Lista de Exercícios Ladder Automação Industrial

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL REI CAMPUS ALTO PARAOPEBA Prof Mário Cupertino 1ª Lista de exercícios de Sistemas Supervisórios Aluno 1 Baseado na figura abaixo que contempla em geral a automação e sua divisão em níveis descreva sobre cada nível os seus elementos e equipamentos constituintes a tecnologia envolvida e sua importância dentro de toda a pirâmide 2 Para que serve os sistemas supervisórios 3 O que você entende por IHM e para que ele serve 4 O que é um Sistema SCADA Quais suas vantagens e desvantagens 5 Descreva sobre a Arquitetura de um Sistema Supervisório 6 Em um planejamento de um sistema supervisório quais seriam as etapas constituintes Descreva por ordem de importância 7 Quais as principais características de um sistema supervisório Explique cada uma 8 Por que CLPs fazem parte de Sistemas Supervisórios Quais suas vantagens 9 Desenvolva um programa para controlar o enchimento de garrafas com produto químico Quando o botão liga for acionado a esteira é ligada e movimenta as garrafas até o bico de enchimento a garrafa é detectada através de um sensor a esteira deve para e abrir a válvula do bico de enchimento para encher a garrafa o nível é detectado através de um sensor depois de detectado o nível devemos esperar por 10s e acionar a esteira novamente para recomeçar o ciclo encher a próxima garrafa Devemos contar também a quantidade de garrafas cheias 10 garrafas Após a contagem deverá ser acionado um alarme e o ciclo só recomeçará se o botão de reconhecimento de alarme for acionado Quando o botão desliga for acionado o ciclo será interrompido 10 Baseado no exercícios anterior 7 esboce graficamente e teoricamente como você construiria as telas deste processo como seriam os indicadores e controladores 11 Implemente usando Ladder um semáforo que seja ligado e desligado por uma chave retentiva Tempos vermelho 9s amarelo 3s e verde 6s Em seguida esboce como seria um sistema supervisório para ajudar um analisador de trafego em um cruzamento com 4 destes semáforos Decida quais serão as prioridades das vias e se haverá ou não semáforo para pedestres 12 Desenvolva uma lógica em Ladder para contar a quantidade de objetos que passam por uma esteira Existe uma chave retentiva para ligardesligar o sistema Um sensor detecta a passagem dos objetos Existe um botão não retentivo capaz de zerar a quantidade de objetos contados Faça o esboço de como seria um sistema supervisório para este processo 13 A figura abaixo ilustra uma representação gráfica de um processo Existem 10 elementos destacados nesta tela descreva o que você supõe que cada um seja sua função dentro da planta e o que seria importante acrescentar nesta tela para que o torne mais amigável ao operador e otimize o entendimento de todo o processo 14 Um determinado sistema supervisório muito usado na área petroquímica definiu um objeto composto denominado tanque Liste os atributos que no seu entender tal objeto deva possuir 15 Descreva com suas próprias palavras o que é um SDCD 16 Como seria a configuração básica de um SDCD Descreva também sobre suas principais características 17 Cite as vantagens e desvantagens de um SDCD 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 18 O SDCD são distribuídos em geral em quatro subsistemas aquisição de dados monitoração e operação supervisão e otimização e comunicação Descreva sobre cada subsistema destacando suas principais características suas principais funções e seus principais elementos em telas de supervisório 19 O que são gráficos de tendência e para que servem 20 De que forma os alarmes podem ser hierarquizados Como o operador pode intervir na planta mediante uma situação de alarme 21 Como garantir maior clareza ao operador das telas geradas nos sistemas supervisórios Sistemas de Supervisao e Automacao 1 Divisao em Nıveis da Automacao A automacao industrial e frequentemente dividida em cinco nıveis hierarquicos cada um com sua propria funcao e tecnologia envolvida Nıvel 1 Dispositivos de Campo Esse nıvel inclui sensores e atu adores que interagem diretamente com o processo fısico Sensores captam variaveis como temperatura pressao e posicao enquanto atuadores real izam acoes baseadas em comandos como valvulas e motores Nıvel 2 Controle de Processos E onde os CLPs Controladores LogicoProgramaveis e controladores de processos operam recebendo in formacoes dos sensores e tomando decisoes para controlar os atuadores Nıvel 3 Supervisao Nesse nıvel sistemas SCADA e IHMs permitem monitorar e controlar o processo de forma mais abrangente fornecendo informacoes em tempo real sobre o estado do sistema Nıvel 4 Gerenciamento de Producao Aqui sao usadas tecnologias como ERP Enterprise Resource