Ementas sobre Automação Industrial e Seus Fundamentos

EMENTA 1 Histórico da automação industrial Automação no início da Revolução Industrial A evolução da automação durante a 2ª Grande Guerra As duas grandes divisões da automação industrial Evolução da automação de 1950 até os dias atuais EMENTA 2 Contatos Elétricos Classificação dos contatos Dispositivos acionadores dos contatos Dispositivos auxiliares para comando provocado Dispositivos auxiliares para comando automático 3 Lógica Lógica dos contatos elétricos Funções lógicas básicas e derivadas Álgebra de Boole EMENTA 4 Conceitos Fundamentais em Automação Definição dos níveis de automação Os Controladores Lógicos ProgramáveisCLPs Princípios de funcionamento de um CLP Linguagens de Programação dos CLPs 5 Princípios de Hardware Componentes de um CLP Características de Funcionamento Tipos de Memórias Dispositivos de entradas e saídas Transmissão de dados Arquitetura de Redes EMENTA 6 Sistemas Supervisórios e interfaces homem máquina Introdução e características Sistemas supervisórios Atividades de sistemas supervisórios HISTÓRICO DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL O homem sempre esteve em uma eterna busca de meios que lhe proporcionassem um menor esforço na fabricação de seus produtos Desde o advento da Revolução Industrial até os nossos dias temos presenciado a superação constante dos desafios a que o homem moderno se impôs a solucionar Sem dúvida alguma a automação industrial serviu de alicerce sólido para a edificação de todo o complexo sistema de informação que permeia todo processo produtivo hoje em dia HISTÓRICO DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Primeira Revolução Industrial Ocorreu na Inglaterra em meados do século XVIII A expansão do comércio no continente e o aprimoramento das técnicas de navegação que incrementaram o comércio marítimo aliados à farta mãodeobra e ao controle do Estado por parte da burguesia ingredientes estes que geraram grande acúmulo de capital permitiram a chamada Revolução das Máquinas HISTÓRICO DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Neste período surgiram a máquina de fiação o tear mecânico e o motor a vapor Por volta da segunda metade do século XIX tem início a segunda revolução industrial quando França Alemanha Itália e ainda EUA Japão e outros países também experimentam o glamour da industrialização O grande marco deste período é a utilização em grande escala da energia elétrica e do petróleo Novas tecnologias produzem ferramentas e máquinas mais modernas e eficazes HISTÓRICO DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Pela metade do século seguinte a grande maioria das indústrias já estão mecanizadas e no final deste a automatização de quase todos os processos já é realidade em sua totalidade Aí alguns autores já citam o início da terceira revolução industrial com o emprego generalizado dos computadores CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL Definição Segundo a ABNT o CLP é um equipamento eletrônico digital com hardware e software compatíveis com aplicações industriais Tem por objetivo implementar funções específicas de controle e monitoramento sobre variáveis de uma máquina ou processo CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL São equipamentos flexíveis que permitem desenvolver e alterar facilmente a lógica para acionamento das saídas em função das entradas Dessa forma podese utilizar inúmeros pontos de entrada de sinais para controlar pontos de saídas de sinais cargas VANTAGENS DA UTILIZAÇÃO DOS CLPS COMPARADOS AOS OUTROS DISPOSITIVOS DE CONTROLE INDUSTRIAL Menor espaço ocupado Menor potência requerida Reutilização Programável Maior confiabilidade CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL Fácil manutenção Maior flexibilidade Permite interface através de rede de comunicação com outros CLPs e microcomputadores APLICAÇÕES DO CLP O controlador lógico programável automatiza processos industriais de sequenciamento intertravamento controle de processos dentre outros Tem seu uso na área de automação da manufatura e de processos contínuos Exemplos máquinas industrias injetoras de plástico têxteis calçados equipamentos industriais para processo siderurgia papel e celulose petroquímica química alimentação APLICAÇÕES DO CLP 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 e prédios inteligentes Painéis sequenciais de intertravamento Controle de malhas APLICAÇÕES DO CLP Sistema SCADA Sistema de Supervisão e Aquissição de Dados Sistema de controle de estações Sistema de controle de células da manufatura ARQUITETURA INTERNA DO CLP Os controladores lógicos programáveis são constituídos basicamente de Fonte de Alimentação Bateria Unidade