Automação Industrial - Guia Completo Unicesumar EAD

G R A D U A Ç Ã O ME FÁBIO AUGUSTO GENTILIN Automação Industrial Híbrido GRADUAÇÃO Automação Industrial Me Fábio Augusto Gentilin FICHA CATALOGRÁFICA C397 CENTRO UNIVERSITÁRIO DE MARINGÁ Núcleo de Educação a Distância GENTILIN Fábio Automação Industrial Fábio Augusto Gentilin Maringá PR UniCesumar 2020 Reimpresso em 2021 288 p Graduação EaD 1 Automação 2 Industria 3 Produção EaD I Título CDD 22 ed 629892 CIP NBR 12899 AACR2 ISBN 9786556151366 Impresso por Bibliotecário João Vivaldo de Souza CRB 91679 Fotos Shutterstock Pró Reitoria de Ensino EAD Unicesumar Diretoria de Design Educacional Equipe Produção de Materiais NEAD Núcleo de Educação a Distância Av Guedner 1610 Bloco 4 Jd Aclimação Cep 87050900 Maringá Paraná wwwunicesumaredubr 0800 600 6360 Diretoria Executiva Chrystiano Mincoff James Prestes Tiago Stachon Diretoria de Design Educacional Débora Leite Diretoria de Graduação e Pósgraduação Kátia Coelho Diretoria de Permanência Leonardo Spaine Head de Produção de Conteúdos Celso Luiz Braga de Souza Filho Gerência de Produção de Conteúdo Diogo Ribeiro Garcia Gerência de Projetos Especiais Daniel Fuverki Hey Supervisão do Núcleo de Produção de Materiais Nádila Toledo Supervisão Operacional de Ensino Luiz Arthur Sanglard NEAD NÚCLEO DE EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Reitor Wilson de Matos Silva ViceReitor Wilson de Matos Silva Filho PróReitor de Administração Wilson de Matos Silva Filho PróReitor Executivo de EAD William Victor Kendrick de Matos Silva PróReitor de Ensino de EAD Janes Fidélis Tomelin Presidente da Mantenedora Cláudio Ferdinandi DIREÇÃO UNICESUMAR EXPEDIENTE BOASVINDAS Reitor Wilson de Matos Silva Neste mundo globalizado e dinâmico nós trabalhamos com princípios éticos e profissionalismo não somente para oferecer educação de qualidade mas também acima de tudo gerar a conversão integral das pessoas ao conhecimento Baseamonos em quatro pilares intelectual profissional emocional e espiritual Assim iniciamos a Unicesumar em 1990 com dois cursos de graduação e 180 alunos Hoje temos mais de 100 mil estudantes espalhados em todo o Brasil nos quatro campi presenciais Maringá Londrina Curitiba e Ponta Grossa e em mais de 500 polos de educação a distância espalhados por todos os estados do Brasil e também no exterior com dezenas de cursos de graduação e pósgraduação Por ano produzimos e revisamos 500 livros e distribuímos mais de 500 mil exemplares Somos reconhecidos pelo MEC como uma instituição de excelência com IGC 4 por sete anos consecutivos e estamos entre os 10 maiores grupos educacionais do Brasil A rapidez do mundo moderno exige dos educadores soluções inteligentes para as necessidades de todos Para continuar relevante a instituição de educação precisa ter pelo menos três virtudes inovação coragem e compromisso com a qualidade Por isso desenvolvemos para os cursos híbridos metodologias ativas as quais visam reunir o melhor do ensino presencial e a distância Tudo isso para honrarmos a nossa missão que é promover a educação de qualidade nas diferentes áreas do conhecimento formando profissionais cidadãos que contribuam para o desenvolvimento de uma sociedade justa e solidária tanto havia algo a mais nessa história algo que mais tarde faria parte da minha formação pro fissional Eu comecei a me perguntar o porquê de cada peça as marchas os materiais de que eram fabricadas as diferentes peças a posição dos componentes etc Aos poucos fui me tornando seletivo e deta lhista Quando avistava uma bicicleta de longe já poderia dizer quais eram as peças e fabri cantes Comprava revistas sobre bicicletas e procurava desmontar tudo para ver como era o funcionamento e como manter a melhor for ma possível Hoje posso dizer que isso já se passou há 27 anos e ainda continua a ser feito Bicicletas após bicicletas eu ainda pedalo estudo e ana liso cada tecnologia que está ao meu alcance sempre tentando entender o porquê de cada material formato alinhamento tecnologia etc Analiso cada relação de transmissão entre di ferentes marchas para decidir qual a melhor para cada situação desempenho distância velocidade grau de exigência massa tempo de manutenção tipos de lubrificantes tipos de terreno etc com gráficos e projeções que podem responder a muitas perguntas sobre minha