP em uma condição física. Os atuadores são conectados na saída do CLP. Ex.: uma chave de partida de motor elétrico conectada na saída do CLP irá partir ou parar o motor, conforme o sinal enviado para a saída do CLP. Figura 2.8 – Exemplo de um atuador. Entrada Discreta Também referida como entrada digital, é uma entrada que possui duas condições: ligada ou desligada. Exemplos: pushbuttons, chaves fim-de-curso, chaves seletoras, pressostatos, chave de nível, contatos de relés, chaves limitadoras e chaves de proximidade podem ser conectadas às entradas discretas do CLP. Na condição fechada ou ligada, a entrada pode ser referida como nível lógico 1 (um) ou alto. Na situação aberta ou desligada, esta entrada pode ser referida como nível lógico 0 (zero) ou baixo. 31 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 2.9 – Representação de diversos tipos de contato nas entradas do CLP. No exemplo da figura 2.10 usa-se uma chave tipo pushbutton com os contatos normalmente abertos - NA (ou em inglês Normally Open – NO). Um dos lados da chave é conectado na primeira entrada do CLP e o outro lado é conectado em uma fonte de 24 Vcc. No estado aberto, não existe tensão presente na entrada do CLP, caracterizando a condição desligado. Quando a chave é pressionada, aplica-se 24 Vcc na entrada do CLP, caracterizando a condição ligado. Figura 2.10 – Funcionamento de uma chave tipo pushbutton. Entrada Analógica Caracteriza-se por um sinal contínuo aplicado na entrada. Valores típicos podem variar de 0 a 20 mA ou 0 a 10 V. Ex.: um transmissor de nível monitora o nível de líquido em um tanque. Dependendo de sua condição, o nível deve ser informado ao CLP através de um sinal proporcional à variação do líquido. 32 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 2.11 – Exemplo de Entrada Analógica Entre os sensores que podem ser aplicados estão os transdutores de tensão e corrente, temperatura, pressão, potenciômetros e etc. Normalmente, os CLPs do tipo compacto possuem um ou dois circuitos conversores Analógico/Digital, A/D, e um determinado número de canais de entrada (4, 8 ou 16) multiplexado. Deve-se configurar a entrada, informando qual o canal a ser lido e que tipo de sinal elétrico que é usado na entrada. Os sinais elétricos padronizados apresentam um dos formatos, vistos na tabela 2.2. Tabela 2.2 – Formato dos sinais analógicos padronizados Tipo de Sinal Valor mínimo Valor máximo Tensão 0 10 V Corrente 0 20 mA Corrente 4 20 mA Em ambiente industrial, prefere-se o terceiro padrão, em função da possibilidade de rompimento do cabo que conduz o sinal desde o ponto onde está instalado o sensor até o CLP. C L P Grandeza Fisica Sensor Transdutor d = 50 m EA Figura 2.12 – Aplicação de entrada analógica Saída Discreta É uma saída que pode assumir duas condições: ligada ou desligada. Solenóides, bobinas contatoras, alarmes, sinaleiros, bobinas de relés, contactoras e lâmpadas são exemplos de atuadores conectados a uma saída discreta ou digital. No exemplo abaixo, uma lâmpada pode ser ligada ou desligada pela saída do CLP à qual está conectada. 33 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 2.13 – Exemplo de uma saída discreta As saídas digitais dos CLPs podem se apresentar sob duas formas: saídas à relé e saídas à transistor. Nas saídas à relés deve-se limitar a corrente e instalar fusíveis para a proteção do circuito, considerando o nível máximo de tensão aplicada. Podem ser usadas para acionar diretamente atuadores, desde que respeitado o limite de corrente. No CLP TP02 da WEG tem-se saídas agrupadas de 2 A, 250 V. Já, no micro-CLP CLIC da WEG, as saídas são individuais de 10 A, 250 V. As saídas à transistor possuem baixos limites de corrente e tensão (da ordem de 300 mA, 24 V, para os CLPs TP02). Deve ser observada a polaridade dos componentes no circuito. Comparativamente, as saídas à transistor possuem uma vida útil e velocidade muito maiores do que as saídas à relé e ocupam espaços menores. Cartões com relés possuem no máximo 8 saídas, enquanto nos cartões com transistor, chega-se a 32 saídas. Para compensar os pequenos sinais de saída a transistor, pode-se acoplar cartões com micro-relés, conforme a figura 2.14. + 24 V Figura 2.14 – Esquema de um micro-relé. Saída Analógica Uma saída analógica possui um sinal que pode variar continuamente. A saída pode ser tão simples como um nível de 0 a 10 Vcc para acionar um medidor analógico (de velocidade, peso ou temperatura), como em situações mais complexas, tais como um 34 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial transdutor pneumático de corrente que controla uma válvula de controle de fluxo operada à ar, válvulas proporcionais ou até mesmo o acionamento de motores. Figura 2.15 – Exemplo de uma saída analógica. Da mesma forma que ocorre com as entradas analógicas, a saída também exige a configuração do canal, em função do CLP compacto possuir normalmente um conversor Digital/Analógico (D/A) e vários canais de saída multiplexados. 2.10 – O micro–CLP Outra tendência de mercado atual é o uso de pequenos CLPs para controlar processos locais ou tarefas simples, os quais se comunicam com outros CLPs e Sistemas Supervisórios formando uma rede de automação. Isto é, em aplicações nas quais é necessário automatizar um processo com poucos passos de programação, bem como com poucas entradas e saídas. Diversos fabricantes entraram nesse mercado através do lançamento de CLPs de pequeno porte, de programação simples e baixo custo. A figura 2.16 ilustra o Micro-CLP CLIC, da WEG, o qual constitui um exemplo clássico desse equipamento. Figura 2.16 – O Clic - Microcontrolador Programável. 2.11 - Considerações de projeto Para adequar um Controlador Lógico Programável (CLP) a um sistema ou a uma máquina é necessário verificar o número de pontos de entrada, o número de pontos de 35 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial saída, a velocidade de processamento e os tipos de entradas e saídas (sensores e atuadores) necessários à aplicação. De fato, os Controladores Lógicos Programáveis, como todas as ferramentas de automação, estão em constante desenvolvimento, no sentido da redução de custos, da dimensão física, do aumento da velocidade, da facilidade de comunicação, e também no aperfeiçoamento interfaces mais amigáveis. A flexibilidade dos CLPs indica que, as alterações lógicas podem ocorrer com grande facilidade, sem que sejam necessárias alterações do Hardware ou inclusão de componentes eletrônicos ou elétricos. Esta é a principal característica dos sistemas de automação flexíveis e o que faz dos CLPs ferramentas de grande aplicação nas estruturas de automação. Além da linguagem de contatos, existem outras formas de programação características de cada fabricante. Pode-se concluir então que os projetos de automação e controle envolvendo CLPs reduzem o trabalho de desenvolvimento de Hardware dos circuitos lógicos do acionamento, bem como os dispositivos e potência para acionamento de cargas e dos atuadores, uma vez que é possível escolher módulos de saída já prontos, adequados ao tipo de carga que se deseja acionar. A utilização do CLP contempla, por conseguinte, alguns passos genéricos: • Definição da função lógica a ser programada; • Transformação desta função em programa assimilável pelo CLP; • Implementação física do controlador e de suas interfaces com o processo. Bibliografia do Capítulo WEG Indústrias, “Automação de Processos Industriais”. Apostila do Curso módulo III. Jaraguá do Sul, SC, 2006. Georgini, Marcelo, “Automação Aplicada – Descrição e Implementação de Sistemas Seqüenciais com PLCs”, Livro. Editora Érica, São Paulo, 2000. Natale, Ferdinando, “Automação Industrial”. Livro, Ed. Érica, São Paulo, 2003. Moraes e Castrucci, Engenharia de Automação Industrial, livro. Editora LTC, São Paulo, 2007. Revista ABINEE - Nº 42 - Agosto/2007. DEXTER, “Curso de Automação Industrial”. Apostila do Curso, 2001. WEB: http://www.amarcato.ufjf.br/eletrica/automacao/arquivos/Automacaocapitulo1.pdf acessada em outubro de 2006. Carrilho, Eduardo, “Material de aula da disciplina Automação de Sistemas e Instrumentação Industrial”, Curso de engenharia elétrica no IME, São Paulo. Web: http://aquarius.ime.eb.br/~aecc/Automacao/index.html, acessada em maio de 2007. SENAIFORMADORES, 2005. Fundamentos de Automação Industrial – TUTORIAL, url: WEB: http://www.senaiformadores.com.br/Cursos/01/, acessada em outubro de 2006. 36 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial UNIDADE III – Lógica e Linguagem de Programação 3.1 Introdução Na execução de tarefas ou resolução de problemas com dispositivos microprocessados se faz necessária a utilização de uma linguagem de programação, através da qual o usuário se comunica com a máquina. A linguagem de programação é uma ferramenta necessária para gerar o programa, que vai coordenar e sequenciar as operações que o microprocessador deve executar. CLASSIFICAÇÃO ⇒ Linguagem de baixo nível ⇒ Linguagem de alto nível A - LINGUAGEM DE BAIXO NÍVEL Linguagem de Máquina É a linguagem corrente de um microprocessador ou microcontrolador, onde as instruções são escritas em código binário (bits 0 e 1). Para minimizar as dificuldades de programação usando este código, pode-se utilizar também o código hexadecimal, como vistos nos exemplos abaixo. Código Binário Endereço 0000000000000000 0000000000000001 0000000000000010 0000000000000011 0000000000000100 0000000000000101 0000000000000111 0000000000001000 0000000000001001 0000000000001010 0000000000001011 0000000000001111 0000000000010000 0000000000010001 Código Hexadecimal Conteúdo 00111110 10000000 11010011 00011111 00100001 00000000 01111110 00100011 10000110 00111111 00000001 11011010 00000000 11011010 Endereço 0000 0001 0002 0003 0004 0005 0006 0007 0008 0009 000A 000B 000C 000D Conteúdo 3E 80 D3 1F 21 00 10 7E 23 86 27 D3 17 3F Cada item do programa chama-se linha ou passo e representa uma instrução ou dado a ser operacionalizado. 37 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Linguagem Assembler Na linguagem assembler o programa é escrito com instruções abreviadas, chamadas mnemônicos. Endereço 0000 0002 0004 0007 0008 0009 000A 000B 000D 000F 0012 0013 0015 Conteúdo MVI A,80H OUT 1FH LXI ,1000H MOV A,M INX H ADD M DAA OUT 17H MVI A,1H JC 0031H XRA A OUT 0FH HLT Cada microprocessador ou microcontrolador possui estruturas internas diferentes, portanto seus conjuntos de registros e instruções também são diferentes. B - LINGUAGEM DE ALTO NÍVEL É uma linguagem próxima da linguagem corrente utilizada na comunicação de pessoas. Compiladores e Interpretadores Quando um microcomputador utiliza uma linguagem de alto nível, é necessária a utilização de compiladores e interpretadores para traduzirem este programa para a linguagem de máquina. PROGRAMA COMPILADOR OU INTERPRETADOR 1111 0000 0101 0100 Vantagem: Elaboração de programa em tempo menor, não necessitando conhecimento da arquitetura do microprocessador. 38 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Desvantagem: Tempo de processamento maior do que em sistemas desenvolvidos em linguagens de baixo nível. Exemplos de linguagens de alto nível: Pascal, C, Fortran, Cobol, etc. 3.2 Programação de CLPs De maneira geral, o programa do CLP é um conjunto de expressões booleanas. As expressões são avaliadas uma a uma seqüencialmente a cada ciclo de varredura, e o resultado correspondente é armazenado na memória intermediária do CLP. Ao terminar a avaliação, a parte da memória intermediária correspondente às saídas é copiada nas saídas. Normalmente programa-se um controlador através de um software que possibilita a sua apresentação ao usuário em diferentes formas: A norma IEC 1131-3 define as seguintes linguagens de programação: • Linguagens Gráficas - Diagramas de Funções Seqüenciais (Sequential Function Chart – SFC) - evolução do graphcet francês. - Diagramas de Contatos (Ladder Diagram – LD) - programação como esquemas de relés. - Diagramas de Blocos de Funções (Function Block Diagram – FBD) - blocos lógicos representando portas “E”, “OU”, “Negação”, “Ou exclusivo”, etc. • Linguagens Textuais - Lista de Instruções (Instruction List – IL) - Texto Estruturado (Structured Text – ST) - linguagem que vem substituir todas as linguagens declarativas tais como linguagem de instruções, BASIC estruturado e inglês estruturado. Esta linguagem é novidade no mercado internacional e é baseada no Pascal. A linguagem mais difundida é o diagrama de contatos (Ladder), devido à semelhança com os esquemas elétricos usados para o comando convencional e a facilidade de visualização nas telas de vídeo dos programadores (CRT). O software pode apresentar-se de forma linear, onde o programa é varrido desde a primeira até a última instrução, não importando-se com a necessidade ou não de ser executada uma parte do programa. É uma característica dos processadores mais simples (Bit Processor). Por outro lado, na programação estruturada, um programa principal é lido, e conforme a sequência de eventos, os blocos de programa e funções são executados. Uma grande vantagem está na otimização do software, que oferece a possibilidade de utilização de subrotinas e subprogramas. Alguns CLPs possibilitam a apresentação do programa do usuário em uma ou mais formas, enquanto alguns softwares de programação permitem migrar de uma linguagem 39 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial para outra, como, p. ex., de Ladder para Lista de Instrução, de Ladder para Diagrama Lógico e vice-versa. Cabe ressaltar que cada um dos métodos de representação tem suas propriedades e limitações não sendo universal a intercambialidade entre eles. Por ex., um programa escrito em IL nem sempre pode ser escrito em LAD ou FBD. As vantagens e desvantagens de cada uma das formas de linguagem de programação são dependentes dos conhecimentos do programador. A - Diagramas de Contatos Segundo Moraes e Castrucci, (2001), a Linguagem Ladder ou a “Linguagem de Diagrama de Contatos (LADDER Diagram)” ou Diagrama de Relés ou Diagrama Escada, originou-se dos diagramas elétricos em LADDER (Escada), cuja origem provém da Lógica de Relês. Esta forma gráfica de apresentação está muito próxima à normalmente usada em diagramas elétricos, como visto abaixo. Exemplo: E1 S1 E2 ------| |------| |--------------------------( )-----E3 ------| |-------------A linguagem Ladder será detalhadamente estudada na seção 3.5. B - Diagrama de Blocos Lógicos Mesma linguagem utilizada em lógica digital, onde sua representação gráfica é feita através das chamadas portas lógicas. Exemplo: I 0.0 >=1 & Q 0.0 Q 0.0 I 0.2 I 0.4 Q 0.2 >=1 & Q 0.2 I 0.6 40 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial C - Lista de Instrução Linguagem semelhante à utilizada na elaboração de programas para computadores. Exemplo : :A :A :O :A :A := I 1.5 I 1.6 I 1.4 I 1.3 Q 3.0 ( I 1.5 . I 1.6 ) + ( I 1.4 . I 1.3 ) = Q 3.0 3.3 Análise das Linguagens de Programação A análise das linguagens tem por objetivo contribuir na escolha de um sistema que melhor se adapte as necessidades de cada usuário. Esta análise se deterá nos seguintes pontos: - Quanto à forma de programação; - Quanto à forma de representação; - Documentação; - Conjunto de Instruções. Quanto à Forma de Programação Programação Linear - programa escrito escrita em único bloco. Programação Estruturada - Estrutura de programação que permite: - Organização; - Desenvolvimento de bibliotecas de rotinas utilitárias para utilização em vários programas; - Facilidade de manutenção; - Simplicidade de documentação e entendimento por outras pessoas além do autor do software. Permite dividir o programa segundo critérios funcionais, operacionais ou geográficos. Quanto à Forma de Representação • • • Diagrama de Contatos; Diagrama de Blocos; Lista de Instruções. 41 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Documentação A documentação é mais um recurso do editor de programa que de linguagem de programação. De qualquer forma, uma abordagem neste sentido torna-se cada vez mais importante, tendo em vista que um grande número de profissionais estão envolvidos no projeto de um sistema de automação que se utiliza de CLPs, desde sua concepção até a manutenção. Quanto mais rica em comentários, melhor a documentação que normalmente se divide em vários níveis. Conjunto de Instruções É o conjunto de funções que definem o funcionamento e aplicações de um CLP. Podem servir para mera substituição de comandos a relés: - Funções Lógicas; - Memorização; - Temporização; - Contagem. como também manipulação de variáveis analógicas: - Movimentação de dados; - Funções aritméticas. Se funções complexas de algoritmos, comunicação de dados, interfaces homem-máquina, podem ser necessárias: - Saltos controlados; - Indexação de instruções; - Conversão de dados; - PID; - sequenciadores; - aritmética com ponto flutuante; etc. 3.4 Normalização Existe a tendência de utilização de um padrão de linguagem de programação onde será possível a intercambiabilidade de programas entre modelos de CLPs e até de fabricantes diferentes. Esta padronização está de acordo com a norma IEC 1131-3 e se torna possível utilizando-se o conceito de linguagem de alto nível onde, através de um compilador, podese adaptar um programa para a linguagem de máquina de qualquer tipo de microprocessador, ou seja, um programa padrão pode servir tanto para o CLP de um fabricante A como de um fabricante B. A grande vantagem de se ter o software normalizado é que em se conhecendo um, conhece-se todos, economizando em treinamento e garantindo que, por mais que um fornecedor deixe o mercado, nunca se ficará sem condições de crescer ou repor equipamentos. 42 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 3.5 Linguagem de Relés e Blocos (Ladder) Os diagramas de contato são uma forma de programação de CLPs por meio de símbolos gráficos, representando contatos (contacts) e bobinas (coils). Pelo fato de utilizar a lógica de relé é a linguagem de programação de CLP mais simples de ser assimilada por quem já tenha conhecimento de circuitos de comando elétrico. Compõe-se de vários circuitos dispostos horizontalmente, com a bobina na extremidade direita, alimentados por duas barras verticais laterais. Por esse formato é que recebe o nome de ladder (ou escada, em português). Existe uma linha vertical de energização a esquerda e outra linha a direita. Entre estas duas linhas existe a matriz de programação formada por xy células, dispostas em x linhas e y colunas. No exemplo abaixo tem-se um caso de 32 células, dispostas em 4 linhas e 8 colunas. Barra de energia esquerda Barra de energia direita No exemplo acima, cada conjunto de 32 células é chamado de uma lógica do programa aplicativo. As duas linhas laterais da lógica representam barras de energia entre as quais são colocadas as instruções a serem executadas. As instruções podem ser contatos, bobinas, temporizadores, etc. A lógica deve ser programada de forma que as instruções sejam “energizadas” a partir de um “caminho de corrente” entre as duas barras, através de contatos ou blocos de funções interligados. Entretanto, o fluxo de “corrente elétrica” simulado em uma lógica flui somente no sentido da barra de energia esquerda para a direita, diferentemente dos esquemas elétricos reais. As células são processadas em colunas, iniciando pela célula esquerda superior e terminando pela célula direita inferior. Cada célula pode ser ocupada por uma conexão (“fio”), por um bloco (relé de tempo, operação aritmética,etc), ou ainda por um contato ou bobina. Cada uma das linhas horizontais é uma sentença lógica onde os contatos são as entradas das sentenças, as bobinas são as saídas e a associação dos contatos é a lógica. Os contatos e bobinas são conectados por ligações (links) em ramos (rungs) como num diagrama de lógica a relé. As ligações são os “fios” de interconexão entre as células da lógica Ladder (contatos, bobinas e blocos de funções). Podemos ter ligações na horizontal, na vertical, e 43 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial ainda uma ligação negada (inversora). As ligações horizontais e verticais simplesmente conectam saídas de células as entradas de outras células. Já a ligação negada inverte o sinal na sua entrada, como mostrado abaixo: A ligação negada recebe energia no terminal esquerdo... NEG ... e inverte este pulso em sua saída. Pode-se observar a diferença entre uma ligação negada (que inverte o valor binário em sua entrada) com a chave NF, que abre a ligação entre sua entrada e sua saída quando a bobina associada a ela é energizada. As expressões booleanas calculadas a cada ciclo de varredura do CLP correspondem à avaliação lógica seqüencial do diagrama de contatos. Contatos Um contato é representado abaixo, associado à variável booleana A, interna ao CLP, e suas ligações. A --||-Os contatos são usados como acesso ao estado de uma variável interna no cálculo de expressões booleanas. Contato normalmente aberto Contato normalmente fechado Contato sensível à transição positiva A --||-A --|/|-A --|P|-- O estado da ligação à direita é copiado para a ligação à esquerda se o estado de A é verdadeiro. Caso contrário, o estado da ligação à direita é falso. O estado da ligação à direita é copiado para a ligação à esquerda se o estado de A é falso, caso contrário, o estado da ligação à direita é verdadeiro. O estado da ligação à direita é verdadeiro por um ciclo de varredura se o estado da ligação à esquerda é verdadeiro e uma transição positiva da variável A é Detectada. Exemplo: 44 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial energizada Bobina acionadora do contato desenergiza fechado Contato NA aberto fechado Contato NF aberto Entrada do relé P (lado esquerdo) Saída do relé de pulso P (lado direito) 1 ciclo do CLP P ou PLS Bobinas Uma bobina é representada abaixo, associada a uma variável booleana Q. Q --( )-As bobinas alteram os estados das variáveis associadas. Bobina Normal Bobina Negativa Bobina Latch (Set) Bobina Latch (Reset) Bobina Sensível à Transição positiva Q --( )-Q --()-Q --(S)-Q --(R)-Q --(P)-- O estado da ligação da esquerda é copiado para a variável Q e para a ligação à direita. O estado da ligação à esquerda é copiado para a ligação à direita, e a negação do estado da ligação à esquerda é copiada para a variável Q. O estado de Q passa para verdadeiro quando a ligação à esquerda vai para verdadeiro, e não se altera em caso contrário. O estado de Q passa para falso quando a ligação à direita vai para verdadeiro, e não se altera em caso contrário. O estado de Q passa para verdadeiro por um ciclo de varredura cada vez que a ligação à esquerda vai de falso para verdadeiro. 45 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial A bobina Normal recebe energia no terminal esquerdo Nos terminais da bobina Q A bobina recebe energia no terminal esquerdo Nos terminais da bobina SET S A bobina recebe energia no terminal esquerdo Nos terminais da bobina RESET R A bobina simples comporta-se como uma contactora comum, ou seja, quando energizada aciona seus contatos. Já, as bobina SET e RESET funcionam como uma contactora com retenção, ou seja, um pulso nesta bobina aciona ou desaciona a contactora, respectivamente (como em um flip-flop R-S). Todos os contatos associados a uma bobina são acionados quando esta bobina é energizada. As bobinas podem ser associadas às saídas digitais do CLP, e os contatos podem ser associados às entradas digitais. Assim, ao energizar uma entrada o contato associado a ela é acionado (se for um contato NA ele se fechará; se for um contato NF irá abrir). Já, ao energizar uma bobina associada a uma saída do CLP faz-se com que esta saída seja ativada (feche o contato do relé de saída, por exemplo). No ladder, cada operando (nome genérico dos contatos e bobinas) é identificado com um endereço da memória à qual se associa no CLP. Esse endereço aparece no ladder com um nome simbólico para facilitar a programação e é arbitrariamente escolhido pelo fabricante como visto nos exemplos da tabela 3.1. 46 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Tabela 3.1 – Variáveis de alguns CLPs associadas ao endereçamento. MODELO Entrada Saída Digital Digital Entrada Saída BIT Analógi Analógi AUX. ca ca PALA VRA PALAVRA CONTADOR DO /TEMPORI SISTEMA ZADOR 90-70 90-30 90-20 90-MICRO SLC-500 %I1 a %I... %Q1 a %Q... %AI %AQ1 %M1 a a a %M... %AI... %AQ.. %T1 a . %T... %R1 a %R... %S %Rx x x+1 x+2 I:SLOT. PONTO I:1/0 a I:... O:SLOT .PONTO O:1/0 a O:... I:SLOT. PONTO I:3.0 a I:3.... O:SLOT B3:0/0 .PONTO a B3:... O:3.0 a O:3.... N7:0 a N7:... S: R6:0 a R6:... T4:0 a T4:... C5:0 a C5:... ALTUS AL500 - M0 %M %M FESTO FPC101 FPC103 II0 a II3 ou IU0 a IU3 OU0 e OU1 M0 a M... %M0 a%M.. R0 a R64 - PICOLLO R60 a R... %S2.0 a %S... O0.0 a O... - ALTUS R0 a R... %E0.0 a %E... I0.0 a I... FABRICAN TE GEFANUC ALLEN BRADLEY A0 a A... %A0.0 a %A... F0.0 a F15.15 %M0 FW0 a FW15 T0 a T31 C0 a C15 Outros tipos de endereçamento: 125/04 ( 1 = entrada, 2 = gaveta, 5 = número do cartão ou módulo, 04 = número do ponto ), 013/01 ( 0 = saída, 1 = número da gaveta, 3 = número do módulo, 01 = número do ponto ). O estado de cada operando é representado em um bit correspondente na memória imagem: este bit assume nível 1 se o operando estiver acionado e 0 quando desacionado. * As bobinas acionam o seu endereço. Enquanto uma bobina com endereço de saída estiver acionada, um par de terminais no módulo de saída será mantido em condição de condução elétrica. * Os contatos se acionam pelo endereço que os identifica. Os contatos endereçados como entrada são acionados enquanto seu respectivo par de terminais no módulo de entrada é acionado: fecham-se se forem NA e abrem-se se forem NF. 3.6 Desenvolvimento do Programa LADDER Após a definição da operação de um processo onde são geradas as necessidades de seqüenciamento e/ou intertravamento, esses dados e informações são passados sob forma de diagrama lógico, diagrama funcional ou matriz de causas e efeitos e a partir daí o programa é estruturado. O fluxograma abaixo mostra os passos para a automação de um processo ou equipamento. 