Planning para coordenar a producao desde o planejamento ate a execucao integrando o chao de fabrica com os sistemas empresariais Nıvel 5 Gerenciamento Corporativo Nıvel mais alto onde a gestao estrategica da empresa utiliza dados provenientes de todos os outros nıveis para tomada de decisoes e otimizacao de recursos 2 Funcao dos Sistemas Supervisorios Os sistemas supervisorios sao projetados para monitorar e controlar processos industriais garantindo que as operacoes sejam realizadas de forma eficiente segura e com a mınima intervencao humana Eles permitem a coleta de dados em tempo real e a execucao de comandos remotos para ajustar o processo conforme necessario 1 3 Interface HomemMaquina IHM A IHM e uma interface grafica que permite aos operadores interagirem com sistemas automatizados Sua funcao principal e facilitar o controle e a visu alizacao do estado de sistemas e processos Atraves de uma IHM operadores podem monitorar variaveis de processo emitir comandos e reagir rapidamente a alarmes 4 SCADA Definicao e VantagensDesvantagens SCADA Supervisory Control and Data Acquisition e um sistema que permite a supervisao e controle de processos industriais distribuıdos geograficamente Ele coleta dados de sensores e dispositivos em campo e os apresenta de maneira centralizada Vantagens Fornece controle centralizado melhora a eficiˆencia opera cional facilita a tomada de decisoes com base em dados em tempo real e permite automacao em larga escala Desvantagens Pode ser caro de implementar complexo de manter e requer uma infraestrutura de comunicacao robusta 5 Arquitetura de um Sistema Supervisorio A arquitetura de um sistema supervisorio geralmente e composta pelos seguintes componentes Sensores e Atuadores Dispositivos no nıvel de campo que monitoram e controlam o processo Controladores CLPs Executam o controle local do processo Unidades de Aquisicao de Dados RTUs Responsaveis por coletar dados e enviar para os servidores centrais Servidores SCADA Recebem os dados em tempo real e fornecem uma interface de controle e monitoramento Interface HomemMaquina IHM Exibe os dados de forma grafica e permite interacao com o sistema 6 Etapas Constituintes de um Sistema Super visorio As etapas para implementacao de um sistema supervisorio incluem 2 1 Analise de Requisitos Definir as necessidades de monitoramento e controle 2 Escolha de Equipamentos Selecionar sensores CLPs IHMs e servi dores SCADA 3 Configuracao do Sistema Programar controladores configurar a in terface SCADA e integrar os dispositivos 4 Testes e Validacao Verificar se o sistema atende aos requisitos de operacao e seguranca 5 Implementacao Instalar e colocar o sistema em operacao 7 Caracterısticas dos Sistemas Supervisorios Os sistemas supervisorios possuem as seguintes caracterısticas Monitoramento em Tempo Real Captura e exibe dados continua mente permitindo tomada de decisao rapida Controle Remoto Permite que operadores ajustem variaveis do pro cesso a distˆancia Alarmes Notifica os operadores sobre condicoes anormais ou de falha Historico de Dados Armazena dados para analise posterior e geracao de relatorios 8 CLPs e Sistemas Supervisorios Os CLPs fazem parte dos sistemas supervisorios como dispositivos de controle no nıvel de campo Eles recebem sinais dos sensores e tomam decisoes au tomaticas com base em uma logica programada As principais vantagens dos CLPs incluem Flexibilidade Podem ser reprogramados para diferentes tarefas Confiabilidade Sao robustos e projetados para ambientes industriais severos Integracao Facil Comunicandose diretamente com sistemas SCADA e outros dispositivos 3 9 Logica garrafas H 10 Esboco garrafas Descricao A tela do processo de enchimento de garrafas com produto quımico seria dividida em trˆes areas principais na parte superior terıamos indicadores gerais como o estado do sistema Ligado ou Desligado um contador de gar rafas cheias mostrando de 0 a 10 garrafas preenchidas um indicador de alarme que acende quando o ciclo de 10 garrafas e completado e o status da valvula de enchimento aberta ou fechada No centro da tela haveria uma visualizacao grafica da linha de producao com uma esteira transportadora movimentando garrafas ate o bico de enchimento sensores detectando a presenca das garrafas e o nıvel de preenchimento Quando o sensor de presenca detecta uma garrafa a esteira para a valvula se abre e o enchimento ocorre ate o sensor de nıvel ser ativado momento em que comeca uma contagem regressiva de 10 segundos antes de reiniciar o ciclo e mover a garrafa cheia Tambem seria visıvel uma barra de progresso ou animacao indicando o estado da esteira e sensores Na parte inferior da tela estariam os controladores manuais botoes para ligar e desligar o sistema um botao de