prática no ciclismo e sobre a Engenharia das bikes Gosto de afirmar que quando pedalo meus pensamentos atingem um nível mais elevado e passo a raciocinar de maneira mais criativa Na estrada somos todos iguais pois estamos sujeitos às mesmas dificuldades afinal subida é subida não importa o que você tenha de equi pamento vai ter que se esforçar para vencer aquele desafio e cada morro ultrapassado uma vitória é somada Naquele ambiente resta ape nas a humildade não há espaço para mais nada É assim que vivo parte dos meus momentos pedalando e contemplando a natureza sempre curioso por saber como funcionam as coisas esforçandome para vencer as ladeiras da vida e buscando aprender a humildade procurando aprender a fazer algo de novo para melhorar a cada dia pois a subida da vida é implacável Currículo Lattes disponível em httplattescnpqbr8899424045058024 Aqui você pode conhecer um pouco mais sobre mim além das informações do meu currículo MEU CURRÍCULO MINHA HISTÓRIA Quando eu tinha 10 anos de idade na escola onde eu estudava havia um colega de sala que se sentava na carteira atrás da minha Ele tinha um caderno cuja capa tinha uma foto de uma bicicleta de corrida lindíssima por sinal Todos os dias eu pedia a ele para ver o caderno Ficava durante minutos admi rando aquela máquina da Engenharia cheia de detalhes e peças delicadas Naquele mo mento eu pensava quando eu crescer vou ter uma dessas O tempo foi passando e três anos mais tarde consegui ganhar do meu pai uma bicicleta bem interessante com um conceito diferen te daquele mas que era muito legal Come çava aí a paixão pelo ciclismo Eu não via a hora de ir para a escola só para pedalar ou para chegar o fim de semana para sair com os colegas de bicicleta Entre Quando identificar o ícone de QRCODE utilize o aplicativo Unicesumar Experience para ter acesso aos conteúdos online O download do aplicativo está disponível nas plataformas Google Play App Store IMERSÃO RECURSOS DE REALIDADE AUMENTADA sempre que encontrar esse ícone esteja conectado à internet e inicie o aplicativo Unicesumar Experience Aproxime seu dispositivo móvel da página indicada e veja os recursos em Realidade Aumentada Explore as ferramentas do App para saber das possibilidades de interação de cada objeto PODCAST professores especialistas e convidados ampliando as discussões sobre os temas PÍLULA DE APRENDIZAGEM uma dose extra de conhecimento é sempre bemvinda Posicionando seu leitor de QRCode sobre o código você terá acesso aos vídeos que complementam o assunto discutido PENSANDO JUNTOS ao longo do livro você será convidadoa a refletir questionar e transformar Aproveite este momento EXPLORANDO IDEIAS com este elemento você terá a oportunidade de explorar termos e palavraschave do assunto discutido de forma mais objetiva EU INDICO enquanto estuda você pode acessar conteúdos online que ampliaram a discussão sobre os assuntos de maneira interativa usando a tecnologia a seu favor APRENDIZAGEM CAMINHOS DE 11 69 37 109 7 Automação Industrial AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Comunicação de Dados Digitalização Tecnologia de Automação de Processos Industriais 1 3 2 4 PROVOCAÇÕES INICIAIS APRENDIZAGEM CAMINHOS DE 195 141 257 169 229 Introdução à programação do CLP Sensores Industriais e Robótica Solução de Problemas Com CLP Integração Programação de CLP Aplicada 7 5 9 6 8 INICIAIS PROVOCAÇÕES Imagine que você está escolhendo o seu novo modelo de smartphone e está navegando no site do fabri cante apreciando as opções que cada um tem as cores disponíveis para cada modelo aquele design e tudo isso alinhado com o investimento a ser feito Agora você já decidiu por um modelo Checa as opções de pagamento e seleciona a que menos impacta no seu orçamento Pronto Já finalizou a compra no site e só resta esperar para que seja entregue na sua porta Eis que começa a expectativa e a ansiedade O pensamento é instantaneamente voltado para a chegada do novo apetrecho de comunicação É como se uma lâmpada que estava apagada se acendesse e ligasse o alerta Você já começa a imaginar os detalhes do aparelho nas suas mãos as funcionalidades e até mesmo o toque na superfície que até então só havia visto na tela do computador Afinal ao vivo sempre tem mais detalhes que não dá pra ver na tela Mais do que rápido você já procura saber o código de