47 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial INICIO DEFINIÇÃO PONTOS DE E/S OPERANDOS ELABORAÇÃO USUÁRIO DO PROGRAMA TESTE DO PROGRAMA USUÁRIO NÃO FUNCIONA? ALTERAÇÕES DO PROGRAMA SIM INSTALAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS E LIBERAÇÃO PARA USO FIM Figura 3.1 – Diagrama em blocos para desenvolver um programa em ladder. Além disso, existem algumas regras impostas na linguagem Ladder. Por exemplo, as bobinas devem ocupar somente a última coluna a direita. Abaixo, tem-se a ordem de execução das células em uma lógica Ladder. 1 5 9 13 17 21 25 29 2 6 10 14 18 22 26 30 3 7 11 15 19 23 27 31 4 8 12 16 20 24 28 32 48 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Um programa aplicativo pode ser composto de várias lógicas Ladder. Além disso, um módulo de configuração permite especificar parâmetros do CLP, como modelo, velocidade de ciclo, endereço do CLP na rede de comunicação, etc. Exemplo: Como a lógica de diagrama de contatos do CLP assemelha-se à de relés, para que um relê seja energizado, necessita de uma continuidade elétrica, estabelecida por uma corrente elétrica. ALIMENTAÇÀO + - CH1 K1 Figura 3.2 – Circuito Elétrico de acionamento de acionamento de uma contatora. Ao ser fechada a CH1, a bobina K1 será energizada, pois será estabelecida uma continuidade entre a fonte e os terminais da bobina. O programa equivalente do circuito anterior, na linguagem ladder, será o seguinte. E1 S1 Figura 3.3 – Equivalente em Ladder de acionamento de uma contatora. Analisando os módulos de entrada e saída do CLP, quando o dispositivo ligado à entrada digital E1 fechar, este acionará o contato E1, que estabelecerá uma continuidade de forma a acionar a bobina S1, consequentemente o dispositivo ligado à saída digital S1 será acionado. Uma prática indispensável é a elaboração das tabelas de alocação dos dispositivos de entrada/saída. Esta tabela, exemplificada abaixo, é constituída do nome do elemento de entrada/saída, sua localização e seu endereço de entrada/saída no CLP. DISPOSITIVO PSL - 100 TT - 400 FS SV LOCALIZAÇÃO Topo do tanque pressurizado 2 Saída do misturador Saída de óleo do aquecedor Ao lado da válvula FV400 49 ENDEREÇO E1 EA1 E2 S1 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial O contato NF é um contato de negação ou inversor. O exemplo abaixo mostra sua aplicação no programa anterior substituindo o contato NA por um NF. E1 S1 Figura 3.4 – Acionamento de uma contatora por um contato inversor. Analisando os módulos de entrada e saída, quando o dispositivo ligado à entrada digital E1 abrir, este desacionará o contato E1, este por ser NF estabelecerá uma continuidade de forma a acionar a bobina S1, consequentemente o dispositivo ligado à saída digital S1 será acionado. O gráfico lógico referente aos dois programas apresentados anteriormente é mostrado a seguir. ESTADO LÓGICO ESTADO LÓGICO 1 1 E1 E1 0 0 T T 1 1 S1 S1 0 0 T T CIRCUITO UTILIZANDO E1 NORMALMENTE ABERTO CIRCUITO UTILIZANDO E1 NORMALMENTE FECHADO Figura 3.5 – Diagramas temporais Com relação ao que foi exposto acima sobre os contatos endereçados como entrada, os que tiverem por finalidade acionar ou energizar uma bobina deverão ser do mesmo tipo do contato externo que aciona seu respectivo ponto no módulo de entrada. Já, os que forem usados para desacionar ou desenergizar uma bobina devem ser de tipo contrário do contato externo que os aciona. Para ligar Para desligar Se a chave externa for NA NF NA NF o contato no ladder deve ser NA NF NF NA Percebe-se que pode ser usada uma chave externa de qualquer tipo, desde que no ladder se utilize o contato de tipo conveniente. Mesmo assim, por questão de segurança, não se deve utilizar chave externa NF para ligar nem NA para desligar. 50 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 3.7 Associação de Contatos no Ladder e Lógica Combinacional No ladder, associam-se contatos para criar as lógicas booleanas com a saída. 3.7.1 ESTADOS LÓGICOS Pode-se fazer uma correlação entre os circuitos digitais e o acionamento (comando) de dispositivos físicos, como por exemplo, uma lâmpada. Figura 3.6 – Circuito Elétrico de acionamento de uma lâmpada. CORRELAÇÃO: 0 desligado 1 ligado baixo alto falso verdadeiro não sim Em 1854, George Boole apresentou a teoria matemática das proposições lógicas, definindo os conceitos da Álgebra de Boole. OPERAÇÕES LÓGICAS A relação entre duas ou mais variáveis que representam estados binários é estabelecida por meio de três operações lógicas: - Produto lógico (função E); - Soma lógica (função OU); - Inversão (função NÃO). TABELA VERDADE Permite escrever todas as combinações possíveis dos estados lógicos de todas as variáveis de uma função, incluindo o estado lógico resultante de cada combinação. 3.7.2 PORTAS LÓGICAS a) PORTA INVERSORA (NOT) 51 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial É uma porta com apenas um sinal de entrada e um sinal de saída, o qual assumirá sempre valores lógicos complementares ao sinal de entrada. Executa a função lógica da inversão booleana. TABELA DA VERDADE: A 0 1 S 1 0 CIRCUITO ELÉTRICO EQUIVALENTE: Figura 3.7 – Circuito elétrico equivalente para uma porta inversora. DIAGRAMA LADDER: Figura 3.8 – Diagrama ladder para uma porta inversora. b) PORTA “E” (AND) Os contatos em série executam a lógica E, pois a bobina só será acionada quando todos os contatos estiverem fechados. A porta lógica “E” possui dois ou mais sinais de entrada, mas somente um sinal de saída. De acordo com o operador lógico “E”, todas as entradas devem estar no nível lógico “1”(Vcc) para que se obtenha um nível lógico “1”(Vcc) na saída da porta lógica. TABELA DA VERDADE: A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 52 S 0 0 0 1 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial CIRCUITO ELÉTRICO EQUIVALENTE: Figura 3.9 – Circuito elétrico equivalente para uma porta E. DIAGRAMA LADDER: Figura 3.10 – Diagrama ladder para uma porta E. Exemplo: E1 E2 E3 S1 Figura 3.11 – Associação de contatos em série em ladder. A saída S1 será acionada quando: E1 estiver acionada E E2 estiver não acionada E E3 estiver acionada ou em álgebra booleana: S = E1 * E2 * E3 c) PORTA “OU” (OR) A lógica OU é conseguida com a associação paralela, acionando a saída desde que pelo menos um dos ramos paralelos estejam fechados. A porta lógica “OU” possui dois ou mais sinais de entrada, mas somente um sinal de saída. De acordo com o operador lógico “OU”, pelo menos uma das entradas deve estar no nível lógico “1”(Vcc) para que se obtenha um nível lógico “1”(Vcc) na saída da porta lógica. 53 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial TABELA DA VERDADE: A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 S 0 1 1 1 CIRCUITO ELÉTRICO EQUIVALENTE: Figura 3.12 – Circuito elétrico equivalente para uma porta OU. DIAGRAMA LADDER: Figura 3.13 – Diagrama ladder para uma porta OU. Exemplo: E1 S1 E2 E3 Figura 3.14 – Associação de contatos em paralelo em ladder. Assim, a saída S1 será acionada se E1 for acionada OU E2 não for acionada OU E3 for acionada. o que equivale a lógica booleana: S1 = E1 + E2 + E3 54 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial d) PORTA “NÃO E” (NAND) A porta lógica “NÃO E” tem dois ou mais sinais de entrada e apenas um sinal de saída, que só será baixo se todos os sinais de entrada forem altos. Como o próprio nome diz a porta “NÃO E” é uma composição das portas “NÃO” e “E”. TABELA DA VERDADE: A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 S 1 1 1 0 CIRCUITO ELÉTRICO EQUIVALENTE: Figura 3.15 – Circuito elétrico equivalente para uma porta NÃO E. DIAGRAMA LADDER: Figura 3.16 – Diagrama ladder para uma porta NÃO E. e) PORTA “NÃO OU” (NOR) A porta “NÃO OU” tem dois ou mais sinais de entrada e apenas um sinal de saída, que só será alto se todos os sinais de saída forem baixos Como próprio nome diz a porta lógica “NÃO OU” é uma composição das portas “NÃO” e “OU”. TABELA DA VERDADE: A 0 B 0 55 S 1 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 0 1 1 1 0 1 0 0 0 CIRCUITO ELÉTRICO EQUIVALENTE: Figura 3.17 – Circuito elétrico equivalente para uma porta NÃO OU. DIAGRAMA LADDER: Figura 3.18 – Diagrama ladder para uma porta NÃO OU. f) PORTA “OU EXCLUSIVA” (XOR) A porta lógica “OU EXCLUSIVA” é um circuito lógico tal que, para cada combinação dos sinais de entrada, o sinal de saída será nível lógico “1”(alto) se e somente se tivermos um NÚMERO ÍMPAR de entradas em nível lógico “1”(alto). Em virtude de sua grande utilidade prática, o circuito lógico que gera a saída “OU EXCLUSIVA” passou a ser considerado como porta lógica. A função lógica “OU EXCLUSIVA” não possui simplificação. TABELA DA VERDADE: A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 S 0 1 1 0 CIRCUITO ELÉTRICO EQUIVALENTE: 56 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 3.19 – Circuito elétrico equivalente para uma porta OU EXCLUSIVA. DIAGRAMA LADDER: Figura 3.20 – Diagrama ladder para uma porta OU EXCLUSIVA. g) LÓGICAS MISTAS As associações mistas criam condições mais complexas como a do exemplo a seguir. E1 E S1 E Figura 3.21 – Associação mista de contatos em ladder. Neste caso a saída S1 é acionada quando: E3 for acionada & E1 for acionada OU E3 for acionada & E2 não for acionada Em lógica booleana: S1= E3 * (E1 + E2) 57 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial EXERCÍCIOS 1- Desenvolver um simples programa em lógica LADDER que ligue uma saída “X” se as entradas “A” e “B”, ou a entrada “C” está ligada. 2- Desenvolver um programa aplicativo para uma partida direta de um motor com sinalização de ligado, desligado e sobrecarga. 3- Desenvolver um programa aplicativo para uma partida direta de um motor com inversão do sentido de rotação. 4- Desenvolver um programa em LADDER para um sistema de segurança para um carro. Quando a porta do carro estiver aberta ou o cinto de segurança não usado, a ignição não pode ser dada. Se todas as condições forem satisfeitas, então a chave irá dar a partida no motor. 5- A lógica LADDER da figura abaixo é para uma porta “AND” ou “OR”? 58 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 3.8 SISTEMAS COMBINATÓRIOS Sistemas combinatórios resultam da combinação de portas lógicas básicas, sendo que a saída é uma combinação das variáveis de entrada. CIRCUITO – EQUAÇÃO – TABELA A partir de um circuito (lógica de contatos ou portas lógicas) pode-se obter a equação Booleana e a seguir, a tabela verdade. Exemplo: a) Dado o circuito dado: Coloca-se na saída de cada porta a equação correspondente. No final, a expressão Booleana sai automaticamente. b) Expressão Booleana obtida: S = BC + A (B + C ) c) Tabela verdade A 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 C 0 1 0 1 0 1 0 1 S 0 1 1 1 0 0 0 1 d) Circuito com lógica de contatos 59 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial EQUAÇÃO – TABELA – CIRCUITO Pode-se partir da equação Booleana para montar a tabela verdade e montar o circuito correspondente. Exemplo: a) Dada a equação Booleana: S = A(B + C ) + A B b) Tabela verdade, obtida a partir da equação A 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 C 0 1 0 1 0 1 0 1 A(B + C ) 0 0 0 0 1 1 0 1 B +C 1 1 0 1 1 1 0 1 AB 0 0 1 1 0 0 0 0 S 0 0 1 1 1 1 0 1 c) Traçado do circuito – feito por partes, a partir de cada parte da expressão e obtendo a porta correspondente, até se obter a expressão formada. d) Circuito com lógica de contatos: 60 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial TABELA – EQUAÇÃO – CIRCUITO Existem dois métodos para se obter a função Booleana: – Método da soma dos produtos; – Método do produto das somas. 1 – Método da soma dos produtos Obtém-se a função Booleana na forma canônica disjuntiva, ou seja, a função é expressa num somatório de produtos (chamados mintermos) que contém todas as variáveis, com ou sem barra, da função. Ex.: Dada a tabela: A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 F 1 1 0 1 (a) (b) (c) Passo 1 – Toma-se as proposições cujas saídas assumem o estado lógico 1. Passo 2 – Realiza-se o produto das variáveis que compõem a função, “barrando” aquelas a que são atribuídas nível lógico 0. (a) A B (b) A B (c) AB Passo 3 – Realiza-se a soma de todas elas, compondo a saída “F”. F = A B + A B + AB 61 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Passo 4 – Se necessário, simplifica-se a função. F = A (B + B ) + AB F = A + AB F = ( A + A) × ( A + B ) F = A+B Finalmente, o circuito em lógica de contatos: 2 – Método do produto das somas Obtém-se a função Booleana na forma canônica conjuntiva, isto é, a função é expressa num produto de uma soma (maxtermos) que contém todas as variáveis, com ou sem barra, da função. Ex.: Dada a tabela anterior: A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 F 1 1 0 1 (a) Passo 1 – Toma-se as proposições cujas saídas assumem o estado lógico 0. Passo 2 – Realiza-se a soma das variáveis que compõem a função, “barrando” aquelas a que são atribuídas nível lógico 1. (a) A + B Passo 3 – Realiza-se o produto de todas elas, compondo a saída “F”. F = A+B Passo 4 – Se necessário, simplifica-se a função. F = A+B Finalmente, o circuito em lógica de contatos: 62 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial TEOREMAS ÚTEIS DA ALGEBRA BOOLEANA A+0=A A.1=A A+1=1 A.0=0 A+A=A A.A=A A+A=1 A.A=0 A+A.B=A A . (A + B) = A A.B+A.B= A (A + B) . (A + B) = A A+A.B=A+B A . (A + B) = A . B A + B . C = (A + B) . (A + C) A . (B + C) = A . B + A . C A . B + A . C = (A + C) . (A + B) (A + B) . (A + C) = A . C + A . B A.B+A.C+B.C=A.B+A.C (A + B) . (A + C) . (B + C) = (A +B) (A + C) 63 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial EXERCÍCIOS 1- Uma lâmpada, em uma instalação elétrica, deve ser comandada a partir de três pontos independentes. Construir um diagrama de contatos proveniente de uma tabela verdade para este fim. 2- O nível de um tanque de combustível deve ser mantido entre um valor máximo e mínimo, fornecidos por dois sensores de nível, S1 (NA - nível máximo) e S2 (NA nível mínimo). A bomba centrífuga usada para encher o tanque é ligada quando o sensor S2 estiver aberto e, desligada, quando o sensor S1 for ativado. Um interruptor L1 é usado para interromper manualmente este controle automatizado. Construir um diagrama de contatos para esta finalidade. 3- Em uma esteira são transportadas caixas de três tamanhos diferentes (tamanho 1, tamanho 2 e tamanho 3); As caixas passam por três sensores ópticos SZ1, SZ2 e SZ3 (barreira de luz); A operação inicia após ser pressionado um botão liga “I” e é interrompido pelo botão desliga “O”; A escolha do tamanho da caixa a ser selecionada é definida por uma chave seletora de três posições (contatos NA denominados S1, S2 e S3); Assim se for selecionado o tamanho 1, a esteira deve parar e ativar um sinaleiro H1 se for detectada uma caixa no tamanho 2 ou tamanho 3; Nesta situação a caixa no tamanho indesejado será retirada manualmente pelo operador, que deverá reiniciar a operação pressionando novamente o botão liga “I”; - Obs.: A esteira é acionada pelo motor de indução M1. 64 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 4- Um forno com dois compartimentos pode aquecer um lingote em cada um deles. Quando o aquecedor está ligado, ele fornece calor suficiente para aquecer dois lingotes. Mas se no forno está presente apenas um lingote, ele pode se tornar muito quente. Então um ventilador é usado para resfriar o forno quando ultrapassada a temperatura escolhida. Se a temperatura é muito alta e existe apenas um lingote em apenas um compartimento, então o ventilador liga. B1 – Compartimento 1, lingote presente; B2 – Compartimento 2, lingote presente; F – Ventilador; T – Sensor de sobre aquecimento. 5- Dado o circuito digital abaixo, obter o circuito equivalente em lógica LADDER, simplificado. 65 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 3.9 Minimização por Mapa de Karnaugh O mapa de Karnaugh é uma representação retangular das variáveis de entrada/saída de um sistema, contendo os mesmos elementos de uma tabela verdade. Variáveis de entrada Variáveis de saída Célula colocadas externamente à tabela; colocadas dentro da tabela; cada quadrado da tabela; Células adjacentes não podem mudar de nível lógico mais que 1 variável por vez distribuição das variáveis obedece ao código de Gray. Exemplo: Dada a tabela verdade A 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 C 0 1 0 1 0 1 0 1 S 0 0 1 1 1 1 0 1 S = A B + AB + BC REGRAS PARA SIMPLIFICAÇÃO Consiste em reunir células adjacentes que possuem a mesma saída (0 ou 1) formando grupos ou subgrupos. 1234- Número de células reunidas deve ser o maior possível; Uma célula pode pertencer a 2 grupos; Número de células reunidas deve ser uma potência de 2: 1, 2, 4, 8,... Formar agrupamentos até não restarem saídas que não tenham sido agrupadas. EXERCÍCIOS 1) Dado o diagrama de contatos, determinar a tabela verdade, minimizar por Karnaugh e escrever o novo diagrama. 66 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 2) Minimizar o diagrama ladder abaixo usando Mapa de Karnaugh. 67 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 3.10 Outros circuitos combinacionais MULTIPLEXADORES - MUX Permitem que múltiplos dispositivos se conectem a um único dispositivo. São muito populares nos sistemas de telefonia. Uma chave de telefone é usada para determinar qual telefone irá conectar num número limitado de linhas para outras chaves de telefone. Nos quadros de chaveamento de linhas antigos, os operadores conectavam fisicamente a linha para outro telefone. Nos modernos quadros de chaveamento telefônico computadorizados, a mesma coisa é feita, mas para sinais digitais de voz. Na figura abaixo é mostrado um multiplexador de quatro entradas conecta os sinais, D1 a D4, à saída X, obedecendo ao endereçamento informado pelos bits A1 e A2. D1 1 0 D2 0 1 D3 0 0 D4 0 0 A1 0 0 A2 0 1 X D1 D2 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 D3 D4 X = D1 ⋅ A1 ⋅ A2 + D 2 ⋅ A1 ⋅ A2 + D3 ⋅ A1 ⋅ A2 + D 4 ⋅ A1 ⋅ A2 Circuito do Multiplexador 68 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Lógica LADDER para o Multiplexador OBS.: O número de combinações possíveis depende do número de entradas de seleção (An), e é dado por: C = 2n Outros exemplos de uso de Multiplexadores - Circuitos de câmaras alternando a imagem para ser exibida no monitor; - Roteamento de dados em redes de computadores; - Chaves seletoras digitais; - Conversão de dados paralelos em seriais. 69 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial DEMULTIPEXADORES - DEMUX Executam a operação inversa ao MUX, isto é, coloca uma entrada “D” em uma das saídas “Xn” em função das variáveis de seleção. D A1 A2 X1 X2 X3 X4 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 X 1 = D ⋅ A1 ⋅ A2 X 2 = D ⋅ A1 ⋅ A2 X 3 = D ⋅ A1 ⋅ A2 X 4 = D ⋅ A1 ⋅ A2 Circuito do Demultiplexador Lógica LADDER 70 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial CODIFICADOR Expressa o código decimal em uma determinada base (BCD, BCD 8421, Gray, etc.). Ex.: Teclado do computador possui um circuito codificador que converte cada tecla em ASCII. Codificador Binário (BCD) Decimal Entradas em Decimal Saídas em BCD D E9 E8 E7 E6 E5 E4 E3 E2 E1 E0 S3 S2 S1 S0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 3 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 4 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 5 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 6 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 7 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 8 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 9 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 S 0 = E1 + E 3 + E 5 + E 7 + E 9 S1 = E 2 + E 3 + E 6 + E 7 S 2 = E 4 + E5 + E 6 + E 7 S 3 = E8 + E9 71 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Circuito do codificador BCD Lógica Ladder 72 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial DECODIFICADOR Executa a operação inversa ao Codificador, isto é, o circuito faz a conversão de qualquer código ou base numérica para decimal. Ex.: Entradas Binárias Saídas Decimal C B A Saídas DC S0 = A ⋅ B ⋅ C 0 0 0 S0 0 S1 = A ⋅ B ⋅ C 0 0 1 S1 1 S2 = A⋅ B ⋅C 0 1 0 S2 2 S3 = A ⋅ B ⋅ C 0 1 1 S3 3 S4 = A⋅ B ⋅C 1 0 0 S4 4 S5 = A ⋅ B ⋅ C 1 0 1 S5 5 1 1 0 S6 6 S6 = A ⋅ B ⋅ C S7 = A⋅ B ⋅C 1 1 1 S7 7 Lógica LADDER para o Decodificador 73 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial EXERCÍCIOS 1 – Obter o circuito minimizado por mapa de Karnaugh para aplicação em lógica Ladder para o acionamento de todos os led’s de um display de sete segmentos, com a finalidade de decodificar o código BCD. Bibliografia do Capítulo WEG Indústrias, “Automação de Processos Industriais”. Apostila do Curso módulo III. Jaraguá do Sul, SC, 2006. Natale, Ferdinando, “Automação Industrial”. Livro, Ed. Érica, São Paulo, 2003. DEXTER, “Curso de Automação Industrial”. Apostila do Curso, 2001. Carrilho, Eduardo, “Material de aula da disciplina Automação de Sistemas e Instrumentação Industrial”, Curso de engenharia elétrica no IME, São Paulo. Web: http://aquarius.ime.eb.br/~aecc/Automacao/index.html, acessada em maio de 2007. Vianna, William S., “Controlador Lógico Programável”. Apostila, CEFET-PR, 2000. 74 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial UNIDADE IV – Sistemas Sequenciais Caracterização dos Sistemas Lógicos Sistemas Combinacionais As saídas dependem das entradas apenas no instante de tempo observado. Sistemas Seqüenciais As saídas dependem das entradas tanto no instante de tempo observado, como no instante anterior. As entradas no instante anterior são as próprias saídas, memorizadas e postas na entrada. Logo, os sistemas seqüenciais assumem pelo menos um elemento de memória. 4.1 Circuitos Biestáveis, “Flip-Flops” e “Latches” O circuito biestável é classificado como elemento de memória, pois apresenta 2 estados estáveis (0 e 1) na saída que, pela ação de um pulso externo a uma de suas entradas, passa de um nível lógico a outro, assim permanecendo até que outro pulso, ou estímulo, seja dado na outra entrada. Quando um biestável muda de estado através do acionamento de um sinal de relógio (clock), dá-se o nome de flip-flop. As duas saídas Q e Q são complementares. 75 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Se Q = 1 Se Q = 0 biestável “setado”; biestável “ressetado”. Estado 1(setado) 0(ressetado) Q Q 1 0 0 1 Implementação em Circuitos Elétricos 1ª Representação L 0 0 1 1 D 0 1 0 1 S SN 0 1 NP Onde: R – Retenção da bobina “S” SN = QN – Estado anterior NP – Não permitido Representação em LADDER Considere-se os contatos L = NA (normalmente aberto) e D = NA. Acionando o botão “L” relé “S” fecha contato “R” fecha por “S”. O circuito se mantém neste estado até “D” ser pressionado. Pressionando “D” relé “S” abre novo estado até “L” ser pressionado. contato “R” abre também. O circuito se mantém no 2ª Representação (componente disruptor) 76 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Acionando o botão “S” Acionando o botão “R” S 0 0 1 1 R 0 1 0 1 circuito fica “setado” (Q=1), devido à retenção mecânica. circuito fica no estado “ressetado” (Q=0). Q SN 0 1 NP Representação em LADDER “LATCHES” NA AUTOMAÇÃO Um LATCH é caracterizado como um dispositivo biestável assíncrono, porque muda de estado sem a necessidade de sincronismo com um trem de pulsos (clock). Um “latch” funciona como uma chave “colada”: quando pressionada ela liga, mas colada no lugar, ela precisa ser puxada para ser liberada e então desligada. No diagrama LADDER usa-se: - uma instrução para “LATCH” (L); - uma instrução para “UNLATCH” (U). 77 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Exemplo de um Diagrama de Tempo x Eventos 1º.) A saída com um “L” dentro irá ligar a saída “D” quando a entrada “A” se tornar verdadeira; 2º.) “D” permanecerá ligado mesmo que “A” desligue; 3º.) A saída com um “U” dentro irá desligar a saída “D” quando a entrada “B” se tornar verdadeira. Se uma entrada for travada (“latched”), ela manterá seu valor mesmo que a energia seja desligada. Exemplos de Aplicação a) Circuitos de memorização ou intertravamento Memorização ou auto-retenção de uma variável: No exemplo acima, a saída Q1 ficará permanentemente ligada após I1 ter sido acionada pela primeira vez. Acionamento por botoeiras de liga e desliga com prioridade para o desligamento: Neste caso, se ambas as botoeiras I1 e i2 forem acionadas ao mesmo tempo, prevalecerá a saída desligada, uma vez que o ramo i2 abrirá. 