Central de Processamento CPU Memória Módulos de Entrada e Saída ARQUITETURA INTERNA DO CLP Configurações oferecidas pelos fabricantes de CLPs a Compacta CPU e todos os módulos de entrada e saída estão no mesmo Rack Um CLP deste tipo pode atender 80 das aplicações de automação mais comuns e simples ARQUITETURA INTERNA DO CLP b Modular A CPU e cada um dos módulos de ES são separados e montados de acordo com a configuração escolhida pelo usuário ARQUITETURA INTERNA DO CLP Obs O CLPs possuem eventualmente um dispositivo programador que em geral pode ser substituído por um computador ou ainda ser integrado ao controlador por meio de uma IHM Interface Homem Máquina que possibilita o envio ou edição de programas modificação de parâmetros de sintonia ou até mesmo consulta de valores de variáveis de processo DESCRIÇÃO DOS BLOCOS CPU É o elemento principal do controlador Responsável pela execução dos programas do usuário Endereçamento de memória Operações aritméticas e lógicas Relógio DESCRIÇÃO DOS BLOCOS Bateria Manter o circuito do relógio em tempo real Reter parâmetros ou programas memórias RAM mesmo em caso de perda de energia Guardar as configurações do equipamento Normalmente são utilizados baterias recarregáveis Neste caso é acrescentado circuitos carregadores DESCRIÇÃO DOS BLOCOS Fonte Converte sinal alternado em contínuo utilizado para alimentar as memórias CPU circuitos auxiliares DESCRIÇÃO DOS BLOCOS Memórias é o dispositivo responsável pela armazenagem de dados e programas utilizados durante o funcionamento do CLP Tipos de memória Memória do Programa Monitor Memória de Dados Memória do Usuário Memória de Imagem de Entradas e Saídas DESCRIÇÃO DOS BLOCOS a Memória do Programa Monitor Responsável pelo funcionamento geral do CLP e todas as suas atividades Não pode ser alterada pelo usuário São armazenadas em memórias do tipo não volátil PROM EPROM ou EEPROM Funciona de maneira similar ao sistema operacional dos microcomputadores DESCRIÇÃO DOS BLOCOS Permite a transferência de programas entre o microcomputador ou terminal de programação e o CLP Gerenciar o estado da bateria do sistema Controlar os diversos opcionais b Memória de Dados É a região destinada a armazenamento dos dados do programa do usuário DESCRIÇÃO DOS BLOCOS Valores de temporizadores contadores códigos de erros senhas de acesso São normalmente partes da memória RAM do CLP Esses valores serão consultados eou alterados durante a execução do programa do usuário Em determinados CLPs é utilizado uma bateria para reter os valores dessa memória em caso de queda de energia DESCRIÇÃO DOS BLOCOS c Memória do Usuário É onde se armazena o programa de aplicação desenvolvido pelo usuário Pode ser alterada pelo usuário Antigamente essa memória era do tipo EPROM Hoje são utilizadas memórias do tipo RAM utilizando baterias EEPROM ou FLASH EPROM DESCRIÇÃO DOS BLOCOS Também é utilizado cartuchos de memória que permitem a troca de programa com a troca do cartucho de memória A capacidade desta memória varia bastante de acordo com a marca modelo do CLP sendo dimensionadas em passos de programa DESCRIÇÃO DOS BLOCOS d Memória Imagem das EntradasSaídas Sempre que a CPU executa um ciclo de leitura das entradas ou executa uma modificação nas saídas ela armazena cada uma das entradas ou saídas em uma região de memória denominada memória imagem das entradas e saídas Essa região de memória funciona como uma espécie de tabela onde a CPU irá obter informações das entradas e saídas para tomar as decisões durante o processamento do programa do usuário DESCRIÇÃO DOS BLOCOS Circuitos Auxiliares Atuam em casos de falha do CLP a POWER ON RESET Quando se energiza um equipamento eletrônico digital não é possível prever o estado lógico dos circuitos internos DESCRIÇÃO DOS BLOCOS Para que não ocorra um acionamento indevido de uma saída que pode causar um acidente existe um circuito encarregado de desligar as saídas no instante em que o equipamento é energizado Quando o microprocessador assume o controle o circuito é desligado DESCRIÇÃO DOS BLOCOS b POWER DOWN Quando um equipamento é subitamente desenergizado O conteúdo da memória pode ser perdido Este circuito é responsável por monitorar a tensão de alimentação e em caso do valor cair abaixo de um valor prédeterminado o circuito é acionado interrompendo o processamento para avisar o microprocessador e armazenar o conteúdo das memórias em tempo hábil DESCRIÇÃO DOS BLOCOS c WATCHDOG TIMER É utilizado para garantir que caso o microprocessador tenha uma falha o programa não entre em loop o que seria um desastre É denominado Cão de Guarda Deve ser acionado em intervalos de tempo prédeterminados Caso não seja acionado ele assume o controle do circuito