rastreio do objeto comprado e passa a acompa nhar periodicamente as atualizações em um aplicativo de rastreamento vendo em qual cidade está em quanto tempo vai chegar torcendo para que ninguém faça greve enquanto não chegar a mercadoria caso contrário o coração para de bater Passamse alguns dias e finalmente a espera chega ao fim o entregador aperta a campainha e anuncia que sua encomenda chegou Nesse momento a espera termina o tão esperado novo smartphone chega Você assina o papel sem muito capricho afinal quer logo abrir o novo brinquedo O desembrulhar da embalagem é cuidadoso pois lá dentro há um aparelho sensível todo cuidado é pou co para não arranhar a tela Cuidado que irá diminuir depois de algum tempo de uso O dedo indicador pressiona cuidadosamente o botão liga Uma mensagem cintilante aparece no mostrador Fantástico Ele funciona Ao verificar cuidadosamente todos os detalhes seus olhos atentos concluem chegou tudo bem O aparelho é exatamente aquele que eu escolhi Neste momento a ansiedade termina o ciclo se completa A cura imediata para a angústia da espera chegou e até que chegou rápido Você suspira aliviado O telefone veio acompanhado de um carregador especialmente feito para ele que quando conectado ao smartphone e plugado na tomada carrega pela primeira vez a bateria pelo tempo de algumas horas conforme as instruções do manual do fabricante devidamente lido com atenção antes de usar o aparelho ou quase isso Ao vivo o aparelho é mais bonito do que na foto você diz ele tem detalhes que ainda não haviam sido notados quando escolheu na internet afinal a foto não consegue mostrar tudo Um breve momento de reflexão sobre as 12 parcelas que virão pontualmente todos os meses para saldar o valor do novo equi pamento mas agora vendo de perto você conclui que vale muito à pena e pensa em como irá usar para depois indicar para os amigos Impressionado você se pergunta quantos aparelhos iguaizinhos a este foram fabricados até hoje em todo o mundo Como é possível chegar tudo perfeitamente igual ao especificado pelo site do fabricante A cor AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL INICIAIS PROVOCAÇÕES é perfeita a tela é isenta de qualquer coisa que se pareça com um risco e o funcionamento é idêntico ao previsto Você sabe como esse nível de padronização pode ser atingido A automação industrial é a tecnologia que permite ao mercado oferecer produtos de qualidade com pa dronização e programação de entrega dentro das expectativas do cliente Para que isso seja possível as técnicas de automação contam com recursos inteligentes que envolvem máquinas programáveis capazes de tornar realidade uma ideia assim o projeto de um produto se torna fisicamente uma solução para os problemas que encontramos como a comunicação entre pessoas por meio de um aparelho smartphone As tecnologias envolvidas nas diferentes áreas da automação industrial permitem que cada vez mais tenhamos aprimoramentos nos itens de consumo e com isso a percepção se ajusta às novas tendências resultando em uma massa de pessoas com senso crítico cada vez mais exigente pois a referência de qualidade de um produto é até onde um similar chegou em sua evolução assim não encontramos um smartphone no mercado sem conectividade Bluetooth por exemplo desde que esta tecnologia foi lançada e se tornou uma realidade A automação estimula o desenvolvimento de diversas áreas assim como as empresas da área de tecnolo gia pois essas realizam a implantação dos recursos de hardware e software nos processos de fabricação a fim de tornálos autônomos necessitando de um mínimo necessário de mão de obra humana para sua execução A manufatura automatizada é sem dúvidas a chave para o sucesso se houver a necessidade de padroni zação atendimento a prazos planejamento atendimento a normas sofisticação replicabilidade relação custobenefício rastreabilidade segurança etc Realmente são muitos os atributos que podemos vincu lar ao uso da automação industrial E graças a tantos recursos de controle automático é que podemos contar com os fantásticos produtos que são frutos do desenvolvimento tecnológico da atualidade como no exemplo do smartphone cada vez menor e mais moderno ou dos carros que dirigimos com tantos recursos interativos Vamos aprofundar nossa análise utilizando mais uma vez o exemplo anterior