78 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Acionamento por botoeiras de liga e desliga com prioridade para o ligamento: Usando bobinas de set-reset: I1 Q1 (S) I2 Q1 (R) I3 Q2 (R) I4 Q2 (S) Qual é a prioridade para as saídas Q1 e Q2 no circuito acima? b) Circuito de Detecção de Borda Existem situações no controle discreto em que o estado de uma variável não é suficiente como informação, mas sim o instante de transição de um estado a outro. Abaixo tem-se o exemplo de um programa que realiza detecção de borda de subida em uma variável de um CLP, utilizando o conceito de ciclo de varredura: Quando I1 é levado ao nível alto, M1 também sobe, pois o contato série fechado de m2 assim o permite. A partir do segundo ciclo de varredura, M2 torna-se alto, ocasionando a queda de M1. Logo, M1 ficou alto durante um ciclo de varredura apenas a partir do instante de subida de I1, o que dura poucos milissegundos (alguns CLPs permitem fixar o tempo de varredura). Diz-se então, que M1 sinalizou a borda de subida de I1. 79 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial c) Circuito de “debouncing” Em chaves comutadoras pode surgir um indejável efeito de “repique” quando do fechamento dos seus contatos: Os circuitos de “debouncing” tem a função de reduzir este efeito, o que pode ser conseguido com uma simples aplicação de um circuito “latch”: Exercício: Usando o circuito de detecção de borda, implementar um programa ladder para ligar e desligar uma contactora com um único botão pulsador. 80 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 4.2 Contadores O contador conta o número de eventos que ocorre e deposita essa contagem em um byte reservado. Quando a contagem estiver completa, ou seja, igual ao valor prefixado, esta instrução energiza um bit de contagem completa. A instrução “contador” é utilizada para energizar ou desenergizar um dispositivo ao final da contagem. Os contadores são constituídos a partir de flip-flops. S1 E1 E2 CON T AD O R C1 PU LS OS=50 Para cada contador destina-se um endereço de memória de dados onde o valor prefixado será armazenado. Na memória de dados do CLP, o contador ocupa três bytes para o controle. O primeiro byte reservado para o dado prefixado, o segundo byte reservado para a contagem e o terceiro byte reservado para os bits de controle da instrução contador. 1 EVENTO 0 T BIT DE ENERGIZAÇÃO D.E. 1 1o byte = valor prefixado 2o byte = contagem 3o byte = bits de controle D.E. (bit de entrada), D.S. ( bit de saída ) e D.R. ( bit de reset). 0 T BIT DE CONTAGEM 1 COMPLETA D.S. 0 T BIT DE 1 ZERAMENTO D.R. 0 T Aplicações: - Contagem de eventos de todos os tipos, a partir de um sensor ou transdutor; - Divisor de freqüência e tempo (relógios digitais). Classificação: - Crescentes ou decrescentes; - Síncronos ou assíncronos. 81 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 4.2.1 – Contadores Crescentes (up counters) a) Crescente Síncrono Todos os flip-flops estão sob o mesmo comando de “clock”, e a saída de um é entrada do flip-flop seguinte. Cada flip-flop depende da forma de pulso no flip-flop anterior para alterar a saída. Estado anterior : QA=QB=0 CK QB QA Decimal 0 0 0 Pulso 1 0 1 1 Pulso 2 1 0 2 Pulso 3 1 1 3 Representação LADDER segundo a norma IEC1131-3: Parâmetros: CU – Counter up; PV – Preset value; R – Reset; S – Set; Cxxx – Saída counter bit; CTU – Contador crescente. b) Crescente Assíncrono A saída de um flip-flop é a entrada de clock do flip-flop seguinte. Todas as entradas estão no nível lógico 1. À cada pulso de clock a saída se complementa. 82 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Estado anterior : QA=QB=0 CK QB 0 1 1 1 0 2 1 Pulso 3 0 0 Pulso 2 Decimal 0 Pulso 1 QA 1 3 A contagem máxima depende do número de flip-flops (FF) é dada por Ex.: Para 4 flip-flops tem-se C = 2nFF . C = 24 = 16 . 4.2.2 – Contadores Decrescentes (down counters) a) Contador Decrescente Assíncrono - A saída Q do FF é ligada ao “clock” do FF seguinte; - As entradas adicionais de “preset” colocam as saídas Q no nível lógico 1, quando de 1 pulso nelas aplicado; - Inicia-se com todas as saídas do nível lógico 1; - Pode-se estabelecer um número de contagem que se deseja; - O bit menos significativo é QA e o mais significativo é QC. 83 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial b) Contador Decrescente Síncrono - As saídas Q são combinadas por meio de portas lógicas e interligadas às entradas JK. - As entradas de clock estão sob o mesmo comando. - Pode-se constatar que para o contador ser crescente ou decrescente, depende de se utilizar as saídas Q e Q . Entrada Saídas Decimal N Clock QC QB QA 1 1 1 1 7 2 1 1 0 6 3 1 0 1 5 ... ... ... ... ... Representação LADDER e FBD segundo a IEC 1131-3: 4.2.3 – Contador Crescente/Decrescente (up down counter) Um mesmo circuito pode efetuar ambas as contagens, dependendo de uma lógica que conecte a saída Q ou Q , junto à entrada de clock ou de J-K, se o contador for assíncrono ou síncrono, respectivamente. 84 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Modo Up/Down LSB JA SET JB QA SET QB JC SET QC CK KBCLR QB KACLR QA K CCLR QC 1 Com a entrada de modo em nível lógico 1, habilita-se o contador crescente Q. Com a entrada ao nível lógico 0, são liberadas as saídas Q . Representação LADDER e FBD segundo a IEC 1131-3 e diagrama de tempo. 85 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Exemplo 1: desenvolver uma lógica ladder que acenda uma lâmpada após a chave “A” ter sido fechada 10 vezes. Ao pressionar o botão “B”, o contador irá “resetar”. Exemplo 2: “deadman switch” Um motor deve ser controlado por 2 chaves: GO - parte o motor; STOP – pára o motor. Se a chave “stop” foi usada para parar o motor, a chave “go” deve ser pressionada 2 vezes para partir o motor. Quando o motor está ativo uma luz deve ser energizada. A chave “stop” será conectada como normalmente fechada (NF) (lógica invertida). O quê acontecerá se “stop” é pressionada e o motor não está funcionando? 4.3 Temporizadores São circuitos que, para uma seqüência de pulsos de entrada, geram um pulso de saída de duração limitada ou com atraso. Os temporizadores podem ser constituídos de um flip-flop de entrada e um estágio de saída. Um contador pode ser considerado um temporizador, pois ele também é um divisor de freqüência e consequentemente de tempo. Simbologia e Representação Elétrica: 86 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Funcionamento: O temporizador conta o intervalo de tempo transcorrido a partir da sua habilitação até este se igualar ao tempo preestabelecido. Quando a temporização estiver completa esta instrução eleva a nível 1 um bit próprio na memória de dados e aciona o operando a ela associado. Para cada temporizador destina-se um endereço de memória de dados onde o valor prefixado será armazenado. Na memória de dados do CLP, o temporizador ocupa três bytes para o controle. O primeiro byte reservado para o dado prefixado, o segundo byte reservado para a temporização e o terceiro byte reservado para os bits de controle da instrução temporizador. Em alguns casos, esta instrução apresenta duas entradas: uma de habilitação da contagem e outra para zeramento ou reset da saída. TIPOS: - Temporizador de Pulso. - Temporizador de Retardo. 4.3.1 - Temporizador de Pulso (TP) É aquele que gera um pulso de saída limitado no tempo definido. Pode aparecer sob as três formas diferentes a seguir. a) Temporizador limitado no tempo: Simbologia e Diagrama de tempo do temporizador: Condições: -Se o pulso de entrada é menor que “t” (tempo do temporizador): Saída = Entrada. - Se o pulso de entrada é maior que “t”, tem-se: Saída = tempo “t” (fica energizada no intervalo de tempo “t”). b) Temporizador com tempo definido Simbologia e Diagrama de tempo do temporizador: 87 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial A saída independe do tempo de energização da entrada. Se o pulso de entrada for maior ou menor que “t”, a saída será constante e igual a “t”, definido. Seu Funcionamento é semelhante ao de um monoestável. Representação LADDER e FBD segundo a IEC 1131-3 e diagrama de tempo: c) Temporizador de duração “t” após desligamento. Simbologia e Diagrama de tempo do temporizador: Após a desenergização da entrada, a saída fica ligada durante um tempo “t”. Diagrama Ladder (IEC 1131-3) e Diagrama de Tempo: 88 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 4.3.2 - Temporizadores de retardo A saída é igual à entrada a menos de um determinado retardo “t”. a) Temporizador com retardo na energização (Ton). Seguindo o modelo dos antigos relés de tempo, o tipo de temporização mais comum em CLPs é o de retardo na energização. Simbologia e Diagrama de tempo do temporizador com retardo na energização: A saída é igual à entrada após o tempo t1 de retardo. No exemplo acima, quando a entrada I1.2 for acionada, o temporizador será habilitado e imediatamente após 26 segundos a saída Q2.0 será acionada. Quando I1.2 for desacionada, o temporizador será desabilitado, ou desenergizado, desacionando a saída Q2.0. 89 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial b) Temporizador com retardo no desligamento (Tof) Simbologia e Diagrama de tempo do temporizador com retardo no desligamento: A saída fica ligada durante o tempo em que a entrada estiver energizada e ainda durante um retardo de tempo t2. c) Temporizador com retardo na energização e no desligamento. Reúne as características dos tipos anteriores. É o tipo de temporizador cujos contatos são atuados com um atraso de t1 segundos da energização e desligados t2 segundos após sua desenergização. 90 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Exemplos de Aplicação: a) Implementar em ladder um temporizador de retardo na energização e no desligamento utilizando os 2 primeiros tipos (Ton e Tof). b) Oscilador Astável É um esquema de temporização cujos contatos são ativados ciclicamente durante t1 segundos em nível alto e t2 segundos em nível baixo. Pode ser implementado em ladder usando-se como elemento de temporização uma bobina com retardo na energização. c) Gerador de pulso de Clock empregando um temporizador e um biestável tipo T. 91 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial A saída do oscilador astável M0 aciona o biestável tipo T, que gera um pulso na saída M1 a cada dois pulsos do oscilador. A duração do pulso é aproximadamente igual ao tempo de carga do temporizador. d) Aplicação do Temporizador de Retardo em uma Chave de partida estrela-triângulo. Na partida, o motor deve ter seus enrolamentos alimentados em Y (contactores K1 e K3 acionados) e, decorrido o tempo necessário para que ele atinja velocidade próxima à nominal, então ele deve ser alimentado em ∆ (contactores K1 e K2). O CLP deve monitorar 2 botoeiras L e D, para ligar e desligar o motor, e comandar em suas saídas os 3 contatores. Solução: 92 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial EXERCÍCIOS 1 - Desenvolver uma lógica ladder que ligue uma lâmpada 15 segundos após a chave “A” ser ligada. 2 – Desenvolver um programa que “latch” ou “set” uma saída “B” 20 segundos após a entrada “A” ser ligada. Após “A” ser ligada haverá um retardo de 10 segundos até que “A” possa ter qualquer efeito novamente. Após “A” ter sido pressionada 3 vezes, “B” irá desligar. 3 - Esteira transportadora. Uma esteira desloca-se pelo acionamento de um motor. Peças são posicionadas na esteira a partir de um detector ótico. Quando o sensor ótico liga, deseja-se esperar 1,5 segundos, e então parar a esteira. Após um retardo de 2 segundos ela desloca-se novamente. Usa-se um botão de partida e parada e uma luz para indicar sistema ativado. 4 - Inserindo um sistema de triagem (seleção) na esteira transportadora do exercício 3: Um sensor (gage) é incluído no sistema para indicar se a peça é boa ou ruim. Se for boa, ela continua. Se a peça for ruim, não se devem aguardar os 2 segundos, mas atuar um cilindro pneumático, por cerca de 0,5 segundos. 5 - Máquina de bobinagem de carretéis: Deseja-se que cada carretel seja preenchido com 150 voltas de fio. Ao final da bobinagem, o motor deve ser desligado Botoeira B – inicia a bobinagem pelo acionamento do motor “M”. Fim de curso “a” – indica volta completa. 93 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 4.4 Instruções Booleanas de Comparação Usa-se quando for necessário comparar dois valores. a) Comparação de igualdade No caso dos dois valores serem iguais, toma-se uma decisão de programação. Representação LADDER segundo a norma IEC1131-3. V1 V2 Z1 Z2 = Exemplo: V1= Entrada com o valor de um contador C1.V V2= Valor fixado qualquer (neste exemplo: 6) Compare Q2.2 C1.V = 6 Representação no software Directsoft (empresa Automationdirect): A Operando A V- Word TA – Valor atual do temporizador CTA – Valor atual do contador P – Ponteira de dados = B Operando B V TA CTA P K – Valor Constante Exemplo: Y0 CTA0 = K10 94 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial b) Comparação de diferença O contato de comparação de diferença será atuado quando a condição de comparação for satisfeita (A ≠ B). Exemplo: Y0 CTA0 ≠ K10 c) Comparação de superioridade ou igualdade O contato será atuado quando a condição de comparação for satisfeita (A ≥ B). Exemplo: Y0 TA0 ≥ K10 d) Comparação de inferioridade O contato será atuado quando for satisfeito (A < B). Exemplo: Y0 TA0 < K10 Instrução OR OUT (OROUT) Pode acrescentar múltiplas referências ao mesmo operando, ao contrário da instrução de saída normal, que não admite mais de uma referência. Exemplo: X0 Y0 OR OUT X1 Y0 OR OUT 95 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Exemplo de aplicação: Sistema de semáforo simples VIA “B” VIA “A” Sequência de acionamento do sistema: Fase Tempo (s) Semáforo A Semáforo B 1 30,00 Verde Vermelho 2 5,00 Amarelo Vermelho 3 2,50 Vermelho Vermelho 4 30,00 Vermelho Verde 5 5,00 Vermelho Amarelo 6 2,50 Vermelho Vermelho Total 75,00 Deseja-se empregar na solução apenas um timer e sem a disponibilidade da instrução A≤B. Propõe-se que a representação do processo seja feita na linguagem SFC. Saídas discretas: Y0 = Semáforo A – Vermelho Y1 = Semáforo A – Amarelo Y2 = Semáforo A – Verde Y3 = Semáforo B – Vermelho Y4 = Semáforo B – Amarelo Y5 = Semáforo B – Verde Solução: Considerando a não disponibilidade da instrução de comparação (A≤B ), é necessário que as comparações de inferioridade (A<B) sejam realizadas entre o valor atual do timer e a constante de tempo desejado mais um décimo. Como existem portas de saída que são atuadas em mais de uma etapa (Y3 por exemplo) é necessária a utilização de instruções “OROUT”. LINGUAGEM SFC (“Sequential Function Chart”ou Diagrama Funcional Sequencial) Elementos da linguagem: 1) Etapas – às quais estão associadas as ações; 2) Transições – às quais estão associadas as condições; 3) Ligações Externas – que conectam as etapas às transições e estas às etapas. 96 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Etapa Inicial Ação Acionamento verde semáforo A 1 Acionamento vermelho semáforo B 30Seg/X1 Acionamento amarelo semáforo A 2 Acionamento vermelho semáforo B Transição 5,0Seg/X2 Acionamento vermelho semáforo A 3 Acionamento vermelho semáforo B 2,5Seg/X3 Acionamento vermelho semáforo A 4 Acionamento verde semáforo B 30Seg/X4 Acionamento vermelho semáforo A 5 Acionamento amarelo semáforo B 5,0Seg/X5 Acionamento vermelho semáforo A 6 Acionamento vermelho semáforo B 2,5Seg/X6 Condição Transição deve ocorrer 5 seg. após a etapa 6 ter sido ativada Solução: 97 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial EXERCÍCIOS 1) Deseja-se controlar o nível de líquido em um tanque de forma que o mínimo não seja inferior a 5 litros e o máximo não ultrapasse 15 litros. Utiliza-se um indicador de vazão de entrada e um de saída de líquido, que fornece um pulso a cada litro que passa por eles. Sensor 1 v1 15 litros Botão zera processo 05 litros v2 Sensor 2 Desenvolver uma lógica LADDER para o referido processo, considerando: Entradas Saídas E1.0= Botão de zerar o processo Q2.0= Acionamento da válvula, V1 E1.1= Vazão da entrada, V1 E1.2= Vazão da saída, V2 (Solução) 98 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 2) Portão Automático: Usa-se uma única botoeira para fazer a abertura e o fechamento total do portão, além de interromper tais movimentos a qualquer instante. (Acoplado ao portão, um motor elétrico realiza os movimentos pela inversão do sentido de rotação). O sistema automatizado deve proporcionar o seguinte comportamento: a) No 1º acionamento da botoeira, inicia a abertura do portão; b) No 2º acionamento da botoeira, ou pelo fim de curso 1, ocorre a parada da abertura; c) No próximo acionamento da botoeira, inicia o fechamento do portão; d) No 4º acionamento, ou pelo fim de curso 2, ocorre a parada do fechamento; e) No acionamento seguinte, inicia a abertura novamente. Esta sequência deve se repetir indefinidamente. Fim de curso 2 Configuração: Entradas Discretas X0= Botoeira (NA) X1= Fim de curso 1 (NA) X2= Fim de curso 2 (NA) Fim de curso 1 Saídas Discretas Y0= Acionamento abertura Y1= Acionamento fechamento Solução: Utilizando um controle simples SFC para o portão automático: 99 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 0 “Verificação Botoeira” Botoeira Acionada Acionamento motor (abertura portão) 1 Botoeira Acionada ou Fim de curso acionado 2 “Verificação Botoeira” Botoeira Acionada Acionamento motor (fechamento portão) 3 LADDER: 100 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 4.5 Instrução “Positive Differential” (PD) É conhecida como “one shot output”. Quando o contato que controla a instrução produz uma transição de 0 para 1 (Off -> On), o operando associado à instrução será acionado durante um scan da CPU apenas, permanecendo desligado uma nova transição de 0 para 1 do contato. Não é uma instrução padrão (disponível nas CPU's Automationdirect). Pode ser usado como uma instrução de saída ou como uma instrução booleana de entrada. Exemplo: Y0 X0 S C0 X1 Y0 PD Y0 C0 Y0 R POSITIVE DIFFERENTIAL NEGATIVE DIFFERENTIAL 4.6 Registrador de deslocamento (Shift Register – SR) O termo registrador é usado em dispositivos eletrônicos capazes de armazenarem dados. O registrador de deslocamento é constituído por um número (normalmente 8, 16 ou 32) determinado de dispositivos como relés internos agrupados, os quais permitem que bits armazenados possam ser deslocados de um para outro relé. É um recurso simples muito usado em aplicações que necessitem acompanhar a movimentação (ou deslocamento) de determinado produto ao longo de uma linha de produção ou realizar um sequenciamento de operações. Simbologia: DATA CLOCK RESET Entradas de Controle: SR C0 C0 – Inicio do bloco (origem) C7 C7 – Fim do bloco (destino) Data - Dado; Clock - Relógio/Sincronismo; Reset - Reinicialização. 101 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Funcionamento: a cada transição de 0 para 1 da entrada clock, e estando a entrada reset desligada, o bloco de relés de controle definido na instrução é deslocado em uma posição (um bit) e a condição de entrada data (0 ou 1) é colocada na posição onde se tornou livre. Direção de deslocamento (shift): depende da definição do bloco de relés de controle (início/origem e fim/destino). Exemplo: C7 C6 C5 C4 C3 C2 C1 C0 <- Bloco C0-C7 -> Deslocamento à esquerda; C7-C0 -> Deslocamento à direita. O tamanho máximo do bloco depende da quantidade de relés de controle disponíveis na CPU. O bloco de relés de controle deve ser composto por bytes completos e contínuos (C0-C7, C10-C47, por exemplos) mesmo que nem todos os bits sejam utilizados no programa de aplicação. Exemplos de aplicação: 1) Um objeto deve ser posicionado sob um bico de pintura fixo para ser pintado. No início da esteira transportadora existe um sensor para detecção do objeto. A esteira é acionada por um motor de passo e após 6 giros do eixo da esteira o produto estará na posição do bico para pintura. A figura abaixo apresenta um croqui do processo. Sensor p/detecção de produtos X1 Bico p/pintura Y0 Motor da esteira (passo) X2 Solução: 102 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Quando a palavra C0-C7 possuir um bit “1” na entrada X1 e este for deslocado seis posições até chegar na posição C5, então a saída Y0 será energizada e o SR será resetado por sua entrada “reset” estar condicionada a Y0. X1 DATA CLOCK Y0 C0 RESET X2 SR C7 Y0 C5 2) Realizar o comando de um conjunto composto por dois cilindros pneumáticos de duplos solenóides, aplicando a seqüência: A+, B+,A-, B-. Solução: 103 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 4.7 Instruções Aritméticas Os modernos CLP's possuem várias instruções para cálculos aritméticos. As principais são: • ADD (adição); • SUB (subtração); • MUL (multiplicação); • DIV (divisão); • SQR (raiz quadrada). Exemplo: Adição ADD ADD SOURCE A 5 SOURCE B C5:10Acc DEST N7:0 A cada ciclo de scan, a adição opera os dados contidos na SOURCE A (neste caso, o valor “5”) com os da SOURCE B (neste caso, C5:10 ACC) e coloca o resultado da operação no campo de dados destino, DEST (neste caso, N7:0). 4.8 Outras instruções em linguagem Ladder a) Manipulação de dados MOV (mover), MVM (mover com máscara) e FFL (primeiro a entrar primeiro a sair). Exemplo: MOV MOV Source Dest 5 N7:0 b) Controle de fluxo JSR (pule para subrotina), RET (retorno) e FOR NEXT (de para). Exemplo: 104 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial JSR JUMP TO SUBROUTINE Prog File Number c) Transferência de dados MSG (mensagem), BRW (block transfer write) e BTR (block transfer read) d) Avançadas Funções do tipo Exponencial, logarítmica e trigonométricas, para serem aplicadas em programas com estruturação matemática. Bibliografia do Capítulo WEG Indústrias, “Automação de Processos Industriais”. Apostila do Curso módulo III. Jaraguá do Sul, SC, 2006. Natale, Ferdinando, “Automação Industrial”. Livro, Ed. Érica, São Paulo, 2003. DEXTER, “Curso de Automação Industrial”. Apostila do Curso, 2001. Carrilho, Eduardo, “Material de aula da disciplina Automação de Sistemas e Instrumentação Industrial”, Curso de engenharia elétrica no IME, São Paulo. Web: http://aquarius.ime.eb.br/~aecc/Automacao/index.html, acessada em maio de 2007. Vianna, William S., “Controlador Lógico Programável”. Apostila, CEFET-PR, 2000. 105 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial UNIDADE V – Entradas e Saídas Analógicas 5.1 Introdução Um valor analógico é continuo, não discreto, como visto na figura 1. Estes sistemas são menos comuns que os sistemas controlados logicamente, mas são muito importantes. V ltage o logical continuous t Figura 5.1 – Valores Lógicos e Contínuos Entradas e saídas analógicas típicas para CLPs são apresentadas abaixo. Entradas: temperatura de fornos pressão de fluidos taxa de fluxo de fluidos Saídas: válvulas de posição de fluidos posição de motor velocidade de motor 5.2 Entradas Analógicas Para entrar com uma tensão analógica (em um CLP ou qualquer outro computador) o valor da tensão continua precisa ser amostrado e então convertido para um valor numérico por meio de um conversor A/D. Afigura 2 mostra uma tensão contínua variando no tempo. São feitas três amostras exibidas na figura. O processo de amostragem de dados não é instantâneo, pois cada amostra possui um tempo de partida e parada. O tempo desejado para adquirir a amostra é chamado tempo de amostragem. Conversores A/D podem somente adquirir um limitado número de amostras por Segundo. O tempo entre as amostras é chamado período de amostragem, T, e o seu inverso é a freqüência de amostragem (também chamada taxa de amostragem). O tempo de amostragem é frequentemente muito menor do que o período de amostragem. A frequência de amostragem é especificada quando da aquisição do hardware, mas para um CLP pode chegar a um máximo de 20 Hz, por exemplo. 