sinalizando uma falha geral DESCRIÇÃO DOS BLOCOS Módulo de ES Corresponde a conexão do controlador aos sensores e atuadores do processo As entradas podem ser do tipo digitais botões interruptores ou analógicas variáveis contínuas velocidade temperatura As saídas também podem ser digitais lâmpadas contatores ou analógicas servoválvula conversor de frequência DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA Módulos ou Interfaces de Entrada São comumente chamados de INPUT São as interfaces nos quais os sinais provenientes externamente de sensores chaves de fim de curso alimentam os controladores por meio de dados ou estados para que se tome as decisões necessárias baseado na programação realizada DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA Os módulos de entrada são basicamente dos tipos digitais variáveis discretas ou analógicos DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA Entrada digital Podem operar em corrente contínua 24Vcc ou alternada 110 ou 220VCA Podem ser do tipo NNPN ou PPNP No caso do tipo N é necessário fornecer o potencial negativoterra ou neutro da fonte de alimentação para que ela seja ativada No caso do tipo do tipo P é necessário fornecer o potencial positivo ou fase ao borne de entrada DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA As entradas de 24 Vcc são utilizadas quando a distância entre os dispositivos de entrada e o CLP não excedem 50 metros Caso contrário o nível de ruídos pode provocar disparos acidentais Obs Em qualquer um dos tipos é de bem usual uma isolação galvânica entre o circuito de entrada e a CPU Essa isolação é realizada por meio de optoacopladores DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA Isolação Galvânica é o termo utilizado para indicar dois circuitos elétricos ou eletrônicos que embora trabalhem juntos não há passagem direta de corrente entre eles EXEMPLOS DE ENTRADAS DIGITAIS a Botoeiras b Válvulas eletropneumáticas c Pressostato d Termostato DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA Entrada Analógica As interfaces analógicas permitem que o CLP manipule grandezas analógicas temperatura pressão enviadas por sensores As grandezas tratadas por esses módulos são normalmente tensão e corrente DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA Faixas de tensão 0 a 10 Vcc 0 a 5 Vcc 1 a 5 Vcc Faixas de corrente 0 a 20mA 4 a 20mA RESOLUÇÃO DAS ENTRADAS ANALÓGICAS É medida em bits Uma maior quantidade de bits permite uma melhor representação da grandeza analógica Exemplo Entrada analógica de 0 a 10Vcc com a resolução de 8 bits sensibilidade de 392mV b Resolução de 12 bits sensibilidade de 24mV c Resolução de 16 bits sensibilidade de 02mV EXEMPLO DE ENTRADA ANALÓGICA Termopar DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA Saída Digital Admitem dois estados lógicos acionado ou desacionado São implementadas de três formas a Saída digital a relé b Saída digital 24Vcc c Saída digital a TRIAC DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA Também costumase prover ao circuito um isolamento galvânico normalmente opto acoplador Outros exemplos de saídas discretas EXEMPLOS DE SAÍDA DIGITAL a Contactor b Motor c Válvula eletropneumática DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA Saída Analógica Convertem valores numéricos em sinais de saída em tensão e corrente Faixas de tensão 0 a 10 Vcc 0 a 5 Vcc Faixas de corrente 0 a 20mA 4 a 20mA EXEMPLOS DE SAÍDAS ANALÓGICAS Módulos PWM para controle de motores cc Módulos para controle de Servomotores Módulos para controle de motor de passo Módulos para interface homem máquina DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA Módulos de entradasaída remotos Não estão agregados ao corpo principal do CLP Encontramse próximos aos dispositivos de aquisição de dados sensores de pressão de movimento válvulas pneumáticas São interconectados ao CLP por meio de redes de comunicação CARACTERÍSTICAS DO MÓDULOS REMOTOS São utilizados geralmente em CLPs de grande porte e permitem a instalação de sistemas de ES localizados a distância maiores da CPU principal CARACTERÍSTICAS DO MÓDULOS REMOTOS Um subsistema de ES é composto por fonte de alimentação módulos de IO e adaptadores de comunicação Os subsistemas são geralmente conectados utilizando configuração serial ou estrela CARACTERÍSTICAS DO MÓDULOS REMOTOS A comunicação pode ser feita por par trançado cabo coaxial ou fibra óptica Há vantagens em relação a fiação de campo e custos de manutenção em grandes sistemas CARACTERÍSTICAS DO MÓDULOS REMOTOS Fatores para análise da utilização de módulos remotos Velocidade da comunicação do módulo remoto com a CPU CARACTERÍSTICAS DO MÓDULOS REMOTOS Possibilidade de interferência