Liste pelo menos 20 pes soas que você conhece e que utilizem smartphone Estabeleça uma coluna com os nomes das pessoas associadas às suas idades além de citar os modelos e os fabricantes dos aparelhos de cada um Perceba que alguns modelos se repetem em diferentes perfis de pessoas com diferentes idades enquanto que outros modelos são a preferência exclusiva de outras mas analise como se dá a padronização de cada modelo e tente apontar alguma diferença de tamanho cor ou peso entre eles Você deve notar que produtos industrializados são fabricados por processos automatizados contando com máquinas inteligentes programáveis recursos de software embarcado matériaprima de alta qualidade recursos de hardware altamente precisos uma vez que entre diferentes aparelhos de mesmo modelo as dimensões não variam perceptivelmente a olho nu Agora imagine se cada fabricante contratasse uma equipe de pessoas para fabricar seus smartphones se cada tarefa da manufatura fosse manual montagem pintura teste etc como seria o seu funcionamento E quanto ao Acabamento Todos os aparelhos seriam perfeitamente iguais INICIAIS PROVOCAÇÕES Considere que cada indivíduo se diferencia quanto ao quesito meticulosidade e que mesmo sendo minu cioso o melhor dos operários de uma linha de montagem pode estar mais ou menos disposto ao longo de seus dias de trabalho por motivos diversos e a qualidade dos seus serviços pode variar refletindo diferenças entre uma e outra peça produzidas talvez não no aspecto funcional mas sim no acabamento e muitas vezes a percepção pode degradar a imagem do produto Agora observe na sua casa os objetos mais utilizados em cada um dos diferentes espaços e realize uma análise mental de quantos objetos são fabricados por processos automáticos produtos padronizados com mesmo acabamento em qualquer lugar onde for adquirido e quantos foram fabricados manualmente Enumere um total de 20 objetos entre fabricados por automação industrial e por processos manuais Depois disso determine quantos cada tipo de produto está sendo utilizado na sua casa A Automação Industrial surgiu com a proposta de utilizar recursos tecnológicos programáveis aplicados a máquinas ou processos tornandoos autônomos capazes de realizar as tarefas de maneira isenta ou com redução significativa de intervenção humana ocorrendo em altas velocidades e ao mesmo tempo preservando a qualidade e a padronização desejadas Neste livro você será submetidoa a uma introdução ao universo da Automação Industrial e poderá apren der quais os recursos necessários para o projeto de um sistema automático industrial e também as suas limitações Você poderá entender como funcionam os principais equipamentos utilizados na automatização de processos e a sua interação para desta forma permitir que os indicadores de desempenho de uma manufatura sejam disponibilizados em bases computacionais indispensáveis para a gestão e otimização do processo produtivo A automação industrial é necessária sempre que um produto é comercializado em escala Em abatedouros de aves por exemplo onde cerca de 250000 aves são abatidas diariamente o armazenamento dos cortes congelados e resfriados deve ocorrer automaticamente uma vez que o ambiente refrigerado opera em temperatura de 29 C inviável para a presença de um operador manual A mesma situação ocorre na rastreabilidade dos lotes de produção em uma indústria farmacêutica onde cada uma das embalagens envasadas de medicamento deve ser cuidadosamente separada e enviada corre tamente para que possa ser vinculada à sua matériaprima em caso da necessidade de intervenção futura Além dos exemplos citados devemos olhar ao nosso redor e observar os objetos que nos cercam Desde a armação dos óculos de sol que você adquiriu até a maçaneta da porta da sua casa a automação industrial está presente Seu relógio de pulso o pneu do seu automóvel o tecido da sua roupa o chinelo confortável que usamos depois de um longo dia de trabalho o copo plástico do cafezinho o açúcar que adicionamos em nossos alimentos e o combustível de nossos veículos Em todas essas situações a automação industrial está sen do aplicada e não fica por aí há muito mais e vamos abordar ao longo deste livro Não deixe de conferir Conforme refletimos anteriormente e diante dos percentuais de produtos fabricados por processos au tomatizados