106 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial V ltage is sampled during these time periods o voltage time T = (Sampling Frequency)-1 Sampling time (a) (b) Figura 5.2 – Amostragem de uma tensão analógica. A figura 5.3 apresenta um gráfico mais realista de dado amostrado. Este dado é ruidoso, e mesmo entre o inicio e término da amostra existe uma alteração significativa no valor da tensão. O dado amostrado terá algum valor entre amplitude de tensão no inicio e 107 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial final da amostra. As tensões máximas (Vmax) e mínimas (Vmin) são uma função do controle implementado e são especificadas quando se adquire o hardware. Faixas razoáveis são: 0V a 5V 0V a 10V -5V a 5V -10V a 10V Erro de Quantização: O número de bits do conversor A/D é definido como sendo o número de bits existente na palavra resultante. Se o conversor A/D possui 8 bits então o resultado pode chegar a 256 níveis diferentes de tensão. A maior parte dos conversores A/D de 12 bits e 16 bits são usados em medições de precisão. V (t ) V ma x V ( t2 ) V ( t1 ) Vmin t τ t 1 t2 Figura 5.3 - Parâmetros para uma conversão A/D onde, V(t) = tensão real τ = intervalo de amostra para o conversor A/D t = tempo t1, t2 = tempo no inicio e final da amostra V(t1), V(t2) = tensão no inicio e final da amostra Vmin, Vmax = faixa de tensão de entrada do conversor A/D N = numero de bits do conversor A/D Os parâmetros definidos na figura 5.3 podem ser usados para calcular os valores para os conversores A/D. 108 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial onde, R, Rmin, Rmax = resolução absoluta e relativa do conversor A/D VI = valor inteiro representando a tensão de entrada VC = tensão calculada a partir do valor inteiro Verror = erro máximo de quantização A equação (1) relaciona o número de bits do conversor A/D com a resolução. Em uma conversão normal, o valor mínimo, Rmin, é zero, entretanto alguns dispositivos irão fornecer números negativos em complemento de 2 para tensões negativas. A equação (2) fornece o erro que se pode esperar com um conversor A/D dada faixa entre as tensões mínima e máxima, e a resolução (que é chamado de erro de quantização). A equação (3) relaciona a faixa de tensão e a resolução para a tensão de entrada para estimar o inteiro que o conversor A/D irá registrar. Finalmente, a equação (4) aloca uma conversão entre o valor inteiro do conversor A/D, e a tensão no computador. Exemplo: Considere que um conversor A/D de 10 bits pode ler tensões entre -10V e +10V. A sua tensão de entrada é Vin = 4,564 V. Calcular R, Verror, VI e VC. Solução: Erro “Aliasing”: Se a tensão que está sendo amostrada varia muito rapidamente, podem-se obter leituras errôneas, como mostrado na figura abaixo. No gráfico superior, a forma de onda completa 7 ciclos, e 9 amostras são tomadas neste intervalo. O gráfico inferior plota os 109 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial valores lidos. A freqüência de amostragem é muito baixa, assim o sinal lido parece ser diferente que realmente é. Isto é chamado “aliasing”. Figura 5.4 – Baixas frequências de amostragem causam “Aliasing”. O critério de Nyquist especifica que as frequências de amostragem deveriam ser pelo menos duas vezes a frequência do sinal a ser medido, caso contrario, ocorrerá “aliasing”. Na prática, a frequência de amostra deveria ser de quatro a dez vezes mais rápida que a maior frequência do sistema. fAD > 2.fsinal onde, fAD - freqüência de amostragem fsinal - máxima freqüência de entrada T eorema da Amos tragem de Nyquis t O bs : E m geral utiliza-s e frequências de amos tragens pelo menos 10 vezes maior do que a frequência de Nyquis t. Existem outros detalhes práticos que devem ser considerados no projeto de aplicações com entradas analógicas: 110 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial • Ruído – mesmo que a janela de amostragem de um sinal seja curta, o ruído terá um efeito adicional ao sinal lido. Por exemplo, um pico de tensão momentâneo pode resultar em uma leitura maior do que a normal. Cabos blindados são comumente usados para reduzir os níveis de ruído. • Retardo (Delay) – Quando a amostra é solicitada, passa-se um período curto de tempo antes do valor final amostrado ser obtido. • Multiplexação – a maior parte dos cartões A/D alocam múltiplas entradas. Estes podem compartilhar um único conversor A/D usando a técnica de multiplexação. Se existem 4 canais usando um conversor A/D com uma taxa maxima de amostragem de 100 Hz, a taxa maxima de amostra por canal será de 25 Hz. • Condicionadores de sinal – Estes são usados para amplificar ou filtrar sinais provenientes de transdutores, antes de serem lidos pelo conversor A/D. • Resistência – conversores A/D normalmente possuem uma alta impedância de entrada (resistência), de forma que afetam os circuitos que estão sendo medidos. • Entradas “Single Ended” – as tensões de entrada de um CLP podem usar um único ponto comum para múltiplas entradas, sendo chamadas entradas de um único terminal ou “single ended”. Estas entradas tendem a ser mais suceptíveis ao ruído. • Entradas “Double Ended” - cada entrada com dois terminais ou “double ended” tem seu próprio ponto comum. Isto reduz os problemas com ruído elétrico, mas também tende a reduzir o número de entradas pela metade. 5.2.1 TIPOS DE CONVERSORES A/D Os conversores A/D podem podem ser classificados em 04 diferentes categorias: 1) aproximações sucessivas 2) flash 3) rampa 4) dupla rampa 1 – CONVERSOR DE APROXIMAÇÕES SUCESSIVAS É o tipo mais utilizado. Possui tempo de conversor menor e fixo, sendo mais complexo que o conversor em rampa. A figura 5.5 mostra um conversor de 8 bits baseado no conceito da lógica por aproximações sucessivas. 111 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 5.5 – Conversor A/D por aproximações sucessivas O conversor é formado por um contador digital, um comparador analógico e um conversor D/A. Quando o pino de reset é comutado o conversor irá iniciar a contagem em direção ao bit mais significativo, do conjunto de 8 bits. Este valor é convertido em uma tensão Ve, que é uma função dos valores +/- Vref . O valor de Ve é comparado com o de Vin e uma simples verificação lógica determina qual é o maior valor. Se o valor de Ve é maior, o bit de controle do contador é desligado. Um bit de validação da conversão é setado indicando seu término. Freqüentemente, o conversor A/D é usado com a multiplexação de várias entradas. Quando ocorre a comutação da entrada, a tensão que foi amostrada em um circuito tipo “sample and hold”, é então convertida em um valor digital. Conversor tipo Rampa em Escada: Semelhante ao anterior, porém com um contador de décadas no lugar do registro de aproximações sucessivas. 112 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Ve 2 – CONVERSOR PARALELO OU TIPO “FLASH” O conversor A/D do tipo flash é utilizado para conversões muito rápidas. Realiza comparações simultâneas entre o sinal analógico e o sinal de referência. Para uma conversão de N bits se utilizam 2N-1 comparadores, sendo um para cada dígito. A taxa de conversão é da ordem dos nanosegundos.e o custo é dos mais caros. 113 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial C onvers or A/D F las h R ede de C odificação J ohns on BC D 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 D0 = E 1 D1=E 0+E 1’ E2 C ódigo C ódigo J ohns on B C D Tensão de Entrada Vs(1/4Vref) Vs(2/4Vref)Vs(3/4Vref) (Vê) 0 a Vref/4 0 0 0 Vref a 2/4Vref 1 0 0 2/4Vref a 3/4Vref 1 1 0 3/4Vref a Vref 1 1 1 3 – CONVERSOR TIPO RAMPA É o mais simples e mais barato, por não possuir um conversor D/A interno. O fato de não eliminar ruídos, a precisão está, normalmente, limitada a ±0,05%. A frequência de amostragem pode chegar a 1.000 vezes por segundo. No princípio da medição o integrado começa a gerar uma rampa e o contador a contar. Quando o nível da rampa supera o sinal de entrada o comparador báscula e o contador detém-se, dando o valor digital do sinal de entrada. O inconveniente é que sua saída depende da freqüência de relógio, que pode variar com a temperatura. 4 – CONVERSOR TIPO RAMPA DUPLA Neste sistema, o integrado gera duas rampas: uma positiva e outra negativa, de modo a compensar as variações de frequência e capacidade no resultado final. A rampa negativa é gerada pela tensão análoga de entrada, alcançando um certo nível V, durante um certo tempo T. No final do tempo gera-se uma segunda rampa positiva, partindo do valor 114 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial anterior. Quando a rampa passa por zero, o contador detém-se e o código de saída é proporcional à tensão analógica de entrada. (Fialho, 2006) COMPARARAÇÃO ENTRE OS TIPOS DE CONVERSORES A/D 5.2.2 CRITÉRIOS PARA A ESCOLHA DE UM CONVERSOR A/D Na prática, deve-se observar: a) Números de saídas ou bits. • Determina a resolução do conversor A/D. • 4 a 24 bits. • 32 e 64 bits. • 8 bits são os mais usados por causa das características da porta paralela. b) Velocidade. • Importante para sinais de alta frequência. • Duas amostragens por ciclo. • Frequência de amostragem duas vezes maior que o sinal de entrada. • Conversão de áudio, Osciloscópio. c) Compatibilidade lógica. • Compatível com Microcontrolador, Computadores ou outros dispositivos. • Conexão Direta. d) Linearidade 5.2.3 APLICAÇÃO: USO DO MÓDULO TP02-4AD O módulo TP02-4AD, possui 4 conversores A/D com as seguintes características: 115 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial •Resolução de 11 ou 12 bits, com 2048 ou 4096 passos; •Corrente ou Tensão; –0-20mA – 0000 a 2000H no modo corrente; –0-10 V – 0000 a 4000H modo tensão; –1-5 V – 0000 a 2000H modo tensão; •Resolução: –10 µA; –2.5 mV; •Tempo de Conversão: –1 temp scan; •Canais do A/D e seus respectivos endereços de memória: –CH1 – V961; –CH1 – V962; –CH1 – V963; –CH1 – V964; •O módulo conecta-se no conector de laço de retorno; •A configuração máxima ocorre quando temos o TP02 + 2 Unidades Digitais + 4/D + 2DA, conforme a figura 5.6. Figura 5.6 – Configuração de expansões do TP02. OPERAÇÃO DO MÓDULO TP02-4AD COM O CLP TP02 • Abrir o programa do TP02; • Novo Arquivo; • Inserir uma FUNÇÃO; • Usando a função f-15w, que faz uma comparação: No primeiro campo coloca-se v0961 que é o endereço de memória onde o 4AD coloca o valor convertido; No segundo campo coloca-se o valor 2400H que em nos testes mostrou ser 36.5 ºC. 5.3 Saídas Analógicas Saídas analógicas são mais simples do que entradas analógicas. Para obter uma saída analógica um inteiro é convertido em uma tensão. Este processo é muito rápido, e não apresenta os problemas de temporização existente com as entradas analógicas. Porém, saídas analógicas estão sujeitas aos erros de quantização. 116 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial A seguir descreve-se um sumário das relações mais importantes. Estas são idênticas as do conversor A/D. Onde, R, Rmin, Rmax - são as resoluções absoluta e relativas do conversor A/D VERRO - erro máximo de quantização VI - Valor inteiro representando a tensão desejada Voutput - tensão de saída usando o valor inteiro Vdesired - o valor de saída analógica desejada. Exemplo: Considere o uso de um conversor D/A de 8 bits cujos valores de saída estão entre 0 e 10V. Para um valor desejado de 6,234 V, calcular R, Verro, VI e VC. 117 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial A corrente de saída de um conversor D/A está normalmente limitada a um pequeno valor, tipicamente menor que 20mA. Este é suficiente para a instrumentação, mas para cargas com altas correntes, tais como motores, se torna necessário um amplificador de corrente. Se o limite de corrente é ultrapassado para 5 V na saída, a tensão irá cair (tal que não exceda a tensão nominal). Se a corrente limite é ultrapassada por longos períodos de tempo pode-se danificar a saida D/A. Exemplo 2: Para o conversor D/A da figura 5.7, as saídas do computador estão em nível lógico TTL (de 5 V). Qual é a tensão resultante, Vo, para uma palavra binária dada por 1110? Figura 5.7 – Exemplo de aplicação de um Conversor D/A de 4 bits. 118 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 5.4 Sensores e Atuadores Os dispositivos de entrada realizam o interfaceamento entre o sistema físico e o sistema de controle eletrônico, levando informações do processo para o controlador. Podem ser classificados em: - Sensores - Transdutores: * Direto * Indireto • Sensores: dispositivos projetados para detectarem algum evento no processo e emitirem um sinal de resposta a este evento. Ex.: sensor de proximidade – ativa um sinal em resposta à presença de um objeto em seu campo de visualização. • Transdutores: dispositivos que convertem uma grandeza física em outra. Foco: transdutores elétricos: convertem grandeza física (temperatura, pressão, etc.) em sinal elétrico (normalmente em tensão). * tipo direto – convertem a grandeza fisica em sinal elétrico diretamente. Ex.: termopares (convertem temperatura em tensão) * tipo indireto – modificam algum parâmetro interno (p. ex., resistência) de forma proporcional à grandeza física. Ex.: termoresistências. Deve-se inserí-las em num divisor resistivo e medir a tensão sobre a termoresistência. • Limitações dos sensores e transdutores: alcance limitado a poucas dezenas de metros. • Transmissor: dispositivo que recebe o sinal de um transdutor ou sensor e envia a distâncias maiores, modulando este sinal sobre outro de referência (4-20 mA, 0-5V, etc.) de forma proporcional ao sinal do sensor ou transdutor Transdutor Sinal Modulado Referência (4-20 mA) Bloco Transmissor PARÂMETROS FUN DAMENTAIS DOS SENSORES • Distância Sensora (Sn): distância perpendicular da face sensora até o ponto onde o sensor atua. 119 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial • Histerese: diferença entre a distância onde o sensor é ativado quando o objeto se aproxima dele e a distância na qual o sensor é desativado quando o objeto se afasta dele. Normalmente dado na forma percentual. Ativado Desativado Sensor Distância Sensora • • • • • • • • • Histerese Repetibilidade (em %): pequena variação na distância sensora quando se procede duas ou mais tentativas de detecção. Não confundir com histerese. Frequência de operação (Hz): n. máx. de comutações por segundo que um sensor consegue realizar. Corrente de consumo: valor da corrente necessária ao funcionamento do sensor; Corrente de carga: é a máx. corrente possível na saída do sensor; Corrente de Pico: é o máx. valor de corrente consumido pelo sensor no momento da ativação; Tensão de Ripple: máx. oscilação da tensão CC de alimentação permitida; Tempo de estabilização: tempo que se deve aguardar logo após a energização do sensor, para que as leituras sejam confiáveis; Proteção Intrínseca ou IP: Grau de proteção à penetração de sólidos e líquidos. 2 dígitos (sólidos-líquidos). Ex. IP66. Versão de Montagem: refere-se a forma como o sensor deve ser montado e as distâncias que devem ser respeitadas para assegurar o bom funcionamento do sensor. Metal D1 Metal D2 D1 D2 Metal Sensor 1 Sensor 2 Metal Sensor 1 Sensor 2 • Linearidade: parâmetro de grande importância. Normalmente os transdutores são lineares em certas faixas de operação. Em caso contrário, aplica-se técnicas de linearização. Ex.: transdutores de temperatura do tipo NTC (exponenciais) com auxílio de amplificadores logarítmicos são linearizados. • Região de Atuação: Faixa de valores da grandeza que se deseja converter onde o dispositivo efetivamente deve trabalhar. Normalmente relacionada com a região 120 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial linear do transdutor, porém, deve-se considerar outros limitantes como integridade física do material, detalhes construtivos, entre outros. • Fator de Proporcionalidade: relaciona a grandeza elétrica com a grandeza física. Ex.: transdutor com 1mV/Oc. • Precisão e Exatidão: parâmetros relacionados ao erro de conversão de uma grandeza. Influenciados por vários fatores como condições ambientais, posicionamento, presença de ruído elétrico, e outros. Tensão(mV) 100 Fator de Proporc. = 2mV/oC 50 Temperatura(oC) TRANSDUTORES e SENSORES Transdutores variam conforme: a grandeza que medem, a classe de precisão; e a região de operação. • • • • • • Conforme o tipo de grandeza medida, classificam-se em: Transdutores de temperatura; Transdutores fotoelétricos; Transdutores de posição (Servomecanismos); Transdutores de tensão mecânica ou Extensômetros; Transdutores de pressão; Transdutores de vazão; Transdutores convertem uma grandeza física em outra. Transdutores possuem resposta contínua. Sensores apenas “sentem” a ocorrência de um evento e reagem à ele enviando um sinal ao controle do processo. Sensores possuem resposta discreta. • • Principais tipos de sensores usados na indústria: Sensores de Nível; Sensores de Pressão; 121 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial • • Sensores de Posição; Sensores de Presença; Os principais sensores industriais são: 1) SENSORES DE POSIÇÃO 2) SENSORES DE VELOCIDADE 3) SENSORES DE PRESENÇA 4) SENSORES DE CARGA 5) SENSORES DE PRESSÃO 6) SENSORES DE TEMPERATURA 7) SENSORES DE VAZÃO 8) SENSORES DE NÍVEL LÍQUIDO Bibliografia do Capítulo Fialho, Arivelto Bustamante, Instrumentação Industral: Conceitos, Aplicações e Análises. Livro. Editora Erica, 6ª. Edição, São Paulo, 2006. Hugh Jack, “Automating Manufacturing Systems with PLC”, apostila, Grand Valley State University, Michigan, Estados Unidos, 2007. WEG Indústrias, “Automação de Processos Industriais”. Apostila do Curso módulo III. Jaraguá do Sul, SC, 2006. Kilian, Christopher T. Modern Control Technology: Components and Sistems, 2nd edition, Delmar Thomson Learning, USA, 2000. 122 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial UNIDADE VI – Controle Contínuo 6.1 Introdução Processos contínuos requerem sensores e/ou atuadores contínuos. Ex.: a temperatura de um forno pode ser medida com um termoacoplador. Esquemas de controle baseados em decisões simples podem usar valores contínuos para controlar saídas lógicas, tais como um elemento de aquecimento. Equações lineares de controle podem ser usadas para examinar valores de sensores contínuos e determinar as saídas para os atuadores contínuos, tais como uma válvula de gás de posição variável. 6.2 Controle de Sistemas com Atuadores Lógicos Muitos sistemas contínuos podem ser controlados com atuadores lógicos. Exemplos mais comuns incluem sistemas de climatização (aquecimento, ventilação e condicionamento de ar). O “setpoint” do sistema é realizado por um termostato. O controlador mantém a temperatura dentro de uma faixa de poucos graus. Se a temperatura cair abaixo do limite mínimo, o aquecedor é ligado. Se subir acima do limite máximo, deve desligar. A técnica não é exata e o sistema irá chavear continuamente. upper temp. limit room temp. overshoot set temp. (nominal) lower temp. limit time heater on heater off heater on heater off heater on Figura 6.1 – Sistema de climatização com Controle tipo On-OFF Controlador em Lógica Ladder para um Atuador Lógico 123 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial No exemplo mostrado na figura 6.2, a temperatura é lida e armazenada em N7:0 e a saída que aciona o aquecimento é conectada em O:000/0. O controlador irá manter a temperatura entre 72 e 74 graus. GRT SourceA N7:0 SourceB 74 U O:000/0 LES SourceA N7:0 SourceB 72 L O:000/0 Figura 6.2 – Lógica ladder para o atuador lógico. 6.3 Controle de Sistemas com Atuadores Contínuos A figura 6.3b apresenta um sistema de controle com realimentação, que compara a saída real com aquela desejada obtendo um erro. Um controlador pode usar o erro para acionar um atuador com vistas a minimizar este erro. Quando um sistema usa o valor de saída para controle, é chamado de sistema de controle com realimentação. Quando a saída é subtraída da entrada, o sistema tem uma realimentação negativa. Um sistema com realimentação negativa é desejável porque geralmente é mais estável, e irá reduzir os erros do sistema. Sistemas sem realimentação são menos precisos e podem se tornar instáveis. INPUT (e.g. θ gas) Control variable SYSTEM (e.g. a car) vdesire d verror + _ Driver or cruise control θgas OUTPUT (e.g. velocity) car vac tual Figura 6.3 – Sistema de controle de velocidade para um automóvel 124 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial A figura 6.3a mostra um carro sem um sistema de controle de velocidade. Neste caso, a variável de controle é o pedal que atua no ângulo de gasolina (θgas). A saída é a velocidade do carro. Na figura 6.3b, o controlador com realimentação negativa é mostrado dentro das linhas tracejadas. O acionador (driver) irá observar a velocidade, determinar o erro de velocidade em relação a uma velocidade desejada, e então ajustar o ângulo do pedal de gasolina para aumentar ou diminuar a velocidade. O projeto do controlador poderá seguir diferentes métodos, como os discutidos a seguir. 6.3.1 – CONTROLADOR PROPORCIONAL O erro do sinal, obtido na comparação entre o sinal fornecido pelo condicionador de sinal do transdutor e a referência, é multiplicado por um fator Kp, ou seja, a saída é proporcional à entrada. Neste caso, tem-se apenas um ganho no erro, dado por: θgas = Kp . verro . O termo proporcional Kp levará o sistema para a direção correta, porém, nota-se que quando o controlador opera no centro da banda proporcional, o erro não é zero (tem-se um erro de regime), mas depende do coeficiente Kp, e portanto, do valor da mesma banda proporcional. Figura 6.4 – (a) Controlador Proporcional aplicado. (b) Resposta do controle. Na figura 6.4(a), tem-se um sinal de erro obtido na comparação do sinal de referência com o sinal lido pelo transdutor. O resultado é multiplicado pelo fator Kp. Fora da faixa proporcional, o controlador determina uma potência ON-OFF ao atuador, e no seu interior, a potência resulta modulada. Conforme o ganho Kp escolhido, resultam os diferentes comportamentos para saída, vistos na figura 6.4(b). A banda correta seria aquela do sinal “b”, sendo muito estreita a “c” e muito larga a “a”. 6.3.2 – CONTROLADOR INTEGRAL O termo integral, Ki, responde aos erros de regime permanente e atua no controle enquanto houver algum erro atuante. A resposta do sistema controlado é mais rápida. 125 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial A ação integral é particularmente eficaz para compensar variações bruscas (em degrau por exemplo) da variável de controle. θ gas = ki ∫ verro .dt 6.3.3 – CONTROLADOR DERIVATIVO O termo derivativo, Kd, irá responder rapidamente às variações, ampliando as alterações de erro no tempo e acelerando as ações de controle. θ gas = kd ( vERRO dt ) Os valores de Kp, Ki e Kd podem ser selecionados ou sintonizados por diversas técnicas, de forma que se obtenha a resposta desejada para o sistema. Entre as principais: • Ziegler−Nichols Oscillation Method; • Ziegler−Nichols Reaction Curve Method; • Cohen−Coon Reaction Curve Method. Figura 6.5 – Exemplo do Método Curva de Reação de Ziegler-Nichols. 126 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 6.3.4 – SISTEMAS COM CONTROLADOR PID DISCRETIZADO Os sistemas baseados em um controladores PID são uma das escolhas mais comuns. A equação básica é dada por: u = k p e + ki ∫ e.dt + kd ( de ) dt A equação usa o erro “e” do sistema, para calcular uma variável de controle “u”. Para implementar esta equação em um programa computacional, deve-se discretizála, sendo reescrita para: k  un = un −1 + en  k p + kiT + d T  kd    + en −1  − k p − 2 T   kd   + en − 2 T  onde, deve-se conhecer o erro nos instantes anteriores, en-1 , en-2 , os valores anteriores da saída Un-1 e o tempo de atualização entre duas varreduras, T. Figura 6.6 – Composição dos diferentes tipos de controle. 6.4 Aplicação da Função PID em Lógica Ladder Alguns softwares disponibilizam um bloco de controle, como o mostrado abaixo: PID Control Block: PD12:0 Proc Variable: N7:0 Tieback: N7:1 Control Output: N7:2 Figura 6.7 – Bloco PID em lógica Ladder. 127 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Onde, Proc Variable – armazena a variável realimentada, U, como lida da entrada analógica. Control Output – armazena o resultado (no ex.: na posição de memória N7:2) Control Block – armazena os parâmetros de controle Bibliografia do Capítulo Hugh Jack, “Automating Manufacturing Systems with PLC”, apostila, Grand Valley State University, Michigan, Estados Unidos, 2007. Natale, F, Automação Industrial, livro. Editora Érica, 5ª. Edição, São Paulo, 2003. Bolton, W, Engenharia de Controle, livro. Editora Makron Books, 1ª. Edição, 1995. 