reinıcio de ciclo e outro para reconhecimento de alarme que seria ativado apos o ciclo de 10 garrafas completas Caso o botao de desligar seja acionado o ciclo seria interrompido imediatamente Quando o ciclo das 10 garrafas for concluıdo o alarme visual seria ativado piscando na tela acompanhado por um possıvel alarme sonoro e o processo so seria reinici ado apos o reconhecimento do operador garantindo o controle completo sobre o processo 4 Para um sistema supervisorio de um cruzamento com quatro semaforos in cluirıamos semaforos para veıculos em todas as direcoes norte sul leste oeste e semaforos para pedestres com botoes para solicitar travessia Sensores de trafego monitorariam o fluxo permitindo que uma central de controle ajus tasse os tempos dos semaforos dinamicamente priorizando vias mais movimen tadas especialmente em horarios de pico O ciclo basico dos semaforos daria verde primeiro para as vias principais seguido pelas secundarias com perıodos de intersecao onde todos os sinais ficam vermelhos para limpar o cruzamento Semaforos para pedestres ficariam verdes durante o vermelho das vias corre spondentes e sensores de ocupacao ajustariam os tempos de verde conforme o numero de veıculos Funcionalidades adicionais poderiam incluir prioridade para transporte publico e veıculos de emergˆencia alem de monitoramento re moto para ajustes manuais A integracao com software de gestao de trafego e uma interface de usuario permitiria simulacao e monitoramento em tempo real otimizando o fluxo de trafego e a seguranca dos pedestres 12 LADDER ESTEIRA Aqui podemos reutilizar a questao 9 como exemplo visto que nela fala para desenvolver um programa com as mesmas caracteriticas a diferenca e que aqui ele restringe para LADDER 13 13 Descricao dos 10 Elementos Elemento 1 Grafico de controle de variaveis Funcao Apresenta as variaveis crıticas do processo como temperatura pressao e nıvel facilitando o monitoramento pelo operador 6 Sugestao de melhoria Incluir mais detalhes interativos no grafico como uma legenda que descreva os pontos em tempo real ou opcoes de zoom Elemento 2 Valvula de controle Funcao Controla o fluxo de entrada de um fluido ou gas regulando as condicoes dentro do tanque Sugestao de melhoria Incluir um indicador de status da valvula abertafechada na interface Elemento 3 Sensor de pressao Funcao Mede a pressao dentro do tanque uma variavel importante para a seguranca e estabilidade do processo Sugestao de melhoria Adicionar uma funcao que envie alertas automaticos ao operador caso a pressao atinja nıveis crıticos Elemento 4 Bomba Funcao Provavelmente realiza a circulacao de fluido no sistema Sugestao de melhoria Incluir um historico de desempenho e manutencao para a bomba diretamente na tela Elemento 5 Indicador de nıvel Funcao Monitora o nıvel do fluido no tanque Sugestao de melhoria Um grafico de tendˆencia de nıvel ao longo do tempo para prever flutuacoes Elemento 6 Indicador de temperatura Funcao Monitora a temperatura do processo Sugestao de melhoria Integrar alertas de temperatura alta ou baixa com instrucoes automaticas para correcao Elemento 7 EntradaSaıda de fluxo de gas ou vapor Funcao Controla o fluxo de gases Sugestao de melhoria Incluir animacoes para representar o movimento do fluxo de gas ou vapor Elemento 8 Conexao para sistema de seguranca Funcao Pode estar associado a sistemas de seguranca como alıvio de pressao ou fechamento automatico Sugestao de melhoria Inserir uma funcao que mostre a integridade do sistema de seguranca Elemento 9 Valvula de escape Funcao Permite o escoamento de fluido em caso de excesso Sugestao de melhoria Adicionar um aviso na tela quando a valvula for acionada Elemento 10 Controlador principal Funcao Responsavel pela automacao e controle centralizado do processo Sugestao de melhoria Um painel de resumo das atividades do controlador principal 7 14 14 Sistema Supervisorio para Tanque Um determinado sistema supervisorio muito usado na area petroquımica definiu um objeto composto denominado tanque Alguns atributos essenciais que esse tanque deve possuir incluem Sensor de nıvel preciso para medir a quantidade de fluido no tanque Sensor de temperatura para monitorar a estabilidade termica Sensor de pressao para garantir que o tanque nao opere em condicoes inseguras Valvulas de seguranca para evitar sobrepressao ou sobretemperatura 15 15 Definicao de SDCD Um SDCD Sistema Digital de Controle Distribuıdo e um sistema usado para automacao de processos industriais Ele distribui o controle entre diferentes con troladores que sao responsaveis por partes especıficas do processo Isso melhora a confiabilidade e a flexibilidade O SDCD e amplamente utilizado em plantas de grande porte onde diferentes setores do processo precisam