e por processos manuais justifique mentalmente o porquê de cada item industrializado produzido pela automação industrial e imagine se eles fossem fabricados manualmente Caso fossem você iria adquirilos mesmo assim 1 OPORTUNIDADES DE APRENDIZAGEM Automação Industrial Me Fábio Augusto Gentilin Nesta unidade você irá se aprofundar no conceito de automação industrial e quais são suas principais aplicações e áreas de abrangência Também irá participar da construção das ideias das principais tecnologias e limitações desta área do conhecimento nos ambientes profissionais em processos automáticos os quais são executados para que a manufatura moderna esteja alinhada com os objetivos de produtividade da indústria 12 UNICESUMAR Você já observou as garrafas de refrigerante no supermercado Elas são praticamente todas idênticas não é mesmo Você notou que todas possuem rótulos de identificação e informações importantes como o respectivo lote de fabricação e data de validade impressas em sua superfície Além disso você já se perguntou como o líquido foi parar lá dentro com tal precisão que leva a todas as garrafas estarem devidamente cheias e tampadas Você já se perguntou como isso tudo é feito Será que há alguém que cola os rótulos manualmente enche manualmente as garrafas ou mesmo carimba cada uma com o número do lote e sua validade Ou há um processo que produz todas as garrafas em um piscar de olhos como em um passe de mágica Em um processo de fabricação de refrigerantes há uma grande base de automação industrial aplicada desde o recebimento das diferentes matériasprimas o processo de produção e envase até o envio para o mercado consumidor Todas essas etapas e muitas outras mais detalhadas geram dados importantes para que a fabricação de refrigerantes seja conduzida com sucesso Para que os recursos necessários à fabricação dos refrigerantes sejam disponibilizados precisamos entender que há uma cadeia de eventos envolvidos ao longo do processo que envolve desde a con tratação de recursos humanos qualificados à cada tarefa dentro da fábrica até o desenvolvimento de fornecedores de matériaprima que podem envolver embalagens e insumos utilizados na fabricação de cada tipo de refrigerante além da contratação das fontes de energia necessárias para acionar as máquinas envolvidas no processo demanda de energia elétrica água gases específicos etc As máquinas representam ativos importantes e consistem em investimento significativo à gestão do processo que necessita de manutenção constante para manterse operante o que justifica a contratação de equipe de trabalho especializada nas tecnologias envolvidas O processo de fabricação é então definido de acordo com as etapas necessárias à produção do refrigerante logo uma sequência de eventos define como as máquinas e insumos devem ser dispostos dentro do espaço disponível assim o processo será o mais rápido e eficiente possível Em um processo automatizado dispositivos sensores detectam a presença e ausência de objetos como o caso das garrafas em uma esteira e enviam esses dados ao controlador do processo que os converte em quantidade de garrafas Além disso para que ocor ra o envase uma válvula deve ser acionada pelo controlador isso significa que é necessário um atuador capaz de abrir o fluxo de refrigerante que adentra ao recipiente Note que temos dispositivos sensores controladores e atuado res em um sistema automatizado e que a partir desses elementos é possível obter dados importantes à condução do processo de fabricação como por exemplo identificar a quantidade de garrafas conforme e não conforme quantidade produzida por intervalo de tempo tempo de parada de máquina quantidade de pessoas trabalhando e o devido tempo consumo de energia consumo de insumos etc REALIDADE AUMENTADA Esteira transportadora de garrafas 13 UNIDADE 1 Todos esses dados são necessários para que o processo seja conduzido de maneira harmônica e sustentável mantendo o equilíbrio financeiro de uma fábrica Para isso cada dado é convertido em informações levando em consideração seu respectivo custo dentro do processo como a temperatura necessária para o cozimento de um insumo que consome energia ao longo do tempo e produz ao final de um ciclo dado volume de produção Isso significa que não apenas o dado temperatura é importante precisamos saber quanto