128 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial UNIDADE VII – Interface Homem Máquina (IHM) 7.1 Introdução A Interface Homem Máquina (IHM) é basicamente todo e qualquer sistema utilizado como sinalizador de eventos ou status de uma máquina. Ainda, segundo [Moraes, 2001] IHMs são sistemas supervisórios que surgiram da necessidade de uma interface amigável, eficiente e ergonômica entre sistemas de automação complexos e a equipe encarregada da sua operação. Portanto, devem ser construídas tendo os operadores como usuário final e representar o processo real. As interfaces permitiram que os sistemas de controle de processos se tornassem muito mais interativos do que antes. Também possibilitaram que um operador pudesse usar “displays” simples para determinar as condições de uma máquina e realizar simples configurações. O propósito básico de uma IHM é disponibilizar uma interface gráfica de fácil uso com o processo. Dispositivos que apresentam interfaces difíceis não são utilizados como deveriam e incorrem em desperdício de tempo e aumento da necessidade de treinamento, interferindo diretamente nos lucros da empresa. No CLP, as IHMs podem ser configuradas para enviarem sinais de atuação ou simplesmente monitora-lo e operam de dois modos distintos: a) Modo de desenvolvimento: criação de telas gráficas e animações representativas do processo; b) Modo run time: janela animada que mostra o andamento do processo. Deve ser capaz de tomar dados, armazena-los, gerar gráficos de tendências, alarmes e terem telas desenhadas hierarquicamente e compatíveis com a operação do processo. As formas mais comuns de IHMs são: - Frontais de teclado e display de 7 segmentos; - Frontais de LCD ou vácuo fluorescente (VFD); - Terminal de vídeo; - Softwares de supervisão e gerenciamento de processos; - Touch Screens; - Man Machine Interfaces; Os usos mais comuns para as IHM são: - Amostrar faltas em máquinas; - Amostrar status em máquinas; - Permitir ao operador iniciar e interromper ciclos; - Monitorar contagens de componentes. As demandas atuais para as interfaces de usuário são: - Ajuda on-line; - Dialogo/resposta adaptativa; 129 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial - “Feedback” ao usuário; Habilidade para interromper processos; Compatibilidade de módulos; Um layout de display lógico; Compartilhamento com vários processos simultaneamente. As interfaces ainda podem ser divididas em duas categorias: as ativas e passivas. • Interfaces Passivas – Monitoram eventos ou status da máquina – Não interferem no processo – Geralmente não possuem processadores internos - Exemplos: lâmpadas e buzinas • Interfaces Ativas –São partes integrantes do processo –Além de ter um processador interno, algumas possuem parte do software aplicativo –Geralmente utiliza-se vários CLPs em rede para IHM - Exemplos: Telas sensíveis (touch screen), monitores de plasma, etc. Outro ponto que evoluiu muito foi a assistência técnica em relação às máquinas. Com essa evolução o técnico consegue saber detalhes mais precisos do problema que está ocorrendo, e existem casos de máquinas que indicam também, onde o problema está ocorrendo. A máquina pode oferecer um status, que indique onde os reparos devem ser feitos, onde ocorreram mais desgastes e detalhes técnicos adicionais. Exemplos de IHM ativas: Interface ativa, com botões Interface ativa de tela sensível (touch screen) 130 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Exemplos de supervisórios: Telas avançadas de IHM: 131 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial A tecnologia de construção de interfaces tem sido Influenciada principalmente pelos seguintes fatores: • Disseminação do uso de sistemas e equipamentos microprocessados; • Aumento da complexidade dos sistemas; • Preocupação com a qualidade do software dentro da característica de usabilidade (conforme as definições da Norma ISO/IEC 9126-1). Existem IHMs que utilizam PCs, 386, 486, Pentium II, IV, por exemplo. As IHMs também possuem interfaces de redes, que facilitam a comunicação com os PCs. 7.2 - IHM via www com CLP Os CLPs evoluíram e hoje estão integrados aos demais equipamentos da fábrica na hierarquia de controle e podem ser facilmente configurados através de programação remota em redes industriais proprietárias. O surgimento da internet e de redes corporativas semelhantes (intranet) tornou possível o acesso remoto aos equipamentos de controle dos processos usando uma arquitetura aberta. Neste contexto, a Web, com sua interface gráfica intuitiva e universal, é muito indicada para a supervisão remota de processos tipo “chão de fábrica”. Como equipamentos importantes em automação industrial, os CLPs seguem essa tendência adquirindo acessibilidade pela Web. 132 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 7.3 - Especificação da interface homem-máquina Para determinar o projeto de uma interface IHM, o primeiro passo é identificar: 1. Quem necessita de qual informação? 2. Como o usuário espera que as informações sejam apresentadas? 3. Quando a informação precisa ser apresentada? 4. Os operadores possuem alguma necessidade especial? 5. A utilização de som é importante? 6. Quais as escolhas que o operador deveria ter? A tendência mais comum é adotar uma interface de usuário que freqüentemente tenha: - Ícones; Um dispositivo apontador (tal como um mouse); Totalmente colorida; Suporte para múltiplas janelas, as quais rodam programas simultaneamente; Menus do tipo “popup”; Janelas que possam ser movidas, re-escalonadas, movidas para frente/trás, etc. Os passos de implementação geral de uma IHM são: 1. Criar as telas em um software para PCs; 2. Carregar as telas na unidade IHM; 3. Conectar a unidade ao CLP; 4. Ler e escrever na IHM usando as locações de memória para obter a entrada e a atualização das telas. Para controlar a IHM a partir de um CLP as entradas do usuário ligam bits na memória do CLP, e outros bits na memória do CLP podem ser levados par nível lógico unitário para ligar/desligar itens na tela da IHM. 7.4 – Aplicação da Interface Homem-Máquina OP05/06 As interfaces homem-máquina OP-05 e OP-06 são periféricos que permitem ao usuário efetuar alteração/visualização de valores de registradores, apresentação de textos e mensagens, comandos simples, em função do modo de operação definido. Bomba 1: Ligada Tempo: 240 seg Linha 1 Linha 2 F1 F5 F9 7 8 9 F2 F6 F10 4 5 6 F3 F7 F11 1 2 3 F4 F8 F12 MOD 1 MOD 2 0 ESC TMR 133 CNT ENT Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Existe, na memória de dados do TP-02, um total de 130 bytes que servirão para o armazenamento dos arquivos de texto. Memória de Dados - Arquivos de texto Data Memory - Files FL001 1 Byte 1 FL002 2 Byte 2 FL003 3 Byte 3 FL004 4 Byte 4 FL005 5 Byte 5 FL006 6 Byte 6 ... ... ... FL130 130 Byte 130 Os comandos podem ser realizados através de teclas de funções, que obedecem a um endereçamento pré-definido, conforme mostrado abaixo: F1 F5 F9 7 8 9 F2 F6 F10 4 5 6 F3 F7 F11 1 2 3 F4 F8 F12 MOD 1 MOD 2 0 X361 X365 X369 - - - X362 X366 X370 - - - X363 X367 X371 - - - - - X377 X378 X379 X364 X368 X372 X380 X381 ESC TMR CNT ENT - X382 - A programação do TP-02 para utilização das interfaces homem-máquina está relacionada com o ajuste de determinados registradores. Para a configuração do display é necessário definir inicialmente o modo de operação desejado, e depois proceder os ajustes dos registradores. O roteiro de aula prática n. 06 descreve as formas de efetuar estes ajustes. 134 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Bibliografia do Capítulo André Schneider Mariano Alberto Hexsel, Interface Homem Máquina (IHM), Univale, Centro São José, SC – Brasil. WEG Industrias Ltda., Curso Módulo 3: Automação de Processos Industriais, Apostila, Centro de Treinamento de Clientes, Jaraguá do Sul, Brasil, 2006. IHM – Interface Homem Máquina. Saber Eletrônica Especial nº 4 – 2001. Disponível em http://www.anacom.com.br. Acesso em 15/05/2004. Hugh Jack, “Automating Manufacturing Systems with PLC”, apostila, Grand Valley State University, Michigan, Estados Unidos, 2007. 135 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial UNIDADE VIII – Noções de Sistemas Supervisórios 8.1 Introdução Os sistemas supervisórios podem ser considerados como o nível mais alto de IHM, pois mostram o que está acontecendo no processo e permitem ainda que se atue neste. A evolução dos equipamentos industriais, com a introdução crescente de sistemas de automação industrial, tornou complexa a tarefa de monitorar, controlar e gerenciar esses sistemas. Diferentes arquiteturas de sistemas computacionais têm sido desenvolvidas e propostas para esse gerenciamento. Um sistema supervisório é um programa que tem por objetivo ilustrar o comportamento de um processo através de figuras e gráficos, tornando-se assim, uma interface objetiva entre um operador e o processo, desviando dos algoritmos de controle (JESUS, 2002). A figura 8.1 ilustra um exemplo de software supervisório. Figura 8.1 - Exemplo de software supervisório Ao invés de um simples piscar de lâmpadas (como ocorriam nos painéis de comandos e quadros sinóticos), o operador tem uma melhor interface quando efetivamente visualiza o abrir de uma válvula, o ligamento de um motor, ou outra informação do processo de maneira visual. Nesse tipo de visualização, faz-se uso extensivo de informações por cores e textos, podendo-se também dispor de elementos animados graficamente, conforme demonstrado na figura 1. De mesmo modo, para a demonstração do sistema supervisório, também são utilizados gráficos, sinalizando quando uma lâmpada está ligada ou desligada. 136 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 8.2 Características do Software Supervisório O software de supervisão, localizado no nível de controle do processo das redes de comunicação, é o responsável pela aquisição de dados diretamente dos CLP’s para o computador, pela sua organização e gerenciamento dos dados. Poderá ser configurado para taxas de varredura diferentes entre CLP’s e inclusive entre pontos de um mesmo CLP. O software deve permitir que estratégias de controle possam ser desenvolvidas utilizando-se de funções avançadas, através de módulos dedicados para implementação de funções matemáticas e lógicas, por exemplo. Através destes módulos, poderão ser feitos no software aplicativo de supervisão, o controle das funções do processo. Os dados adquiridos podem ser manipulados de modo a gerar valores para parâmetros de controle como “set-points”. Os dados são armazenados em arquivos de dados padronizados, ou apenas utilizados para realização de uma tarefa. Esses dados que foram armazenados em arquivos poderão ser acessados por programas de usuários para realização de cálculos, alteração de parâmetros e de seus próprios valores. Segundo Ogata (1993), o software supervisório é visto como o conjunto de programas gerados e configurado no software básico de supervisão, implementando as estratégias de controle e supervisão com telas gráficas de interfaceamento homem-máquina que facilitam a visualização do contexto atual, a aquisição e tratamento de dados do processo e a gerência de relatório e alarmes. Este software deve ter entrada de dados manual, através de teclado. Os dados serão requisitados através de telas com campos préformatados que o operador deverá preencher. Estes dados deverão ser auto-explicativos e possuírem limites para as faixas válidas. A entrada dos dados deve ser realizada por telas individuais, seqüencialmente, com seleção automática da próxima entrada. Após todos os dados de um grupo serem inseridos, esses poderão ser alterados ou adicionados pelo operador, que será o responsável pela validação das alterações. Para a criação de aplicativos de supervisão e controle de processos nas mais diversas áreas, necessita-se de: Hardware: é utilizada uma via de comunicação, que pode ser uma porta serial, uma placa de rede, etc; Software: para comunicação é necessário que o driver do equipamento esteja sendo executado simultaneamente com o software de desenvolvimento. O driver é um software responsável pela comunicação, ele possui o protocolo de comunicação do equipamento. Um exemplo de software utilizado para análise de funcionamento de um sistema supervisório é o Elipse Windows (ELIPSE, 2003). Dentre os muitos sistemas utilizados, os que mais tem se difundido são os PCS (Sistemas de Controle de Processos ou Process Control Systems), os SCADA (Sistemas de Controle Supervisório e Aquisição de Dados ou Supervisory Control & Data Aquisition Systems) e os DCS (Sistemas de Controle Distribuído ou Distributed Control Systems). 137 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 8.3 Sistemas SCADA O Controle Supervisório e Aquisição de Dados (Supervisory Control and Data Acquisition) ou SCADA é uma tecnologia que se destina a cumprir tarefas de gerenciamento e controle para unidades industriais cujos elementos estejam distribuídos ao longo de grandes distâncias. Ele permite que sejam monitoradas e rastreadas informações do processo. Tais informações são inicialmente coletadas através de equipamentos de aquisição de dados, seguido da manipulação e analise destes dados e posteriormente são apresentadas ao usuário. Estas informações podem ser visualizadas por intermédio de quadros sinóticos animados, com indicações instantâneas das variáveis de processo do cliente. As analises dos dados podem ser feitas dentro do supervisório através de tabelas e gráficos de tendência ou fora dele pelos softwares comerciais comuns como Acess, Excell, etc. Outra função importante é a possibilidade do sistema supervisório executar ações baseadas em parâmetros antecipadamente informados, fazendo que o usuário participe do processo de controle apenas quando as ações exijam intervenção humana. Podem ser aplicados em: • Oleodutos (produtos líquidos e gasosos) • Distribuição e tratamento de água; • Sistemas de esgoto; • Linhas de processamento de minério; • Sistemas de transporte como ferrovias, metrô, trânsito em cidades, etc Os sistemas SCADA caracterizam-se por um processador central que reúne os dados coletados pelas unidades remotas (RTU) e os processa, sempre separados por grandes distâncias. Segundo [Da Rocha, 1989], a utilização de CLP como RTU traz robustez, confiabilidade, padronização, flexibilidade e facilidade na configuração, levando inteligência aos pontos remotos. A figura 8.2 mostra uma tela típica de um sistema supervisorio. Até aproximadamente 1998, os principais fornecedores de softwares de supervisão eram empresas de software, como é o caso da Wonderware, Iconics, Intellution, etc. Atualmente alguns fabricantes de hardware entraram no mercado, como é o caso da GE Fanuc, AllenBradley, Siemens e etc. 138 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 8.2 – Tela típica de um sistema supervisório SCADA Os primeiros sistemas SCADA, basicamente telemétricos, permitiam informar periodicamente o estado corrente do processo industrial, monitorando sinais representativos de medidas e estados de dispositivos, através de um painel de lâmpadas e indicadores, sem que houvesse qualquer interface aplicacional com o operador. Atualmente, os sistemas de automação industrial utilizam tecnologias de computação e comunicação para automatizar a monitoração e controle dos processos industriais, efetuando coleta de dados em ambientes complexos, eventualmente dispersos geograficamente, e a respectiva apesentação de modo amigável para o operador, com recursos gráficos elaborados (interfaces homem-máquina) e conteúdo multimídia. Para permitir isso, os sistemas SCADA identificam os tags, que são todas as variáveis numéricas ou alfanuméricas envolvidas na aplicação, podendo executar funções computacionais (operações matemáticas, lógicas, com vetores ou strings, etc) ou representar pontos de entrada/saída de dados do processo que está sendo controlado. Neste caso, correspondem às variáveis do processo real (ex: temperatura, nível, vazão etc), se comportando como a ligação entre o controlador e o sistema. É com base nos valores das tags que os dados coletados são apresentados ao usuário. Os sistemas SCADA podem também verificar condições de alarmes, identificadas quando o valor da tag ultrapassa uma faixa ou condição pré-estabelecida, sendo possível programar a gravação de registros em Bancos de Dados, ativação de som, mensagem, mudança de cores, envio de mensagens por pager, e-mail, celular, etc. 8.4 Componentes físicos de um sistema de supervisão Os componentes físicos de um sistema de supervisão podem ser resumidos, de forma simplificada, em: • sensores e atuadores, • rede de comunicação, • estações remotas (aquisição/controle) e 139 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial • estações de monitoração central (sistema computacional SCADA). a) Sensores e atuadores: Os sensores são dispositivos conectados aos equipamentos controlados e monitorados pelos sistemas SCADA, que convertem parâmetros físicos tais como velocidade, nível de água e temperatura, para sinais analógicos e digitais legíveis pela estação remota. Os atuadores são utilizados para atuar sobre o sistema, ligando e desligando determinados equipamentos. b) Estações remotas: O processo de controle e aquisição de dados se inicia nas estações remotas, PLCs (Programmable Logic Controllers) e RTUs (Remote Terminal Units), com a leitura dos valores atuais dos dispositivos que a ele estão associados e seu respectivo controle. Os PLCs e RTUs são unidades computacionais específicas, utilizadas nas instalações fabris (ou qualquer outro tipo de instalação que se deseje monitorar) para a funcionalidade de ler entradas, realizar cálculos ou controles, e atualizar saídas. A diferença entre os PLCs e as RTUs é que os primeiros possuem mais flexibilidade na linguagem de programação e controle de entradas e saídas, enquanto as RTUs possuem uma arquitetura mais distribuída entre sua unidade de processamento central e os cartões de entradas e saídas, com maior precisão e seqüenciamento de eventos. c) Rede de comunicação: é a plataforma por onde as informações fluem dos PLCs/RTUs para o sistema SCADA e, levando em consideração os requisitos do sistema e a distância a cobrir, pode ser implementada através de cabos Ethernet, fibras ópticas, linhas dial-up, linhas dedicadas, rádio modems, etc. d) Estações de monitoração central: são as unidades principais dos sistemas SCADA, sendo responsáveis por recolher a informação gerada pelas estações remotas e agir em conformidade com os eventos detectados, podendo ser centralizadas num único computador ou distribuídas por uma rede de computadores, de modo a permitir o compartilhamento das informações coletadas. Figura 8.3: Sistema de supervisão e controle 140 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 8.5 Componentes lógicos de um sistema SCADA Internamente, os sistemas SCADA geralmente dividem suas principais tarefas em blocos ou módulos, que vão permitir maior ou menor flexibilidade e robustez, de acordo com a solução desejada. Em linhas gerais, podemos dividir essas tarefas em: • Núcleo de processamento; • Comunicação com PLCs/RTUs; • Gerenciamento de Alarmes; • Históricos e Banco de Dados; • Lógicas de programação interna (Scripts) ou controle; • Interface gráfica; • Relatórios; • Comunicação com outras estações SCADA; • Comunicação com Sistemas Externos / Corporativos; • Outros. A regra geral para o funcionamento de um sistema SCADA parte dos processos de comunicação com os equipamentos de campo, cujas informações são enviadas para o núcleo principal do software. O núcleo é responsável por distribuir e coordenar o fluxo dessas informações para os demais módulos, até chegarem na forma esperada para o operador do sistema, na interface gráfica ou console de operação com o processo, geralmente acompanhadas de gráficos, animações, relatórios, etc, de modo a exibir a evolução do estado dos dispositivos e do processo controlado, permitindo informar anomalias, sugerir medidas a serem tomadas ou reagir automaticamente. As tecnologias computacionais utilizadas para o desenvolvimento dos sistemas SCADA têm evoluído bastante nos últimos anos, de forma a permitir que, cada vez mais, aumente sua confiabilidade, flexibilidade e conectividade, além de incluir novas ferramentas que permitem diminuir cada vez mais o tempo gasto na configuração e adaptação do sistema às necessidades de cada instalação. 8.6 Camadas físicas de um sistema de supervisão Geralmente a estrutura física que cerca um sistema supervisório apresenta três camadas, conforme pode ser observado na figura 8.4. 141 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 8.4 – Estrutura física de um sistema de automação Primeira Camada: onde situam-se os equipamentos industriais (motores, sensores, leitores de código de barra, etc.), os quais geralmente estão conectados a um Controlador Lógico Programável (CLP), que é um equipamento microprocessado capaz de gerenciar o acionamento destes componentes, que são ligados em placas de entrada e saídas, executando um software de controle armazenado em memória. Esta comunicação é feita através de protocolos de comunicação de baixo nível e exige o cumprimento de certos requisitos para ser efetivada com sucesso. Temos como exemplo nesta camada, a comunicação usando protocolos Modebus, Fieldbus Fundation, Profibus, entre outros. Segunda camada: onde ocorre a comunicação entre o(s) CLP(s) (ou somente os sensores e atuadores, como no caso do Fieldbus, por exemplo) e o microcomputador, no qual o sistema supervisório está sendo executado. Neste ponto, os dados são agrupados por equipamentos pelo CLP, havendo identificação inequívoca destes e de seus dados. O CLP possui memória para armazenamento intermediário de um certo número de operação realizadas pelo equipamento, o que permite que a comunicação com o microcomputador possa ser e tomada após uma parada momentânea. A comunicação entre ambos normalmente é feita de forma serial ou, mais recentemente, através da placa Ethernet. Existe nesta camada, uma relação direta do tipo de CLP com o sistema supervisório e a comunicação perfeita entre ambos vai depender da utilização do driver específico para o CLP pelo sistema supervisório. Serão necessárias configurações adequadas em ambos para que os dados recebidos pelo CLP e transmitidos para o supervisório, possam ser corretamente interpretados. Endereçamento de posição de memória, tamanho dos bytes, modo de leitura e escrita, comunicação com outras aplicações entre outras configurações, são necessárias para que o CLP e o microcomputador funcionem corretamente. Terceira camada: onde situam-se o microcomputador com o sistema supervisório, os demais sistemas da industria (administrativos, de fornecedores, de parceiros, etc.) e o 142 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial acesso externo à organização. A interconexão do sistema supervisório com outros sistemas, nesta camada, é possível através do uso de redes Ethernet e do protocolo TCP/IP. O supervisório deve estar preparado para a comunicação com outros sistemas supervisórios, quer sejam locais ou remotos, permitindo assim a visualização de dados ou atuação de usuários sobre a linha de produção mesmo que este não esteja fisicamente localmente presente. A partir da estrutura física é possível definir pontos de conexão entre os dispositivos e o sistema supervisório, as Tags, que são as variáveis definidas na aplicação supervisória e possuem ligação com os pontos de entrada e saída do CLP que está monitorando o processo controlado. As Tags são todas as variáveis numéricas ou alfanuméricas envolvidas na aplicação, podendo executar funções computacionais (operações matemáticas, lógicas, com vetores ou strings, etc.) ou representar pontos de entrada e saída de dados do processo que está sendo controlado. Neste caso, correspondem às variáveis do processo real (com temperatura, vazão, nível, etc.), se comportando como a ligação entre o controlador e o sistema. Seus tipos variam dependendo do CLP e do sistema supervisório que estão sendo utilizados. As Tags mais freqüentes são aquelas usadas para a comunicação entre CLP e o sistema e as que permitem realizar operações aritméticas, manipular matrizes e textos. É com base nos valores das Tags que os dados coletados são apresentados para o usuário. Um sistema supervisório deve apresentar os dados coletados pelo CLP para o usuário de uma forma simples e significativa. Isto é possível através da utilização de gráficos, botões, e ícones coloridos. A apresentação destes gráficos é alterada de acordo com a variação dos valores das Tags. Como algumas sofrem mudanças freqüentes, é possível criar animações de figuras com a alternância dos valores. Em contrapartida, elementos gráficos associados a uma Tags podem ser usados como ponto de entrada de dados a serem enviados para o CLP, alterando sua configuração. A simples possibilidade de associação de Tags com portas de I/O do CLP não é suficiente para suportar a complexidade das aplicações dos sistemas supervisórios. Há necessidade de programar ações para as situações ocorridas no processo que podem ser realizadas pelo sistema supervisório, através da execução de uma linguagem de programação, embutida no próprio programa, conhecida como Scripts. Esta linguagem geralmente é proprietária, mas segue um conjunto de comandos de uma linguagem de programação conhecida, como o Basic ou o C. Os Scripts permitem uma flexibilidade muito grande aos supervisórios, pois possibilitam maior proximidade com operações de baixo nível e acesso a dispositivos e sistema operacional. Geralmente estão associadas às variações das Tags, podendo ser executadas quando o seu valor mudar ou estiver em situações de alarme. Uma situação de alarme é identificada quando o valor da Tag ultrapassa uma faixa pré-estabelecida. Esta faixa possui dois valores para limite superior e dois valores para limite inferior, sendo denominados: altíssimo, alto, baixo e baixíssimo (High-High, High, Low, Low-Low). Algumas ações automáticas podem estar previstas quando da ocorrência destes alarmes, como por exemplo, se o limite High-High de temperatura para uma caldeira é atingido, o sistema supervisório pode acionar um sistema de intertravamento de segurança e sinalizar ao usuário. As variações dos valores das Tags, inicialmente visualizadas, podem também ser arquivados em disco, formando um histórico das atividades do sistema. 