ser monitorados e controlados em tempo real 16 16 Configuracao Basica de um SDCD A configuracao basica de um SDCD inclui Sensores e atuadores conectados aos controladores distribuıdos Controladores distribuıdos que gerenciam partes especıficas do processo Interface homemmaquina IHM que permite aos operadores monitorar e interagir com o sistema Um sistema de comunicacao que liga os controladores a IHM e aos sistemas de supervisao Caracterısticas principais incluem modularidade redundˆancia facilidade de integracao e suporte a diagnostico remoto 17 17 Vantagens e Desvantagens de um SDCD Vantagens Alta confiabilidade devido a redundˆancia Flexibilidade e escalabilidade para diferentes tipos de processos 8 Facilidade de manutencao com diagnosticos remotos Desvantagens Custo elevado de implementacao e manutencao Complexidade inicial de configuracao e integracao 18 18 Descricao dos Quatro Subsistemas de um SDCD O SDCD e geralmente dividido em quatro subsistemas principais A seguir cada subsistema e descrito com suas principais caracterısticas funcoes e elementos nas telas de supervisorio Aquisicao de Dados Caracterısticas Captura os dados dos sensores instalados no pro cesso Funcoes Coletar informacoes como temperatura pressao vazao e nıvel para que possam ser utilizadas no controle e monitoramento Elementos em tela Representacoes visuais de sensores e indi cadores de variaveis com suas leituras em tempo real Monitoracao e Operacao Caracterısticas Permite que o operador monitore o processo em tempo real e realize operacoes de controle Funcoes Garantir que o operador possa ajustar parˆametros acionar equipamentos e visualizar o desempenho do sistema Elementos em tela Graficos controles de valvulas botoes de ativacao de bombas e informacoes de status do processo Supervisao e Otimizacao Caracterısticas Avalia o desempenho global do sistema e aplica rotinas de otimizacao para melhorar a eficiˆencia do processo Funcoes Proporcionar relatorios de desempenho identificar falhas e aplicar correcoes automaticas Elementos em tela Relatorios de eficiˆencia graficos de tendˆencias e sugestoes de otimizacao Comunicacao Caracterısticas Conecta os diversos dispositivos do sistema SDCD como sensores atuadores e controladores 9 Funcoes Garantir a troca de informacoes entre os subsistemas e permitir o controle centralizado Elementos em tela Indicadores de conectividade status da rede e alertas de falhas de comunicacao 19 19 Graficos de Tendˆencia Os graficos de tendˆencia sao representacoes visuais que mostram a variacao de uma ou mais variaveis ao longo do tempo Eles sao utilizados para Acompanhar o comportamento de parˆametros crıticos como temperatura pressao ou vazao Identificar padroes e desvios que possam indicar problemas no processo Auxiliar na tomada de decisoes mostrando como as variaveis reagem as mudancas de controle Esses graficos sao fundamentais para o diagnostico preventivo e otimizacao dos processos industriais 20 20 Hierarquizacao de Alarmes e Intervencao do Operador Os alarmes podem ser hierarquizados de acordo com a criticidade da situacao Alguns exemplos de hierarquizacao incluem Alarme Crıtico Requer uma acao imediata do operador pois pode comprometer a seguranca do processo Alarme de Aviso Informa sobre condicoes que podem se deteriorar se nao forem corrigidas Alarme Informativo Fornece informacoes sobre o status do processo mas nao exige intervencao imediata O operador pode intervir na planta mediante uma situacao de alarme de varias formas Atraves de ajustes nos parˆametros do processo para resolver o problema detectado Acionando manualmente dispositivos de seguranca ou valvulas de alıvio Seguindo procedimentos de shutdown se necessario em caso de alarmes crıticos 10 21 21 Garantindo Clareza nas Telas de Sis temas Supervisorios Para garantir maior clareza ao operador nas telas de sistemas supervisorios e importante seguir algumas boas praticas Simplicidade Visual Evitar o excesso de informacoes na tela Mostrar apenas o que e necessario para o momento com opcoes de expandir de talhes se necessario Padronizacao Utilizar cores formas e sımbolos padronizados para fa cilitar o reconhecimento imediato de condicoes e variaveis Graficos de Tendˆencia e Alarmes Visuais Incorporar graficos de tendˆencia em tempo real e indicadores visuais claros para alarmes Feedback Visual Garantir que o operador receba feedback imediato das suas acoes na tela como mudancas de cor ou animacoes que representem a resposta do sistema Layout Intuitivo Organizar as informacoes de forma logica agrupando elementos relacionados para facilitar a navegacao 22 Conversao Para LADDER H 11 H 23 Equacoes Logicas As seguintes equacoes logicas foram analisadas A B C B D A B C D B C D A C E 12