externa na rede Falhas do equipamento remoto Na ocorrência de falhas o sistema não pode ser prejudicado e a manutenção deve ser rápida CAPACIDADE DO CLP A capacidade do CLP é um parâmetro que é utilizado para classificação de controladores de processos no ambiente industrial Podem ser classificados como nano e micro CLPs CLPs de médio porte e CLPs de grande porte CAPACIDADE DO CLP a Nano e Micro CLPs Possuem pouca capacidade de conexões de entrada e saída de 20 para nano e 180 para micro Normalmente possuem somente entradas digitais São formadas por um único módulo ou placa CAPACIDADE DO CLP Apresentam baixo custo Tem reduzida capacidade de memória máximo 512 passos São utilizadas para controle de iluminação aquecimento e resfriamento controle de compressor e elevador etc Funcionam como relés inteligentes com saídas a relé de alta corrente porém com recursos de programação de microCLPs CAPACIDADE DO CLP Nano CLP Modelo CLW0210HRA Fabricante WEG 6 entradas digitais AC 4 saídas a relé 8 A Alimentação 100240 ACV CAPACIDADE DO CLP CLPs de Médio Porte São CLPs com capacidade de entrada e saída de até 3000 pontos digitais e analógicas Podem ser formadas por um módulo básico que pode ser expandido Costumam permitir até 2048 passos de memória que podem ser internas ou externas ou até modulares CAPACIDADE DO CLP Exemplos de Aplicações Máquinas de embalagem Máquinas ferramentas Maquinário para indústria têxtil Máquinas para produtos alimentícios Máquinas para produtos farmacêuticos CAPACIDADE DO CLP CLPs de Grande Porte São modulares e constituídos por uma fonte de alimentação CPU principal CPUs auxiliares CPUs dedicadas módulos de ES digitais e analógicos módulos de ES especializados acima de 3000 módulos de redes locais ou remotas São montados de acordo com a necessidade e complexidade da automação Geralmente são montados em um Rack que permite cabeamento estruturado CAPACIDADE DO CLP Exemplos de aplicações Controlador de processos de usinas de álcool e açucar Controlador de processos em linhas automotivas Controlador de processos em produções de petróleo e mineração PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO CLP Estados de Operação Um controlador pode assumir os seguintes modos a Modo de Espera PROG ou OFFLINE Quando está sendo programado ou parametrizado b Estado de Operação RUN ou ONLINE Quando está executando um programa c Estado de Erro ERROR ou FAULT Caso ocorra alguma falha no controlador PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO CLP a Modo de Espera PROG ou OFFLINE Neste modo o CLP para a execução do programa ou seja não assume nenhuma lógica de controle ficando preparado para ser configurado receber novos programas ou modificações no programa residente OFFLINE Fora de Linha PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO CLP b Estado de Operação RUN ou ONLINE O CLP trabalha em loop executando a cada ciclo de varredura cuja duração é da ordem de milisegundos uma série de instruções referentes aos programas presentes em sua memória Estado em que o controlador executa o programa do usuário PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO CLP c Estado de Erro ERROR ou FAULT Sinaliza caso ocorra alguma falha no controlador PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO CLP O CLP funciona de forma sequencial fazendo um ciclo de varredura em algumas etapas É importante observar que quando cada etapa do ciclo é executada as outras etapas ficam inativas O tempo total para realizar o ciclo é denominado CLOCK Isso justifica a exigência de processadores com velocidades cada vez mais altas PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO CLP O tempo de varredura é o tempo gasto execução de um ciclo de varredura Esse tempo é dependente dos seguintes fatores Número de instruções Velocidade do CLP Tipos de instruções Lógica contador temporizador aritmética PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO CLP Início Verifica o funcionamento da CPU memórias circuitos auxiliares estado das chaves existência de um programa de usuário emite aviso de erro em caso de falha Desativa todas as saídas PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO CLP Verifica o estado das entradas Lê cada uma das entradas verificando se houve acionamento O processo é chamado de ciclo de varredura Compara com o programa do usuário Através das instruções do usuário sobre qual ação tomar em caso de acionamento das entradas o CLP atualiza a memória imagem das saídas PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO CLP Atualiza as saídas As saídas são acionadas ou desativadas conforme a determinação da CPU Um novo ciclo é iniciado Transfere os dados para memória Após o ciclo de varredura o