143 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Possuir um histórico do sistema é útil por permitir uma análise temporal dos dados na procura de eventuais problemas ou possibilidades de melhoria. A manipulação do arquivo de histórico possibilita a geração de relatórios pré-definidos, consultas de períodos específicos em arquivo e a utilização comparativa destes valores com valores atuais em gráficos de tendência, por exemplo. Muito próximo da criação de históricos do sistema está a conexão com banco de dados. Conectar o sistema supervisório a um banco de dados permite a recuperação de informações do sistema de forma mais rápida e segura, alem de permitir a utilização de informações corporativas no processo que está sendo monitorado. Figura 8.5 – Tela do supervisório PGR – DEXTER. A figura 8.5 apresenta a tela de um software supervisório (PGR da empresa Dexter) com alguns nodos e variáveis sendo monitorados. No caso de variáveis (grandezas analógicas), além do nome atribuído à variável, é visualizado seu valor (já convertido para a unidade correta, segundo fórmula programada no PGR), tanto numérico quanto por representação em gráfico de barra (bargraph). As Interfaces dos sistemas supervisórios devem ser desenvolvidas de acordo com as atividades dos operadores, podendo considerar dois modos principais de operação: a) Operação Normal - vigilância, detectar defeitos ou falhas possíveis 144 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial - observação sistemática dos indicadores essenciais a uma visualização sobre o estado geral do processo. Nem todos os parâmetros são observados com a mesma freqüência, pois: • alguns parâmetros fornecem mais informações; •alguns aparelhos são mais estáveis; •algumas desregulagens são mais graves; •alguma unidade específica está em uma fase de operação particular. b) Operação sob Contingência - simultaneidade de vários eventos simples causadores de perturbações no processo. 8.7 Planejamento do sistema supervisório [Moraes e Castrucci] recomendam nove etapas no desenvolvimento dos sistemas supervisórios: 1) Entendimento do processo a ser automatizado 2) Tomada de dados (variáveis) 3) Planejamento do banco de dados 4) Planejamento dos alarmes 5) Planejamento do hierarquia de navegação entre telas 6) Desenho de telas 7) Gráfico de tendências dentro das telas 8) Planejamento de um sistema de segurança 9) Padrão Industrial de Desenvolvimento Nestas etapas cabe destacar: Planejamento de alarmes: a) sob quais condições os alarmes serão acionados b) quais operadores serão notificados por esses alarmes c) quais mensagens deverão ser enviadas d) quais ações deverão ser tomadas na ocorrência desses alarmes e) chamar a atenção do operador sobre uma modificação do estado do processo f) sinalizar um objeto antigo g) fornecer indicação global sobre o estado do processo. Planejamento de uma hierarquia de navegação entre telas: O sistema supervisório do processo deve possuir um menu que possibilita a navegação entre telas. 8.8 Modos de comunicação A principal funcionalidade de qualquer sistema SCADA está ligada à troca de informações, que podem ser, basicamente: • Comunicação com os PLCs/RTUs; • Comunicação com outras estações SCADA; 145 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial • Comunicação com outros sistemas. a) Comunicação com os PLCs/RTUs: a comunicação com os equipamentos de campo, realizada através de um protocolo em comum, cuja metodologia pode ser tanto de domínio público ou de acesso restrito, geralmente pode ocorrer por polling ou por interrupção, normalmente designada por Report by Exception. A comunicação por polling (ou Master/Slave) faz com que a estação central (Master) tenha controle absoluto das comunicações, efetuando seqüencialmente o polling aos dados de cada estação remota (Slave), que apenas responde à estação central após a recepção de um pedido, ou seja, em half-duplex. Isto traz simplicidade no processo de coleta de dados, inexistência de colisões no tráfego da rede, facilidade na detecção de falhas de ligação e uso de estações remotas não inteligentes. No entanto, traz incapacidade de comunicar situações à estação central por iniciativa das estações remotas. Já a comunicação por interrupção ocorre quando o PLC ou o RTU monitora os seus valores de entrada e, ao detectar alterações significativas ou valores que ultrapassem os limites definidos, envia as informações para a estação central. Isto evita a transferência de informação desnecessária, diminuindo o tráfego na rede, além de permitir uma rápida detecção de informação urgente e a comunicação entre estações remotas (slave-to-slave). As desvantagens desta comunicação são que a estação central consegue detectar as falhas na ligação apenas depois de um determinado período (ou seja, quando efetua polling ao sistema) e são necessários outros métodos (ou mesmo ação por parte do operador) para obter os valores atualizados. b) Comunicação com outras estações SCADA: pode ocorrer através de um protocolo desenvolvido pelo próprio fabricante do sistema SCADA, ou através de um protocolo conhecido via rede Ethernet TCP/IP, linhas privativas ou discadas. A Internet é cada vez mais utilizada como meio de comunicação para os sistemas SCADA. Através do uso de tecnologias relacionadas com a Internet, e padrões como Ethernet, TCP/IP, HTTP e HTML, é possível acessar e compartilhar dados entre áreas de produção e áreas de supervisão e controle de várias estações fabris. Através do uso de um browser de Internet, é possível controlar em tempo real, uma máquina localizada em qualquer parte do mundo. O browser comunica com o servidor web através do protocolo http, e após o envio do pedido referente à operação pretendida, recebe a resposta na forma de uma página HTML. Algumas das vantagens da utilização da Internet e do browser como interface de visualização SCADA são o modo simples de interação, ao qual a maioria das pessoas já está habituada, e a facilidade de manutenção do sistema, que precisa ocorrer somente no servidor. c) Comunicação com outros sistemas: como os de ordem corporativa, ou simplesmente outros coletores ou fornecedores de dados, pode se dar através da implementação de módulos específicos, via Bancos de Dados, ou outras tecnologias como o XML e o OPC. 146 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 8.9 – Aplicação do Supervisório Elipse E3 8.9.1 - Introdução Ao criar uma aplicação no E3 deve-se lembrar sempre dos recursos que cada módulo irá utilizar. Para entender melhor este conceito, precisa-se entender antes como o E3 trabalha. No E3, cada recurso utiliza um módulo exclusivo. Por exemplo, há um módulo para a criação de histórico, para a criação de tela, e assim por diante. Cada módulo é iniciado individualmente e na seqüência em aparecem no Organizer, quando o domínio é executado.Vamos pegar como exemplo o histórico. Ao criarmos um histórico devemos nos lembrar de quais recursos ele precisará. Sabemos que o histórico precisará ler valores de tags. Assim, o módulo dos tags deverá aparecer acima do módulo do histórico na lista de itens do Organizer. Sabemos também que o histórico irá gravar estes dados numa tabela de um bando de dados. Assim, o módulo de conexão com o banco de dados deverá aparecer acima do módulo do histórico também. Entendendo como cada item trabalha podemos ordená-los de maneira correta. Devemos lembrar que, na criação de um novo projeto através do assistente de criação todos os itens selecionados são adicionados na ordem correta de execução. Isso faz com que a execução do domínio seja mais rápida e não ocorram problemas para os módulos encontrarem os recursos necessários para o seu funcionamento. 8.9.2 - Criando o projeto Entretanto, sabemos que ao criar cada módulo no E3 ele vai para último da lista e precisamos mover um por um para ordenar corretamente. Por isso, uma maneira bastante prática de criar aplicações no E3 é criando pastas para os módulos. Abaixo está uma relação de uma das maneiras corretas de ordenação dos módulos na aplicação de um modo geral. Figura 8.6 – Ordenando módulos na aplicação 147 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Agora, vejamos como ficaria a ordem caso utilizássemos a configuração por pastas. Figura 8.7 – Usando configuração por pastas Neste segundo exemplo, são criadas pastas para os itens que podem ter vários módulos criados. A utilização de pastas facilita também para ordenar os módulos após a criação de mais itens, pois uma vez ordenado o usuário poderia criar os itens direto dentro da respectiva pasta. Isto é possível devido ao E3 entrar na pasta e iniciar todos os itens e só depois ir para o próximo módulo fora da pasta. Bibliografia do Capítulo Mauricio Puppo, Interface Homem-Máquina para Supervisão de um CLP em Controle de Processos Através da WWW, Tese de Mestrado em Enga. Elétrica, USP-São Carlos, 2002. Cícero C. Moraes e Plínio L. Castrucci , Engenharia de Automação Industrial, livro. Editora LTC, 2ª. Edição, Rio de Janeiro, 2007. Daneels, Alex; Salter, Wayne. What is SCADA? http://ref.web.cern.ch/ref/CERN/CNL/2000/003/scada/ Dayton-Knight Ltd. SCADA Explained. http://www.dayton-knight.com/Projects/SCADA/scada_explained.htm The Free Internet Media. What is SCADA? http://www.tech-faq.com/scada.shtml The OPC Foundation Web Site http://www.opcfoundation.org 148 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Samir Pereira Lima, Passos para criar uma aplicação no E3. Artigo, Elipse Software, Porto Alegre, 2007. Sítio visitado em 31/10/2007: http://www.elipse.com.br/download/download/artigos/RT018.04.PDF Vianna, William S., Controlador Lógico Programável, Apostila. CEFET-PR, 2000. Marcelo Esteves, João Aurélio V. Rodrigues, Marcos Maciel, Sistema de Intertravamento de Segurança, Monografia, Curso de Engenharia Elétrica-Eletrônica, Associação Educacional Dom Bosco, Resende, RJ, 2003. Ana Paula Gonçalves da Silva e Marcelo Salvador, O que são sistemas supervisórios? Artigo. Elipse Software. Porto Alegre, RS. http://www.elipse.com.br/download/download/artigos/rt025.04.pdf, acessado em 29/05/2007. WEG Indústrias, Automação de Processos Industriais. Apostila do Curso módulo III. Jaraguá do Sul, SC, 2006. Natale, Ferdinando, “Automação Industrial”. Livro, Ed. Érica, São Paulo, 2003. DEXTER, “Curso de Automação Industrial”. Apostila do Curso, 2001. Carrilho, Eduardo, “Material de aula da disciplina Automação de Sistemas e Instrumentação Industrial”, Curso de engenharia elétrica, IME, São Paulo. Web: http://aquarius.ime.eb.br/~aecc/Automacao/index.html, acessada em maio de 2007. 149 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial UNIDADE IX – Noções de Redes Locais 9.1 Introdução As redes de computadores (ou redes locais) surgiram da necessidade de interligação de vários equipamentos inteligentes. Atualmente as redes de comunicação de CLPs existentes no mercado caraterizam-se pela diversidade das técnicas adotadas: topologias, métodos de acesso, protocolos, capacidades de transmissão (de 15,2 kbauds até 2 Mbauds), e etc. Este texto tem por objetivo apresentar uma visão geral sobre assunto, devendo ser complementado pela bibliografia específica. a) Função – integração de todo o conjunto de informações contido na indústria. b) Composição – Unidade de processamento: executa o software de usuário. Sistema gerenciador composto por equipamento, placa que contém interface elétrica de comunicação + software. Meio Físico – Linha transmissora de dados: par trançado, coaxial, fibra ótica. Radio Freqüência, microondas, satélites, etc. c) Interfaceamento de Periféricos. d) • • • • • Características exigidas de uma rede local. Capacidade para suportar controle em tempo real; Alta integridade de dados através da detecção de erro; Alta imunidade ao ruído; Alta confiabilidade em ambiente desfavorável, e Adequação à grandes instalações. 9.2 Meio Físico Comunicação Serial : é a mais utilizada. Emprega par trançado. Padrões mais utilizados: RS-232C, Loop de corrente 20 mA e RS-422/RS-485 RS-232C – possui velocidades de até 20 kbauds, em distâncias máximas de 15 metros. RS-422/RS-485 – versão melhorada do RS-232C, com velocidades de transmissão de até 1200 metros. Loop de Corrente 20 mA – Idêntica à RS-232C, porém baseada em níveis de corrente em vez de tensão, para distâncias maiores. Muitos CLPs oferecem ambos os padrões: RS-232C e Loop de Corrente. 150 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 9.3 Protocolos de Comunicação Conjunto de regras, procedimentos e leis que governam a troca de informação entre dois ou mais processos. Os protocolos industriais mais conhecidos são: Interbus, Modbus, Devicebus, Fielbus, Profibus, entre outros. Todos destinados à comunicação entre sistemas de automação por meio de barramento de campo serial. Cada fabricante de CLP possui o seu protocolo de comunicação, o que tem dificultado a interconexão de equipamentos de diferentes tecnologias nos projetos de automação integrada de uma industria. No quadro abaixo, apresenta-se o protocolo de comunicação do TP02 da WEG. Protocolo WEG - TP Este protocolo atende os CLPs WEG TP02 Exemplo : Endereço 01 Complemento 0 (não relevante) Nome da TAG nomes das TAGs válidos Campo endereço do parâmetro a ser lido/escrito composto de : Endereço Leitura : MCRXXXXX - Monitora o estado da bobina (XXXXX) MVRXXXXX[:N] - Monitora o valor do registrador (XXXXX) a opção [:N] fará a leitura de N registradores consecutivos. a TAG neste caso deverá ter um tamanho de N ou mais. Escrita: SCSXXXXX - Seta estado da bobina (XXXXX) WRVXXXXX[:N] - Escreve o valor do registrador (XXXXX) a opção [:N] fará a escrita de N registradores consecutivos. a TAG neste caso deverá ter um tamanho de N ou mais. STP - Para a operação do CLP RUN - Inicia a operação do CLP vazio, com um valor numérico diferente de 0 ou uma equação Divisor matemática. Somador vazio, com um valor numérico ou uma equação matemática. O protocolo Modbus é apresentado a seguir. Protocolo MODBUS – RTU Este protocolo atende as especificações padrões do mercado. 151 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Exemplo : Endereço 1 Complemento XXxN, onde XX corresponde a função desejada, ou seja : Leitura 01 - Read Coil Status 02 - Read Input Status 03 - Read Holding Register 04 - Read Input Register Escrita 05 - Force Single Coil 06 - Preset Single Register 15 - Write Multiple Coils 16 - Write Multiple Registers e N corresponde ao offset de endereçamento, 0 = 0, 1 = 10000, 2 = 20000 etc.. Nome da TAG com os nomes das TAGs válidos Endereço endereço do parâmetro a ser lido/escrito. vazio, com um valor numérico diferente de 0 ou uma equação Divisor matemática. Somador vazio, com um valor numérico ou uma equação matemática. Dentre os protocolos existentes, o Profibus é o mais usado, sendo adotado pelos grandes fabricantes europeus e o Modbus é considerado o mais simples. 9.4 Estruturas das Redes de Comunicação Duas estruturas são encontradas: a) Estrutura Hierárquica – caracteriza-se pela existência de um computador central que gerencia todo o conjunto de informações de comunicação. b) Estrutura Distribuída – Não existe a figura de um computador central. Assim, todos os integrantes da rede devem ser capazes de receber e encaminhar as mensagens. Topologias de Rede As topologias definem como os nós (CLPs, computadores, terminais, etc) estão conectados à mesma. Caracteriza-se pelo modo de distribuição dos nós interconectados. Existem 04 tipos: • Topologia em Anel • Topologia em Barramento • Topologia em Estrela • Topologia Irregular a) Topologia em Anel 152 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial A conexão entre equipamentos é feita um a um. O anel pode ser fechado ou aberto, sendo muito usada em redes locais. Os nós atuam como estações repetidoras do fluxo de informação. É adaptada para um fluxo descentralizado de informações. Possui uma complexidade simples de roteamento, com baixa confiabilidade. b) Topologia em Barramento É muito utilizada no meio industrial. Possui como vantagens: uma complexidade simples de roteamento (como a do tipo anel) e as mensagens trafegam na rede sem a participação de nós intermediários, sendo considerada de boa confiabilidade. 153 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial c) Topologia em Estrela Apresenta o conceito de nó secundário e nó principal. É usada em rede de telefonia privada (PBX). d) Topologia Irregular Permite a interconexão de diversos nós dispostos irregularmente. É característica de redes decomputadores de longa distância. Ex.: www – rede mundial internet. A escolha da rede depende: 1) dos custos de implementação e confiabilidade e 2) dos fatores de desempenho dos fluxos de dados. 9.5 Métodos de Acesso ao Meio Definem como os nós acessam o meio físico de transmissão, isto é, a maneira pela qual o participante vai consultar a rede. O acesso pode ser de forma: a) Centralizada – onde os mecanismos criados para o gerenciamento e controle de acesso ao meio são implementados em um único nó. b) Distribuída – onde os critérios de acesso ao meio estão presentes em todos os participantes de rede. Os principais métodos são: a) Token Ring (acesso a um anel, 1972) 154 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Controle por ficha (bastão, marca), cuja posse implica na autorização de acesso ao meio. b) Detecção de colisão (CSMA-CD: carrier sense multiple access – colision detection, 1976) É típica para as topologias em barramento. Um participante entra no barramento a cada vez. Se dois deles tentam entrar simultaneamente, é ativada uma função que detecta a colisão de mensagens, e é enviado a todos os participantes um código de colisão para que os remetentes aguardem um determinado tempo, até retransmitir a mensagem. Bibliografia do Capítulo Moraes, C e Castrucci, P, Engenharia de Automação Industrial, Livro. Editora LTC, 2ª. Edição, São Paulo, 2007. WEG Indústrias, Automação de Processos Industriais. Apostila do Curso módulo III. Jaraguá do Sul, SC, 2006. 155 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA Centro de Tecnologia Departamento de Eletromecânica e Sistemas de Potência Geomar Machado Martins Caderno de Aulas Práticas Princípios de Automação Industrial Setembro de 2009 156 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Revisado em Agosto de 2010 Trabalhos de Laboratório Objetivos dos trabalhos práticos de laboratório: 1) Confirmação de raciocínios adotados e expressões obtidas em aulas teóricas; 2) Desenvolver a capacidade do aluno na elaboração de tarefas de automação industrial; 3) Possibilitar ao aluno o manuseio de equipamentos e aparelhos de diversas procedências; 4) Familiarizar o aluno com as grandezas típicas de automação, pela constante utilização destas. Como proceder no laboratório: Para a utilização dos cartões de A/D e das portas I/O, escolher aqueles mais adequados, atendendo os seguintes quesitos: 1) Verificar se a escala dos cartões comporta a grandeza a ser medida; 2) Verificar o tipo de corrente: se for continua ou alternada; 3) Verificar a freqüência de trabalho; 4) Verificar se a precisão do equipamento é suficiente; Projeto Temático Os trabalhos práticos de laboratório versarão sobre a elaboração de um projeto temático que será composto de diversas etapas (módulos) a serem vencidas em cada aula prática, tendo-se ao final dos trabalhos um projeto completo de Automação Industrial. Como aplicação, propõe-se elaboração de um projeto para a Automatização Industrial da Produção de Tijolos Ecológicos. No decorrer do texto serão apresentados os pontos fundamentais da produção. O processo será composto, simplificadamente, de 03 etapas: Prensagem, Banho e Secagem, descritas a seguir. Prensagem A matéria prima para fabricação dos tijolos é colocada no Silo por um operador que pressiona o botão L1 para iniciar o processo. Ao pressionar o botão, o motor do Silo, utilizado para manter a mistura da matéria prima uniforme, e o motor da esteira são ativados, sendo que o motor da esteira para freqüentemente para que a forma possa ser preenchida com a matéria prima. 157 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Estas formas com o formato dos tijolos, ao passarem por baixo do silo, ativam o sensor S1 que desliga o motor da esteira e abre a válvula do silo por cinco segundos assim preenchendo as formas com a matéria prima. Após o fechamento da válvula a esteira liga novamente. Esse processo repete-se com todas as formas. Chegando uma caixa ao sensor S3 (na prensa) a esteira para novamente e um cilindro pneumático levanta a caixa prensando-a contra uma parte fixa. Após cinco segundos e se estiver tudo ocorrendo de forma correta com o preenchimento das formas no estágio anterior, a esteira é ligada novamente. Esse processo repete-se para todas as formas. Após esse processo as formas são transportadas para uma segunda esteira (independente da primeira), e quando nesta segunda esteira os sensores S9, S10, S11, S12 estiverem ativados a esteira irá parar e os quatro cilindros hidráulicos serão ativados separando os tijolos das formas. Após 7s a esteira liga e mais quatro tijolos podem ser separados das formas. No final do curso desta segunda esteira (esteira de separação), os tijolos são contados e colocados manualmente em prateleiras quem tem capacidade de 40 tijolos. Estas prateleiras, por sua vez, são postas em gaiolas com capacidade para 10 prateleiras e passa-se a segunda parte do processo. 158 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Banho O operador prende gaiola em uma talha e aciona o botão L1. A talha conduz a gaiola até um tanque e a deixa imersa em água por vinte minutos. Logo após, a talha conduz a gaiola ao ponto inicial. Secagem Na terceira etapa, o operador encaminha a gaiola, com os tijolos ainda úmidos, até a estufa. Essa tem sua temperatura controlada e mantida entre 70°C e 90°C por um Controlador de Temperatura que possui como carga um banco de resistências. Os tijolos ficarão nesta estufa secando pelo período de 01 hora. 159 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial PRÁTICA1 - INTRODUÇÃO AOS CONTROLADORES PROGRAMÁVEIS - Objetivo: Conhecer a operação básica dos controladores programáveis de baixo custo. - Recursos: Equipamento Controlador Programável TP02, software PC12 Design Center versão 2.0 e manuais (www.weg.com.br). Procedimentos: - A) Instalar e abrir o software; - B) Selecionar “New” C) Observar a tela principal do sotware. 1.1 – Conhecendo os recursos do software PC12 Design Center Tela Principal 160 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial A figura 1 mostra a tela principal do PC12 Design Center. Os detalhes referentes a cada uma das partes da interface é feita em seguida. (3) (1) (2) (4) (6) (5) (7) (8) (9) ( 10 ) Figura 1 - Tela Principal (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) – Menu Principal – Barra de Botões – Tela de edição do programa – Barra de Ferramentas do editor Ladder – Barra de Ferramentas do editor Boolean – Nome do arquivo ativo para edição – Indicação do módulo básico – Porta de comunicação serial selecionada – Status de operação do TP02 (10) – Display do Relógio de Tempo Real ( Real Time Clock), disponível so mente para os módulos de 40 e 60 pontos. Opções do Menu Principal : File Menu (Menu Arquivo) 161 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 2 - File Menu (Menu Arquivo) - - New ( Novo ) : Para criar um novo arquivo de programa; Open ( Abrir ) : Para abrir um arquivo de programa previamente criado; Load ( Carregar ) : Para carregar um outro programa no aplicativo ativo; Save ( Salvar ) : Para salvar o programa que está sendo editado (*); Save As ( Salvar Como ) : Para salvar o programa ativo com um outro nome; Print ( Imprimir ) : Para imprimir o aplicativo ou seus parâmetros; Print Preview ( Visualizar Impressão ) : Permite uma visualização antecipada do aplicativo ou seus parâmetros; Print Setup ( Ajuste de Impressão ) : Para selecionar e configurar a impressora; Exit ( Sair ) : Para encerrar a edição e fechar o PC12 Design Center; Barra de Botões (**) : New Print Preview Open Print Save (*) Quando um aplicativo é salvo são gerados os seguintes arquivos : - - nomearquivo.PLC : define o programa do usuário (aplicativo); nomearquivo.sys1 : arquivo de dados para a memória de sistema (WSxxx); nomearquivo.sys2 : arquivo de dados para os marcadores especiais (SCxxx); nomearquivo.cnt : salva a posição (endereço) do final do programa Ladder; nomearquivo.reg1 : arquivo de dados para os registradores Vxxxx; nomearquivo.reg2 : arquivo de dados para os registradores Dxxxx; nomearquivo.reg3 : arquivo de dados para os registradores WCxxxx; nomearquivo.sym : arquivo de dados para o rótulos (symbols); nomearquivo.file : arquivo de dados para os registradores de texto; nomearquivo.cmt : arquivo de dados para os comentários do aplicativo; nomearquivo.typ : registra o tipo de módulo básico; (**) A Barra de Botões permite um acesso mais rápido e direto ao menu desejado. 162 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Edit Menu ( Menu Editar ) Figura 3 - Edit Menu (Menu Editar) - PLC Type (Tipo de PLC) : Define o tipo de unidade básica para o qual será criado o aplicativo; Figura 4 - Caixa de diálogo CLP Type Capacidade de memória disponível TP02 - 20/28 pontos 1,5 kwords TP02 – 40/60 pontos 4,0 kwords - Clear Memory (Limpar Memória) : Para limpar o aplicativo e/ou ajustes do PC12 conforme as seguintes opções : Figura 5 - Caixa de diálogo Clear Memory 163 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Clear Program – Apaga todas as instruções do aplicativo; Clear Symbol – Apaga todos os rótulos atribuidos aos contatos e registradores; Clear System – Reseta todos os ajustes da System Memory (WSxxx) e marcadores especiais (SCxxx) para seus valores default; Clear Register/Data/Text – Limpa todos os valores dos registradores (Vxxx, Dxxx, WCxxx) e arquivos de texto (FL001~130); - Boolean (Lista de Instruções) : Ativa o modo de edição em Booleano (lista de instruções); Barra de Botões : Modo de edição em Boolean Esta função converterá o programa editado em linguagem Ladder (diagrama de contatos) para a codificação em Boolean (lista de instruções) automaticamente. - Ladder (Diagrama de Contatos) : Ativa o modo de edição em Ladder (diagrama de contatos); Modo de edição em Ladder Esta função converterá o programa editado em Boolean (lista de instruções) para Ladder (diagrama de contatos) automaticamente. - Data Memory (Memória de Dados) : Para editar valores de dados ou conteúdo de registradores Vxxx, Dxxx, WCxxx, e arquivos de texto (FL001~130); Para que os registradores entre V001~V256 recebam o valor atribuido pela caixa de diálogo mostrada na Figura 6, o endereço WS022 deve ser ajustado com o valor igual a 1. 164 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 6 - Caixa de diálogo para edição dos registradores Barra de Botões : Ativa a caixa de diálogo para edição da memória de dados (opção Vxxx) [ ] - System Memory (Memória de Sistema) : Para ajustar os parâmetros do TP02, incluindo a memória de sistema (WSxxx) e marcadores especiais (SCxxx); [ ] Ver a Figura - 5 165 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 7 - Caixa de diálogo para edição dos registradores Ativa a caixa de diálogo para edição da memória de dados (opções WS e SC) [ ] - Symbol (Rótulos) : Para atribuir rótulos aos endereços de entradas, saídas, acumuladores, sequenciadores, marcadores simples e especiais; Ativa a caixa de diálogo para edição de rótulos (Endereços : Xxxx, Yxxx, Dxxx, Vxxx, Sxxx, Cxxx, SCxxx ) Exemplo : Suponhamos que no diagrama elétrico haja um botão designado como SH1 (tag ou rótulo) e que no endereçamento do software tenhamos definido esta entrada como X010. Poderemos associar ao endereço X010 o rótulo/símbolo SH1, de maneira que quando lermos o aplicativo ficará fácil identificarmos o que aquele endereço representa no diagrama elétrico. O controlador reconhece somente o endereçamento Figura 8 - Caixa de diálogo para definição de rótulos Barra de Botões : Ativa a caixa de diálogo da tabela de utilização 166 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial - Check Logic (Compilador) : Verifica se existem erros de sintaxe no aplicativo e gera o arquivo executável que será escrito na memória do controlador; Efetua a compilação e gera o programa executável do software aplicativo Quando o compilador encontra algum erro é emitido uma mensagem especificando o tipo de problema encontrado. Cada erro possui uma mensagem específica e esta codificação é apresentada detalhadamente no tópico “Mensagens de Erro”.. - Sort Right (Alinhamento a direita) : Alinha a última célula de cada linha de programa com o lado direito da tela de edição; Para alinhar últimas células a direita da tela de edição Exemplo : Figura 9 - Tela antes do comando Sort Right 167 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 10 - Tela depois do comando Sort Right PLC Menu ( Menu PLC ) Figura 11 - PLC Menu Você poderá utilizar todas as funções deste menu quando o PC12 estiver comunicando com o TP02 - Write ( Escrever ) : Para definir o que será transferido para a memória do controlador conforme as seguintes opções : 168 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 2 - Caixa de diálogo Write Write Program Data – Transfere o programa executável para a memória do controlador; Write System Data – Transfere os valores ajustados na memória de sistema ( WSxxx ); Write Vxxx Data – Transfere os valores ajustados para os registradores Vxxx; Write Dxxx Data – Transfere os valores ajustados para os registradores Dxxx; Write WCxxx Data – Transfere os valores ajustados para os registradores WCxxx; Write FLxxx Data – Transfere os arquivos de texto editados nos registradores FL001~130; - Read ( Ler ) : Para carregar no PC12 os dados armazenados na memória do controlador conforme as seguintes opções : Figura 13 -Caixa de diálogo Read - Stop ( Parar ) : Para encerrar o ciclo de varredura do controlador; Após este comando o led indicativo RUN começará a piscar avisando que o controlador não está executando a varredura. - Clear System ( Limpa memória de sistema ) : Limpa os valores ajustados na memória de sistema fazendo com que a configuração do controlador volte ao default; - Clear Data ( Limpa dados ) : Limpa o conteúdo da memória de dados ( registradores Vxxx, Dxxx, WCxxx, FLxxx ); - Clear Program ( Limpa Programa ) : Limpa o aplicativo armazenado no controlador; 169 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial - Clear All Memory (Limpa toda memória ) : Limpa os valores armazenados em todas as áreas de memória do controlador; - Com Port (Porta de comunicação ) : Define através de qual canal serial será estabelecida a comunicação entre o microcomputador e o controlador; Quando escolhida esta opção surgirá na tela a seguinte caixa de diálogo : Figura 14 - Caixa de diálogo Communication Port Monitor Menu (Menu Monitor) - Ladder ( diagrama Ladder ) : Para ter a monitoração on-line do aplicativo em diagrama de contatos; 170 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 15 - Tela Monitor Ladder Onde os contatos na cor “magenta” representam o estado “ON” e os valores atuais do registradores, em “azul” aparecem os contatos em estado “OFF”; Para esta opção ser escolhida o editor deverá estar no modo Ladder. Caso contrário ela se apresentará desativada no menu. Ltools Menu (Menu de Ferramentas Ladder) Figura 16 - Menu Ladder Tools 171 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial - Comment : Insere um bloco de comentário no programa; Para inserir um comentário no aplicativo. É possível editar até quatro linhas com 60 caracteres de texto no aplicativo; - STR (ou S no teclado) : Insere um contato normalmente aberto na posição do cursor; Para inserir um contato NA. - STR NOT (ou N no teclado) : Insere um contato normalmente fechado na posição do cursor; Para inserir um contato NF. - OUT (ou O no teclado) : Insere uma bobina de saída na posição do cursor; Para inserir uma bobina. - TMR (ou T no teclado): Insere um bloco TMR (temporizador) na posição do cursor; Para inserir um bloco TMR. - CNT (ou C no teclado) : Insere um bloco CNT (contador) na posição do cursor; Para inserir um bloco CNT. - FUN (ou F no teclado) : Insere um bloco FUN (função) na posição do cursor; Para inserir um bloco FUN. - AND (ou A no teclado) : Insere uma linha horizontal na posição do cursor; Para inserir uma linha horizontal. - OR (ou R no teclado) : Insere uma linha vertical na posição do cursor; Para inserir uma linha vertical. - Delete Line (ou D no teclado) : Apaga uma linha vertical na posição do cursor; 172 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Para apagar uma linha vertical. - AND Extension Line (ou shift + A no teclado) : Estende um ramo em série; Para inserir uma lógica em série. - OR Extension Line (ou shift + R no teclado) : Estende um ramo em paralelo; Para inserir uma lógica em paralelo - F-00 END (ou E no teclado) : Insere um bloco de fim de programa; Para inserir um comando de fim de programa. Para maiores detalhes ler o Manual de Programação do TP-02. Ctools Menu (Menu de Ferramentas de Edição) Figura 17 - Tela CTools - Insert! : Insere um bloco de comentário no programa; Barra de Botões : Insere um espaço em branco no local onde está posicionado o cursor. - Delete! : Apaga um elemento, um bloco ou comentário na área de edição do aplicativo; Apaga o que estiver na posição atual do cursor. 173 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial - Cut : Retira um elemento ou bloco selecionado e o armazena na área de transferência. Comando de edição “cortar” - Copy : Copia a área selecionada e a armazena na área de transferência; Comando de edição “copiar” - Paste : Insere o conteúdo da área de transferência na posição atual do cursor; Comando de edição “colar” - Search : Busca registrador de dados (V???, WC???, D???), endereço de entrada (X???), endereço de saída (Y???), marcador interno (C???) ou marcador especial (SC???) especificado; Comando de “busca” - Replace : Busca e substitui o endereço especificado conforme os parâmetros ajustados; Figura 18 - Caixa de diálogo Replace. - - Coil to find : Escrever aqui o endereço que se deseja encontrar; New Coil : Definir o novo endereçamento; Direction (direção) : define o sentido de busca (Up: acima do cursor, Down: abaixo do cursor, All Range: em todo o aplicativo) Next / Ok : Busca e substitui endereços um a um; Change All : Busca e substitui tudo automaticamente (antes de executar irá pedir uma confirmação); Quit (Sair) : Fecha a caixa de diálogo; Barra de Botões : Comando “Replace” 174 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial - Goto? : Leva o cursor até a linha de programa especificada; Figura 19 - Caixa de diálogo "Goto" - Goto Where (Vai Onde): digitar aqui para qual linha deseja-se levar o cursor; CLR : Limpa o valor da caixa de texto; Pode-se usar as teclas numéricas para definir a linha de programa; Barra de Botões : Comando “vai para” 1.2 – Desenvolvimento de Aplicativos Utilizando o PC12 Design Center Antes de iniciar a edição do aplicativo, o usuário deverá conectar o cabo de comunicação do controlador programável à uma das portas de comunicação serial disponíveis do microcomputador (normalmente designadas como COM1 e COM 2). Partindo da tela inicial do PC12, crie um novo projeto. File Edit Plc Monitor New PLC Type Write Boolean Open Clear Memory Read Ladder Load Save Boolean Ladder Run ! Stop ! Register I/O Coils Data Modify Register Value Save as Data memory Password Scan Time Print Print Preview System memory Symbol EEPROM Set RTC RTC Print Setup Used Table Clear System Exit Check Logic Clear Data Sort Right Clear Program Clear All Memory Compare Program Com Port Set timeOut Value Aparecerá uma tela como mostrada na Fig. 10 (Tela Principal) 175 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Depois de certificada a conexão física do cabo, o usuário poderá estabelecer a comunicação entre o PC12 e o TP-02. File Edit Plc Monitor New PLC Type Write Boolean Open Load Save Clear Memory Boolean Ladder Read Run ! Stop ! Ladder Register I/O Coils Data Modify Register Value Save as Print Data memory System memory Password EEPROM Scan Time RTC Print Preview Print Setup Exit Symbol Used Table Check Logic Set RTC Clear System Clear Data Sort Right Clear Program Clear All Memory Compare Program Com Port Set timeOut Value Aparecerá a caixa de diálogo “communication Port” (Fig. 27). Escolha a porta serial onde foi conectado o cabo e pressione o botão “Link”. Após alguns instantes surgirá uma caixa de mensagem informando o resultado desta operação. Se não ocorrer nenhum problema, pressione o botão “OK”. Defina então, qual será o modelo de módulo básico para o qual será desenvolvido o aplicativo. File Edit Plc Monitor New PLC Type Write Boolean Open Clear Memory Read Ladder Load Save Boolean Ladder Run ! Stop ! Register I/O Coils Data Modify Register Value Save as Data memory Password Scan Time Print System memory EEPROM RTC Print Preview Symbol Set RTC Print Setup Used Table Clear System Exit Check Logic Clear Data Sort Right Clear Program Clear All Memory Compare Program Com Port Set timeOut Value Aparecerá a caixa de diálogo “Module Type Select Dialog” (Fig. 13). Escolha o tipo de módulo básico e pressione o botão “OK “. Aparecerá uma caixa de mensagem informando a capacidade de memória disponível para o projeto. Para continuar pressione o botão “OK”. 176 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial A partir deste ponto, o estudante pode iniciar a elaboração de aplicativos, desenhando o diagrama de contatos ou montando a lista de instruções (Boolean). 1.3 – Realizando Aplicações Chave de partida direta para o motor da esteira de Exercício no. 1 tijolos. Descritivo : - Ao ser pressionado o botão pulsador liga “I”; ativa a bobina do contator K1; O motor é então acionado; Ficando nesta condição até que seja pressionado o botão pulsador desliga “O” ou, ocorra a atuação do relé de sobrecarga; Após o rearme do relé térmico a chave volta a condição inicial. Condição inicial : botão pulsador I aberto; botão pulsador O fechado; FT1[97-98] aberto; FT1[95-96] fechado; bobina de K1 inativa (motor desligado). 177 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Exercício no. 2 Relacionar Contatos de Entrada com as variáveis em Ladder. Descritivo : - Completar a tabela abaixo, considerando o acionamento de entradas digitais no CLP e a programação dos respectivos contatos em Ladder. Explique qual é a importância de se utilizar lógica inversa em determinadas situações. Condição inicial : chaves externas nas respectivas condições iniciais NA ou NF. Para ligar Para desligar Se a chave externa for NA NF NA NF 178 o contato no ladder deve ser Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial PRÁTICA2 – APLICAÇÕES USANDO LÓGICA COMBINACIONAL - Objetivo: Desenvolver aplicações simples utilizando lógica booleana. - Recursos: Equipamento Mini CLP TP02, software PC12 Design Center versão 2.0 e manuais (www.weg.com.br). Procedimentos: - A) Desenvolver as tabelas da verdade para as tarefas solicitadas abaixo; - B) Abrir o software PC12 Design Center; - C) Selecionar “New” D) Escrever as rotinas e simular o seu funcionamento através das chaves e leds existentes no módulo didático. Observar os resultados obtidos. Tarefa 1 - Selecionadora de caixas Descritivo : - Em uma esteira são transportadas caixas de três tamanhos diferentes (tamanho 1, tamanho 2 e tamanho 3); As caixas passam por três sensores ópticos SZ1, SZ2 e SZ3 (barreira de luz); A operação inicia, após ser pressionado um botão liga “I” e é interrompido pelo botão desliga “O”; A escolha do tamanho da caixa a ser selecionada é definido por uma chave seletora de três posições (contatos NA denominados S1, S2 e S3); Assim se for selecionado o tamanho 1, a esteira deve parar e ativar um sinaleiro H1, se for detectada uma caixa no tamanho 2 ou tamanho 3; Nesta situação a caixa no tamanho indesejado será retirada manualmente pelo operador, que deverá reiniciar a operação pressionando novamente o botão liga “I”; Obs.: A esteira é acionada pelo motor de indução M1. H1 SZ1 SZ2 SZ3 -S1 179 2 3 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial TAREFA 2 Descritivo : - Controle de nível (ON/FF) Deseja-se controlar o nível de uma caixa d´água entre um valor máximo e mínimo; Existem para isto dois sensores de nível, respectivamente, S1 (NA) (nível máximo) e S2 (NA) (nível mínimo); Para enchermos esta caixa, usamos uma bomba centrífuga que será ligada ou desligada pelo TP02 ® em função do nível da caixa; Se o sensor S2 estiver aberto, a bomba é ligada; Permanecendo assim até que o sensor S1 seja ativado; Quando S1 é ativado, a bomba é desligada; Permanecendo assim até que o sensor S2 abra novamente; Este controle automático pode ser desligado manualmente por um interruptor L1. S1 S2 Bomba Fonte dos exercícios: Apostila Curso “Automação de Processos Industriais”– WEG S/A TAREFA 3 Coordenação da Esteira de Tijolos 180 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Descritivo : Observando o processo de fabricação de tijolos, faça uma lógica combinacional dos sensores para coordenarem o acionamento e parada da esteira, sendo que esta, após ser acionada (exercício 2 – Aula Prática 1), pára quando a forma estiver abaixo do silo (para carregamento de matéria prima), e pára também quando a mesma estiver em cima da prensa hidráulica, ou seja, as formas estão igualmente espaçadas para que no momento que parar a esteira no abastecimento da forma de matéria prima, mais a frente, esta mesma parada seja aproveitada para prensar. Na figura 1, a separação está mostrada na mesma esteira em que é feita a colocação da matéria prima e da prensa, mas deve-se considerar que a separação é feita em uma segunda esteira. PRÁTICA3 – USO DOS CONTADORES NO TP02 - Objetivo: Conhecer a operação básica dos contadores disponíveis no controlador programável TP02. - Recursos: Equipamento Controlador Programável TP02, software PC12 Design Center, v. 2.0 e manuais (www.weg.com.br). Procedimentos: - A) Abrir o software PC12; - B) Selecionar “New File” - C) Comunicar com o CLP existente na bancada, através da porta serial de comunicação. D) Observar na tela principal do software, na barra de ferramentas do editor Ladder, a existência do botão de atalho para o contador. Ao colocar o componente no ladder, surge uma caixa de configuração, onde podem ser programados: a variável de uso (v0001~v0256), no primeiro campo, o valor de ajuste do contador (0~65535), no segundo campo, as duas entradas, usadas para contagem e Reset e a saída, que será ligada a uma bobina (a ser energizada quando o valor da contagem igualar valor de ajuste do contador). Na figura 3.1 são vistos os parâmetros de configuração. A função especial F16w trata-se do contador Up/Down de 16 bits. Sua programação é realizada conforme a figura 3.2. 181 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial CONTADOR 182 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 3.1 – Programação do Contador 183 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 3.2 – Programação do Contador UP/Down de 16 bits 184 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial TAREFA 1 Contador para máquinas de embalagens Descritivo : Desenvolver uma rotina em ladder para realizar a tarefa de automatização de uma máquina de embalagens de acordo com os seguintes requisitos: 1) O ciclo de empacotamento inicia com a contagem dos produtos no final da linha de produção. Quando o valor da contagem atingir 06 unidades, a máquina procede a operação de empacotamento que é feita manualmente pelo operador. Após finalizada, inicia-se um novo ciclo quando o operador deve pressiona um botão para partida (que ao mesmo tempo reseta o contador); 2) Deve-se simultaneamente contar a quantidade final de pacotes de produto. 3) No caso de falta de energia, o contador permanece inalterado. TAREFA 2 Descritivo : - Contador Up-Down Desenvolver uma rotina em ladder para realizar a tarefa de automatização de uma máquina “perfuratriz linear” de acordo com os seguintes requisitos: Deseja-se que a máquina desloque-se por 15 posições, realize um furo em um objeto e a seguir retorne à posição inicial. Uma fita com leitura óptica é utilizada juntamente com um sensor (que gera um pulso a cada posição incrementada/decrementada) para identificar o deslocamento da máquina ao longo de seu eixo. TAREFA 3 Descritivo : Contagem de tijolos Utilize contadores no final da esteira da figura 3, após a separação do tijolo da forma, para que, quando essa contagem chegue a 40 (número de tijolos que cabem em uma prateleira), o motor da esteira de separação pare, e o operador troque de prateleira, levando a cheia para uma gaiola. Esta será conduzida ao banho. PRÁTICA 4 – USO DOS TEMPORIZADORES NO TP2 185 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial - Objetivo: Conhecer a operação básica dos temporizadores e do relógio em tempo real disponíveis no Controlador programável TP02. . - Recursos: Equipamento Controlador Programável TP02, software PC12 Design Center, v. 2.0 e manuais (www.weg.com.br). Procedimentos: - A) Abrir o software PC12; - B) Selecionar “New File” - C) Comunicar com o CLP existente na bancada, através da porta serial de comunicação. - D) Observar na tela principal do software, na barra de ferramentas do editor Ladder, a existência do botão de atalho para o temporizador. Ao colocar o componente no ladder, surge uma caixa de configuração, onde podem ser programados: a variável de uso (v0001~v0256), no primeiro campo, o valor de ajuste do temporizador (0~65535), no segundo campo, as duas entradas, usadas para entrada do sinal e Reset e a saída, que será ligada a uma bobina (a ser energizada quando o valor de tempo igualar valor de ajuste do temporizador). Nas figuras 4.1 a 4.3 são vistos os parâmetros de configuração dos dois tipos de temporizadores existentes no TP02. Observar na tela principal do software que os temporizadores aparecem apenas como bobinas do tipo T que podem ser inseridas na última coluna do diagrama ladder. Ao colocar o componente no ladder, surge uma caixa de configuração, onde podem ser programados: o modo de seleção (1 a 7), a unidade de temporizador (1 a 4), a variável de reajuste do temporizador (ON: valor reajustado a zero e OFF: modo continuo), valor atual do temporizador e o valor de ajuste, ou meta, do temporizador. Na figura abaixo são vistos os parâmetros de configuração. Os diagramas de tempo dos modos de temporização, num total de 7, podem ser vistos no manual do equipamento. TEMPORIZADOR (1) A Unidade de temporização do registrador do temporizador V0001~V0250 é de 0.1 s. A unidade de temporização do registrador do temporizador V0251~V0256 é de 0.01 s. Quando o sinal estiver ON, o valor do registrador do temporizador será aumentado em 1 unidade a cada 0.1/0.01 s. Quando o sinal está OFF, o valor no registrador do temporizador permanece inalterado até que o sinal de entrada seja comutado de volta para ON. O valor no registrador irá resumir a operação de temporização. Quando o sinal reset está ON, o valor no registrador do temporizador será resetado para zero. A faixa de temporização do temporizador é de 0.1 s a 6553.5 s. 186 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 4.1 – Programação do Temporizador (1) 187 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial TEMPORIZADOR (2) A Unidade de tempo do registrador do temporizador V0001~V0250 é de 0.1 s. A unidade de temporização do registrador do temporizador V0251~V0256 é de 0.01 s. Quando o sinal estiver ON, o valor do registrador do temporizador será aumentado em 1 unidade a cada 0.1/0.01 s. Quando o sinal de entrada está OFF, o valor do registrador do temporizador será resetado para 0. A faixa de temporização do temporizador é de 0.1 s a 6553.5 188 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial F50w - TEMPORIZADOR ESPECIAL Define 4 contatos a partir de “D” (D, D+1, D+2, D+3 e D+4) a serem usados como temporizadores para as funções: Retardo na Desenergização, Pulso habilitado de ON-> OFF, Pulso habilitado de OFF - > ON e Retardo na Desenergização. 189 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial TAREFA 1 Chave de partida estrela-triângulo automática 190 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Descritivo : Desenvolver uma rotina em ladder para realizar a tarefa de automatização de uma chave de partida de motores com os seguintes requisitos: - Ao ser pressionado o botão pulsador liga “I”; - Ativa a bobina do relé temporizador1 Y-, fechando o contato KT1[15-18]; - Ativando a bobina do contator K3; - O contato K3[13-14] é então acionado, ativando a bobina do contator K1; (o contato K3[21-22] impede a possibilidade de ativação da bobina de K2 e o contato K1[43-44] permite ativação de K2 só depois que o contator K1 estiver ligado); - Ficando nesta condição até que seja alcançado o tempo ajustado no relé temporizador Y- (ajuste típico de 10 s); - Quando então, o contato KT1[15-18] é novamente aberto; desativando a bobina do contator K3; - 100 ms depois da abertura de KT1[15-18], o contato KT1[25-28] é fechado; - Deste modo, caso o contato K3[21-22] esteja fechado e o contato K1[43-44] esteja fechado, a bobina do contator K2 é ativada; - Ficando o motor ligado pelos contatores K1 e K2; - Ficando nesta situação até que seja pressionado o botão pulsador desliga “O” ou seja atuado o relé de sobrecarga; Após o rearme do relé térmico a chave voltará à sua condição inicial. 191 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Condição inicial : botão pulsador I aberto; botão pulsador O fechado; FT1[97-98] aberto; bobina de K1 inativa, bobina de K2 inativa, bobina de K3 inativa, bobina do relé Y- inativa (contatos KT1[15-18] e KT1[25-28] abertos). TAREFA 2 Descritivo : Temporização das paradas da esteira de tijolos Temporizar as paradas da esteira que coloca a matéria prima na forma e prensa os tijolos. Depois, temporizar a segunda esteira na separação do tijolo da forma. (utilize o tipo de temporizador que lhe convém). 192 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial PRÁTICA 5 – PROGRAMAÇÃO DA INTERFACE HOMEM-MÁQUINA OP05 - Objetivo: Conhecer a operação básica da IHM OP05 e sua programação através do TP02. - Recursos: Equipamento Controlador Lógico Programável TP02, software PC12 Design Center, v. 2.0, Interface OP05, cabos de conexão e manuais (www.weg.com.br). - Introdução: A interface homem-máquina OP-05 é um periférico que permite ao usuário efetuar alteração/visualização de valores de registradores, apresentação de textos e mensagens, comandos simples, em função do modo de operação definido. Procedimentos: - A) Abrir o software PC12; - B) Selecionar “New File” - C) Comunicar com o CLP existente na bancada, através da porta serial de comunicação. - D) Para que o TP-02 reconheça a interface homem-máquina é necessário ajustar o registrador de sistema WS012 em 1 (OP-05). Caso isto não seja feito, ao se conectar a OP-05/06 no TP-02, será apresentado no display uma mensagem “PLC Time Out !”