CLP armazena os resultados obtidos em uma região de memória conhecida como memória de imagem de entradas e saídas Recebe esse nome por ser um espelho de estado das entradas e saídas PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO CLP Essa memória é consultada pelo CLP no decorrer do processamento do programa desenvolvido pelo usuário EXERCÍCIOS 1 Quais são os blocos que fazem parte da estrutura do CLP 2 Descreva a função de cada bloco do CLP RESPOSTAS 1 CPU memórias circuitos auxiliares fonte módulos de ES e bateria 2 a Fonte Converte o sinal alternado em corrente contínua para alimentar a CPU memória circuitos auxiliares b Bateria Manter o circuito do relógio em tempo real c CPU é o elemento principal do CLP gerencia todas as atividades do CLP responsável pela execução dos programas do usuário endereçamento de memória operações aritméticas e lógicas e controle do relógio Memórias d Memória do programa monitor Similar ao sistema operacional Responsável pelo funcionamento do CLP ou seja de todas as suas atividades e Memória de Imagem de Entradas e Saídas Nela são armazenadas as informações das entradas e saídas f Memória de Dados É utilizada para armazenamento dos dados do programa como temporizadores contadores senha códigos de erro g Memória do Usuário É utilizada para armazenamento do programa do usuário Circuitos Auxiliares a POWER ON RESET Desliga todas as saídas assim que o equipamento é ligado para evitar danos ou acionamento indevido de uma saída b POWER DOWN Monitora a tensão de alimentação Em caso de queda de energia comunica a CPU para salvar os dados c WatchDog Timer Cão de guarda É acionado de tempo em tempo para evitar que o programa entre em loop RESPOSTAS Nano e micro CLPs 20 a 180 entradas Capacidade de memória de até 512 passos Médio porte Até 3000 pontos entradas Capacidade de memória de até 2048 passos Grande porte acima de 3000 pontos Diversidade de CPUs principal auxiliares e dedicadas e módulos remotos 4 Explique as etapas sequenciais do princípio de funcionamento do CLP 5 Cite dois tipos de entradas digitais e analógicas RESPOSTA 4 Início verifica Lê o estado das entradas transfere os dados para memória compara com o programa do usuário e atualiza as saídas 5 Entradas digitais Botão botoeiras Válvula eletropneumática Entradas Analógicas Sensores de temperatura pressão Escreva o programa em LADDER para cada porta lógica a Porta NOT b Porta AND c Porta NAND d Porta OR e Porta NOR f Porta OREXCLUSIVE g Porta NOREXCLUSIVE Escreva o programa em LADDER de cada uma das expressões a S A B A C b S A B C B c S A B C D d S A B C A D PROGRAMAÇÃO EM LADDER 9 Projete um circuito para monitoramento de uma bateria de 15 Volts A tensão na bateria é convertida em digital e representada por um número binário de 4 bits sendo que cada bit equivale a um degrau de 1V O circuito deve alertar o usuário sempre que a tensão da bateria for menor que 9 V PROGRAMAÇÃO EM LADDER 10 Desejase projetar um circuito que controle um forno elétrico utilizado para fabricação de uma peça que suporta temperatura até 70⁰C Para isso devese utilizar um termômetro digital que para temperatura de 20ºC estabelece em sua saída um sinal binário de 4 bits equivalente a 0011 A cada aumento de 5ºC adicionase um bit ao valor anterior 11 Elaborar um programa capaz de desligar uma serra elétrica sempre que a mão do operador se aproximar de forma perigosa das lâminas Considera um sistema composto de uma máquina de raiox utilizada para verificar o interior das embalagens em um processo de fiscalização As embalagens passam pela máquina por intermédio de uma esteira rolante Escreva um programa em LADDER que execute esta operação É importante salientar que só é permitida a entrada de uma embalagem por vez na máquina Dica utilize um sensor de presença na entrada I1 e outro na saída I2 PROGRAMAÇÃO EM LADDER 15 Um sistema de embalagem é composto por duas esteiras transportadoras A esteira 1 é responsável por alimentar o sistema com produtos a granel já a esteira 2 com as caixas de armazenamento Quando o sistema for inicializado através do acionamento da chave seccionadora I1 a esteira 1 é acionada para alimentar o sistema com os produtos à granel No entanto somente se tiver alguma caixa de armazenamento na esteira 2 A esteira 2 permanecerá travada nesta condição Ao atingir o valor referente ao número de produtos que serão embalados a esteira 1 é travada enquanto a esteira 2 é acionada Ao chegar uma nova embalagem vazia a esteira 2 é travada e a esteira 1 volta a ser acionada I2 SENSOR DE PRESENÇA I3 SENSOR DE PRESENÇA PROGRAMAÇÃO EM LADDER I2 SENSOR DE PRESENÇA PRODUTOS À GRANEL Q1 ESTEIRA 1 I3 SENSOR DE PRESENÇA VAZIA VAZIA ENCHENDO Q2 ESTEIRA 2 CHEIA