. É importante não esquecer de marcar a opção “System Memory Data” na caixa de diálogo “write”. Nas figuras 1 a 3 são vistos os parâmetros de configuração dos dois tipos de temporizadores existentes no TP02. Composição da IHM: Bomba 1: Ligada Tempo: 240 seg Linha 1 Linha 2 F1 F5 F9 7 8 9 F2 F6 F10 4 5 6 F3 F7 F11 1 2 3 F4 F8 F12 MOD 1 MOD 2 0 ESC TMR 193 CNT T e c ENT Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Existem na memória de dados do TP-02 um total de 130 bytes que servirão para o armazenamento dos arquivos de texto. Memória de Dados - Arquivos de texto Data Memory - Files FL001 1 Byte 1 FL002 2 Byte 2 FL003 3 Byte 3 FL004 4 Byte 4 FL005 5 Byte 5 FL006 6 Byte 6 ... ... ... FL130 130 Byte 130 Os comandos podem ser realizados através de teclas de funções, que obedecem a um endereçamento pré-definido, conforme mostrado abaixo: F1 F5 F9 7 8 9 F2 F6 F10 4 5 6 F3 F7 F11 1 2 3 F4 F8 F12 MOD 1 MOD 2 0 X361 X365 X369 - - - X362 X366 X370 - - - X363 X367 X371 - - - - - X377 X378 X379 X364 X368 X372 X380 X381 ESC TMR CNT ENT - X382 - A programação do TP-02 para utilização das interfaces homem-máquina está relacionada com o ajuste de determinados registradores. Para a configuração do display é necessário definir 194 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial inicialmente o modo de operação desejado, e depois proceder os ajustes dos registradores. A seguir apresentaremos como efetuar estes ajustes. 1) Modo Inicial Utilização: Este modo pode ser aplicado para mostrar no display uma mensagem de apresentação, estado inicial da máquina ou processo, uma possível orientação ao operador, etc. Programação: É feita diretamente no aplicativo ou através da edição dos registradores específicos. Parâmetros: - Registrador V0604 – define o modo de operação do display da interface; Registrador V0602 – define qual das mensagens será apresentada na Linha 1 do display sob modo inicial de display; Registrador V0603 – define qual das mensagens será apresentada na Linha 2 do display sob modo inicial de display; Seqüência de Programação: - Ajustar o registrador V0604; Ajustar o registrador V0602; Ajustar o registrador V0603; Exemplo de Programação: Opção 1 - Através do aplicativo - Linha 0001: Quando ocorrer uma transição OFF para ON no marcador auxiliar C0001, a função 11 irá transferir o valor 1 para dentro do registrador V0604 configurando o display para operação em “modo inicial”; - Linha 0002: Esta função 11 irá transferir o valor 12 para o registrador V0602, indicando que a mensagem 12 será enviada para a primeira linha do display da OP05/OP06; - Linha 0003: Esta função 11 irá transferir o valor 4 para o registrador V0603, indicando que a mensagem 4 será enviada para a segunda linha do display da OP05/OP06; 195 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Opção 2 – Através da edição dos registradores1 - No menu “Edit “, selecione a opção “Data Memory”; Vá até os registradores especificados e faça a edição dos valores; No mesmo menu “Edit” opção “Data Memory”, clique no botão “FILE”, escolha os arquivos e edite as mensagens desejadas; - Não esqueça de configurar WS012 para indicar o tipo de interface com a qual irá trabalhar ! - Não esqueça de gravar as áreas de memória relacionadas a esta programação ! - Quando for salvar o projeto, não esqueça de selecionar além da opção “Save Symbol Data”, também as opções “Save System Data” e “Save Register/FILE Data” . 2) Modo de Display F-33 Utilização: Este modo pode ser aplicado para apresentar no display mensagens de estado da máquina e/ou processo, mensagens de alarme, telas de ajuste ou visualização de parâmetros, etc. Programação: É feita diretamente no aplicativo. Parâmetros: - Registrador V0604 – define o modo de operação do display da interface; Registrador V0600 – define qual das mensagens será apresentada na Linha 1 (linha superior) do display sob modo de display F-33; Registrador V0601 – define qual das mensagens será apresentada na Linha 2 (linha inferior) do display sob modo de display F-33; Função 33 ou função 33w; Obs: Via de regra, os registradores V0605, V0615 e V0616 não precisam ser utilizados. Seqüência de Programação: Caso 1: Forma normal - Ajustar o registrador V0604; Ajustar o registrador V0600; 1 Para este caso é necessário fazer a configuração da memória de sistema do TP-02, ajustando o registrador WS024 em 1. 196 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial - Ajustar o registrador V0601; Ajustar a função 33 da Linha 1; Ajustar a função 33 da Linha 2; Caso 2: Forma compacta - Ajustar o registrador V0604; Ajustar o registrador V0600; Ajustar a função 33w; NOTAS: 1) O display da IHM OP-05 / OP-06 é composto por duas linhas, denominadas de linha 1 e linha 2 (superior e inferior, respectivamente), com limite de 20 caracteres por linha em código ASCII, não sendo possível a acentuação ortográfica. 2) Função F33: Quando deseja-se enviar uma mensagem para a IHM OP-05/OP-06, deve-se verificar qual o tipo de texto envolvido. A classificação do tipo de texto faz-se observando a existência ou não de caracteres classificados como especiais. São eles: ? # Caractere para escrita na memória do CLP Caractere para leitura da memória do CLP Desta forma o texto pode ser classificado em um dos tipos abaixo: a) Texto simples: texto sem caractere especial; b) Texto de escrita de dados: texto com caractere especial “?”; c) Texto de leitura de dados: texto com caractere especial “#”. Uma vez classificado o tipo de texto que se deseja enviar para o display, é possível configurar a função F33, procedendo da seguinte maneira: F33 Text D S Para o parâmetro “S” considerar os seguintes casos: • • • Texto simples repetir o endereço de D [S = D] Escrita de dados o dado será armazenado na posição de memória apontada por [S+1]; Leitura de dados o dado será resgatado da posição de memória apontada por [S]; 197 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Exemplos de Programação: Caso 1 - Forma normal 1.1 - Considere as seguintes condições: Mensagem ( FLxxx ) No. da Linha do display WEG Industrias S/A Texto de Exemplo 2 6 Texto 1 2 - Linha 0001: Quando ocorrer uma transição OFF para ON no marcador auxiliar C0002, a função 11 irá transferir o valor 13 para dentro do registrador V0604 configurando o display para operação em “modo de display F-33”; - Linha 0002: Esta função 11 irá transferir o valor 2 para o registrador V0600, indicando que a mensagem 2 será enviada para a linha 1 do display da OP05/OP06; - Linha 0003: Esta função 11 irá transferir o valor 6 para o registrador V0601, indicando que a mensagem 6 será enviada para a linha 2 do display da OP05/OP06; - Linha 0004: Esta função de texto faz com que a mensagem especificada em V0600 seja enviada para a Linha 1 do display, e que não haverá nem escrita e nem leitura na memória do CLP; - Linha 0005: Esta função de texto faz com que a mensagem especificada em V0601 seja enviada para a Linha 2 do display, e que não haverá nem escrita e nem leitura na memória do CLP; 1.2 - Considere as seguintes condições: Mensagem ( FLxxx ) 7 1 Texto No. da Linha do display Escrita no Registro V0004 = ????? 1 2 198 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial - Linha 0001: Quando ocorrer uma transição OFF para ON no marcador auxiliar C0002, a função 11 irá transferir o valor 13 para dentro do registrador V0604 configurando o display para operação em “modo de display F-33”; - Linha 0002: Esta função 11 irá transferir o valor 7 para o registrador V0600, indicando que a mensagem 7 será enviada para a linha 1 do display da OP05/OP06; - Linha 0003: Esta função 11 irá transferir o valor 1 para o registrador V0601, indicando que a mensagem 1 será enviada para a linha 2 do display da OP05/OP06; - Linha 0004: Esta função de texto faz com que a mensagem especificada em V0600 seja enviada para a Linha 1 do display, e que não haverá nem escrita e nem leitura na memória do CLP; - Linha 0005: Esta função de texto faz com que a mensagem especificada em V0601 seja enviada para a Linha 2 do display, e que o valor digitado na OP05/OP06 será armazenado no registrador V0004; 1.3 - Considere as seguintes condições: Mensagem ( FLxxx ) 10 5 Texto No. da Linha do display Leitura do Registro V0009 = ##### 1 2 - Linha 0001: Quando ocorrer uma transição OFF para ON no marcador auxiliar C0002, a função 11 irá transferir o valor 13 para dentro do registrador V0604 configurando o display para operação em “modo de display F33”; - Linha 0002: Esta função 11 irá transferir o valor 10 para o registrador V0600, indicando que a mensagem 10 será enviada para a linha 1 do display da OP05/OP06; - Linha 0003: Esta função 11 irá transferir o valor 5 para o registrador V0601, indicando que a mensagem 5 será enviada para a linha 2 do display da OP05/OP06; - Linha 0004: Esta função de texto faz com que a mensagem especificada em V0600 seja enviada para a Linha 1 do display, e que não haverá nem escrita e nem leitura na memória do CLP; - Linha 0005: Esta função de texto faz com que a mensagem especificada em V0601 seja enviada para a Linha 2 do display, e que o conteúdo do registrador V0009 será lido no display da OP05/06. 199 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 1.4 - Considere as seguintes condições: Mensagem ( FLxxx ) 3 8 Texto No. da Linha do display V0002 = ???? V0007 = ???? 1 2 - Linha 0001: Quando ocorrer uma transição OFF para ON no marcador auxiliar C0002, a função 11 irá transferir o valor 13 para dentro do registrador V0604 configurando o display para operação em “modo de display F33”; - Linha 0002: Esta função 11 irá transferir o valor 3 para o registrador V0600, indicando que a mensagem 3 será enviada para a linha 1 do display da OP05/OP06; - Linha 0003: Esta função 11 irá transferir o valor 8 para o registrador V0601, indicando que a mensagem 8 será enviada para a linha 2 do display da OP05/OP06; - Linha 0004: Esta função de texto faz com que a mensagem especificada em V0600 seja enviada para a Linha 1 do display, e que o valor digitado na OP05/OP06 será armazenado no registrador V0002; - Linha 0005: Esta função de texto faz com que a mensagem especificada em V0600 seja enviada para a Linha 2 do display, e que o valor digitado na OP05/OP06 será armazenado no registrador V0007; 1.5 - Considere as seguintes condições: Mensagem ( FLxxx ) 9 4 Texto No. da Linha do display V0002 = ##### V0007 = ##### 1 2 200 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial - Linha 0001: Quando ocorrer uma transição OFF para ON no marcador auxiliar C0002, a função 11 irá transferir o valor 13 para dentro do registrador V0604 configurando o display para operação em “modo de display F33”; - Linha 0002: Esta função 11 irá transferir o valor 9 para o registrador V0600, indicando que a mensagem 9 será enviada para a linha 1 do display da OP05/OP06; - Linha 0003: Esta função 11 irá transferir o valor 4 para o registrador V0601, indicando que a mensagem 4 será enviada para a 2 linha do display da OP05/OP06; - Linha 0004: Esta função de texto faz com que a mensagem especificada em V0600 seja enviada para a Linha 1 do display, e que o conteúdo do registrador V0002 será lido no display da OP-05/OP06; - Linha 0005: Esta função de texto faz com que a mensagem especificada em V0601 seja enviada para a Linha 2 do display, e que o conteúdo do registrador V0007 será lido no display da OP-05/OP06; 1.6 - Considere as seguintes condições: Mensagem ( FLxxx ) 6 5 Texto No. da Linha do display V0008 = ????? V0008 = ##### 1 2 - Linha 0001: Quando ocorrer uma transição OFF para ON no marcador auxiliar C0002, a função 11 irá transferir o valor 13 para dentro do registrador V0604 configurando o display para operação em “modo de display F33”; - Linha 0002: Esta função 11 irá transferir o valor 6 para o registrador V0600, indicando que a mensagem 6 será enviada para a linha 1 do display da OP05/OP06; - Linha 0003: Esta função 11 irá transferir o valor 5 para o registrador V0601, indicando que a mensagem 5 será enviada para a linha 2 do display da OP05/OP06; - Linha 0004: Esta função de texto faz com que a mensagem especificada em V0600 seja enviada para a Linha 1 do display, e que o valor digitado na OP05/OP06 será armazenado no registrador V0008; - Linha 0005: Esta função de texto faz com que a mensagem especificada em V0601 seja enviada para a Linha 2 do display, e que o conteúdo do registrador V0008 será lido no display da OP-05/OP-06; 201 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Caso 2 – Forma compacta A parametrização da função F33w é realizada da mesma forma que na função F33 completa, observando apenas que devem ser analisadas as duas linhas como sendo um texto apenas, podendo desta forma ser “texto simples”, “escrita de dados” ou “leitura de dados” e aplicar as regras conforme caso 1 – Forma normal. OBS: As mensagens (FLxxx) que se deseja enviar para o display, devem obrigatoriamente estar em seqüência (Ex.: FL006/FL007 ou FL011/FL012). 1.7 - Considere as seguintes condições: Mensagem ( FLxxx ) 4 5 Texto No. da Linha do display Tela de exemplo Forma compacta 1 2 - Linha 0001: Quando ocorrer uma transição OFF para ON no marcador auxiliar C0002, a função 11 irá transferir o valor 13 para dentro do registrador V0604 configurando o display para operação em “modo de display F-33”; - Linha 0002: Esta função 11 irá transferir o valor 4 para o registrador V0600, indicando que a mensagem 4 será enviada para a linha 1 do display da OP05/OP06. Automaticamente será transferido para dentro de V0601 o valor 5, indicando que a mensagem 5 será enviada para a linha 2 do diplay da OP-05/OP-06; - Linha 0003: Esta função de texto faz com que a mensagem especificada em V0600 e V601 sejam enviadas para a Linha 1 e Linha 2 do display, respectivamente e que não haverá nem escrita e nem leitura na memória do CLP; 1.8 - Considere as seguintes condições: Mensagem ( FLxxx ) 9 10 Texto No. da Linha do display Escrita no registro V0008=???? 1 2 202 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial - Linha 0001: Quando ocorrer uma transição OFF para ON no marcador auxiliar C0002, a função 11 irá transferir o valor 13 para dentro do registrador V0604 configurando o display para operação em “modo de display F-33”; - Linha 0002: Esta função 11 irá transferir o valor 9 para o registrador V0600, indicando que a mensagem 9 será enviada para a linha 1 do display da OP05/OP06. Automaticamente será transferido para dentro de V0601 o valor 11, indicando que a mensagem 11 será enviada para a linha 2 do diplay da OP-05/OP-06; - Linha 0003: Esta função de texto faz com que a mensagem especificada em V0600 e V601 sejam enviada para a Linha 1 e Linha 2 do display, respectivamente e que o valor digitado na OP-05/OP-06 será armazenado no registrador V0008. 1.9 - Considere as seguintes condições: Mensagem ( FLxxx ) 12 13 Texto No. da Linha do display Leitura do registro V0008=#### 1 2 - Linha 0001: Quando ocorrer uma transição OFF para ON no marcador auxiliar C0002, a função 11 irá transferir o valor 13 para dentro do registrador V0604 configurando o display para operação em “modo de display F-33”; - Linha 0002: Esta função 11 irá transferir o valor 12 para o registrador V0600, indicando que a mensagem 12 será enviada para a linha 1 do display da OP05/OP06. Automaticamente será transferido para dentro de V0601 o valor 13, indicando que a mensagem 13 será enviada para a linha 2 do diplay da OP-05/OP-06; - Linha 0003: Esta função de texto faz com que a mensagem especificada em V0600 e V601 sejam enviada para a Linha 1 e Linha 2 do display, respectivamente e que o conteúdo do registrador V0008 será lido no display da OP-05/OP-06;. 203 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial TAREFA 1 Chave de partida Compensadora automática Descritivo : Desenvolver uma rotina em ladder para realizar a tarefa de automatização de uma chave de partida de motores com os seguintes requisitos: - Ao ser pressionado o botão pulsador liga “I”; - Ativa a bobina do contator K3; - O contato K3[13-14] é então acionado, ativando a bobina do contator K2; (o contato K3[21-22] impede a possibilidade de ativação da bobina de K1; - O contato K2[43-44] ativa a bobina do relé temporizador KT1); - Ficando nesta condição até que seja alcançado o tempo ajustado no relé temporizador (ajuste típico de 15 s); - Quando então, o contato KT1[15-16] é aberto; desativando a bobina do contator K3; - Desta maneira, o contato K3[21-22] fecha, ativando a bobina do contator K1; - O contato K1[21-22] abre, desativando a bobina do contator K2; - O contato K1[43-44] ativa o sinaleiro SH1, indicando que o motor está ligado à rede; - Ficando o motor ligado pelo contator K1; - Ficando nesta situação até que seja pressionado o botão pulsador desliga “O” ou seja atuado o relé de sobrecarga; - Após o rearme do relé térmico a chave voltará à sua condição inicial. Considerações : Indicar no display da OP05, o Tap de tensão do autotransformador e a atuação do relé de sobrecarga (através de mensagens de texto); Permitir o ajuste do temporizador através da tecla F1 e a visualização do ajuste pela tecla F2; Quando ocorrer o rearme do relé de sobrecarga ou o desligamento da chave, o display do IHM deverá ser limpo (tela inicial); Condição inicial : nenhum botão pressionado; desativadas; tela do IHM limpa; 204 todas as bobinas dos contatores Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial (Ver pág. 225 do manual de programação e instalação do TP-02) TAREFA 2 Exibição das etapas do processo de fabricação de tijolos na IHM. Descritivo : Indicar no display da OP05, os estágios de atuação da talha, esteira e prensa no processo de produção de tijolos, considerando: 1) Acionamento da Esteira; 2) Colocação da Massa na Forma; 3) Prensagem; 4) Separação do Tijolo do Interior da Forma; 5) Colocação na Prateleira e na Gaiola. 205 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial PRÁTICA 6 – UTILIZAÇÃO DO MÓDULO CONVERSOR TP02-4AD - Objetivo: Conhecer a operação básica do módulo conversor A/D e sua programação através do TP02. - Recursos: Equipamento Controlador Lógico Programável TP02, software PC12 Design Center, v. 2.0, Módulo TP02-4AD, cabos de conexão e manuais (www.weg.com.br). - Introdução: A interface de entrada analógica TP02-4AD é uma unidade especial de expansão da série TP02 que permite ao usuário efetuar aquisição/medição de grandezas analógicas para uso no controle de processos automatizados. A aparência, fiação, pinagem e especificação desta interface são vistas nas figuras 6.1 a 6.4 abaixo: Figura 6.1 Figura 6.2 206 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 6.3 Figura 6.4 Procedimentos: - A) Abrir o software PC12; - B) Selecionar “New File” - C) Comunicar com o CLP existente na bancada, através da porta serial de comunicação. - D) Para que o TP-02 reconheça a interface de entrada analógica é necessário ajustar o registrador de sistema WS061, visto na figura 6.5, em 01, (para operar no modo de entrada de tensão). 207 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 6.5 – Registrador de configuração do módulo A/D O valor de tensão convertido pelo módulo A/D é passado para a memória de dados do TP02, conforme o canal desejado. A tabela abaixo apresenta os endereços usados. TAREFA 1 Chave de partida Compensadora automática Descritivo : Agregar à rotina desenvolvida na experiência no. 5, de automatização de uma chave de partida de motores, a leitura de um sensor de temperatura instalado para acompanhar o aquecimento do enrolamento estatórico durante o seu funcionamento. A rotina deve apresentar os seguintes requisitos: - - Ao pressionar a tecla de Função F3 da IHM, apresentar no display o valor de temperatura lido no sensor e a condição (status) de funcionamento do motor; Dividir as condições de funcionamento em 03 regiões de temperatura: (1) Motor Frio – temperatura de 0 graus C até 65 graus C (2) Motor Normal - temperatura de 65 até 80 graus C (3) Motor em sobrecarga – temperatura acima de 80 graus C Se a temperatura atingir 150 graus Celsius, então o CLP deve desligar o motor e apresentar mensagem de sobrecarga destrutiva. Considerações : Para implementar a comparação de valores, deve-se usar a função especial F15 existente no Set de Instruções do TP02, conforme apresentada na tabela abaixo. (ver pág. 100 do manual de programação e instalação do TP-02) 208 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial F15 (a) F15w (b) e F15d (c) COMPARAÇÃO DO VALOR DO REGISTRANDO usando: (a) 8 bits (b) 16 bits e (c) 32 bits 209 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial TAREFA 2 Descritivo : Controle da temperatura de secagem dos tijolos Faça o controle da temperatura da estufa onde secarão os tijolos. Os tijolos devem ficar em uma temperatura entre 70°C e 90°C. Quando a temperatura do termômetro atingir 70°C liga-se o atuador para aquecer a estufa, e quando atingir 90°C desliga-se o atuador para que a temperatura vá diminuindo gradativamente. 210 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial PRÁTICA 7 – REDE DE COMUNICAÇÃO ENTRE CLPs - Objetivos: Desenvolver uma rede de comunicação local entre CLP’s WEG TP02 usando interface RS485. Explorar esta configuração do CPL WEG TP02 para que se ter uma melhor comunicação entre os controladores. Observar a configurar a memória do CLP para que a comunicação seja otimizada, demonstrando ainda algumas configurações físicas através de imagens. - Recursos: Equipamento Controlador Lógico Programável TP02, software PC12 Design Center, v. 2.0, cabo de comunicação serial, cabos de conexão e manuais (www.weg.com.br). - Introdução: Método de Fiação Abaixo está representado como foi realizada a ligação física dos dois CLP’s. 1. Configuração da Comunicação Para realizar a comunicação através da porta RS485 do CLP deve-se setar a função WS043 com o número do modo desejado (ver tabela 1). Para fazer as configurações da memória do sistema e inserir as instruções (Ladder) no CLP é necessário ter o programa PC12 Design Center instalado no computador, este último fornecido pela Weg Automação. 211 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Tabela 1 - Modo de Comunicação Utilizaremos o modo de conexão dos dados (WS0001), que possibilita a comunicação de linha de dados do TP02 (estação mestre) com o TP02 (estação escrava). Mesmo quando uma das estações escravas do TP02 não estiver conectada ou estiver presente um estado de erro, o TP02 (estação mestre) ainda pode comunicar-se com as outras estações escravas. No modo conexão de dados, a estação mestre do TP02 pode ser conectada e se comunicar, no máximo, com 7 estações escravas do TP02. Memória do Sistema da Estação Mestre Tabela 2 – Configuração da Estação Mestre WS043 Modo de Comunicação 0001: Modo Conexão de dados WS044 Velocidade – Transmissão 0000: 76600bit/s, WS045 Configuração da Estação 0000 WS046 Número de Estações Escravas 0001 ~ 0007 0001: 38400 bit/s Memória do Sistema da Estação Escrava Tabela 3 – Configuração da Estação Escrava WS043 Modo de Comunicação 0001: Modo Conexão de dados WS044 Velocidade – Transmissão 0000: 76600bit/s, WS045 Configuração da Estação 0001 ~ 0007 (ID da Escrava) WS046 Número de Estações Escravas 0000 0001: 38400 bit/s 2. Configuração das Estações Após configurar WS0001 (modo comunicação de dados), deve-se configurar as estações. 2.1 Mestre Na tabela 2, temos o esquema para a configuração da estação mestre, basta apenas setar a memória do sistema com a configuração desejada. 212 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Configuração da Estação Mestre 2.2 Escrava A configuração das estações escravas é muito similar com a configuração da estação mestre, somente alteramos os valores de WS045 e Ws046, onde WS 045 será a identificação de cada estação e, WS046 sempre será zero para todas as estações. Na tabela 3, temos o esquema da configuração que basta setar à memória do sistema com a configuração desejada. Configuração da Estação Escrava 3. Conexão de Dados para a Estação Mestre e Escravo A estação mestre envia e recebe dados das estações escravas, tendo uma comunicação direta com todas as estações escravas. No entanto, as estações escravas não podem trocar informações entre si apenas com a estação mestre. Para esta comunicação de envio e recebimento de dados são reservados, tanto pontos auxiliares como registradores. Estes podem ser observados na figura 1. 213 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 1 – Configuração da Área de Conexão de Dados 4. Método de Fiação Na figura 2 podemos observar a régua de bornes de um CLP e ainda a indicação dos terminais para a ligação entre os CLP’s. Para colocar um segundo CLP em rede devem-se ligar os bornes T/R+ de um CLP ao T/R+ o outro e o T/R – ao T/R –, fazendo com que os CLPs se comuniquem ntre si através do protocolo RS485. Cada CLP é adicionado em paralelo com a outra estação, podendo ligar no máximo 8 estações, sendo uma estação mestre e 7 estações escravas, como mostra a figura 3. 214 Prof. Geomar M. Martins
  • ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 2 – Régua de bornes TP02 Figura 3 – Esquema de ligação TAREFA 1 Descritivo : Comunicação entre 02 CLPs via RS-485 Realizar a comunicação entre 02 CLPs TP-02 utlizando os recursos descritos anteriormente. Observação: No experimento prático, conecta-se os dois CLP’s, sendo um mestre e o outro escravo de acordo com a tabela abaixo: WS043 Modo de Comunicação Modo Conexão de dados WS044 Velocidade – Transmissão 0000: 76600bit/s WS045 Configuração da Estação 0000 (mestre) WS046 Número de Estações Escravas 0001 215 Prof. Geomar M. Martins