consumi mos de energia para que esta temperatura seja produzida e sob qual custo investimento financeiro isso ocorre Isso define o conceito de integração e conversão de dados em informações em que o dado é apenas o valor da temperatura e a informação é o dado mais o seu valor agregado Tudo isso faz parte do cenário de um processo automatizado e replicase ao seu modo em todos os diferentes processos de acordo com cada perfil produtivo seja na produção de alimentos peças automotivas computadores smartphones aviões etc Neste momento vamos observar a automação em nosso meio a partir da análise de uma estrutura que todos utilizamos os tecidos de nossas roupas Neste momento tome como exemplo o tecido de uma peça de roupa que está vestindo Observe a trama dos fios e cada fio individualmente Note que cada forma elaborada da trama se repete ao longo do tecido de maneira uniforme e padronizada Certamente foi produzido por um processo automatizado desde a produção dos fios até a construção da trama do tecido Imagine como isso é possível em uma máquina automática e quais recursos são necessários para que todos os fios realizem seu trabalho e constituam o tecido de maneira aceitável pois se um fio se partir ao longo do processo o tecido estará perdido Com base no processo de fabricação de tecidos elabore uma lista dos recursos que acredita serem necessários para que o tecido seja produzido levando em consideração a necessidade de sensores para detectar falhas controladores para acionar os motores e atuadores da máquina e quais seriam os dados relevantes para o controle de qualidade 14 UNICESUMAR Leve em consideração que sempre devemos avaliar a necessidade de determinados recursos dado que de acordo com o grau de complexidade o custo de implantação pode ser elevado e a produção à qual se propõe deve ser justificada ou não haverá equilíbrio e sustentabilidade A necessidade de utilizar elementos de automação deve sempre levar em consideração o que se pretende automatizar ajustandose sempre o tipo adequado de sensor controlador ou atuador de modo a atender à demanda sem exageros mantendose o equilíbrio entre o custo de implantação e o que se pretende produzir utilizando esses recursos No caso proposto a máquina de tecer deve dispor de sensores para monitorar os fios nas diferentes agulhas monitorando quando cada uma executa a tarefa de introduzir o fio na trama além de senso res de avanço para que o motor de tração do tecido atuador seja acionado e a malha possa avançar Veja que em um simples exemplo notamos a necessidade de elementos sensores e atuadores e um controlador que decide quando como e o quanto o motor deve ser acionado de acordo com sua programação Esses recursos podem representar investimento que deve ser levado em consideração pois o repasse desses valores deverá ser feito sobre a capacidade de produção da máquina e assim haja equilíbrio entre investimento e lucro Perceba que a automação industrial consiste em um processo não apenas de elementos que tornam o processo funcional e automático mas sim que permita uma correlação entre as variáveis operacio nais do sistema e sua sustentabilidade que depende do acesso aos dados do processo e sua conversão em informações A automação em termos gerais está presente em várias atividades que envolvem a interação huma na desde o acionamento da ventoinha do sistema de arrefecimento de um motor automotivo até uma compra realizada via Internet O indivíduo contemporâneo está rodeado de dispositivos autônomos com a capacidade de realizar tarefas que otimizam o uso do tempo disponível cada vez mais escasso assumindo funções com as quais não precisamos nos preocupar pois já estão sob a supervisão auto mática de uma entidade de controle autônoma Quando um determinado processo é automático como a troca de marchas de um automóvel por exemplo não precisamos nos preocupar com esta tarefa que o sistema inteligente do veículo realiza no momento certo primando pelo desempenho e pela integridade do sistema mecânico restando tempo para que o condutor do automóvel possa se ocupar com outras atividades como aproveitar a viagem com segurança Note que a automação de determinado siste ma ou máquina depende de um agente controla dor ou sistema inteligente que tem a capacidade de interpretar sentenças de entrada ex tem peratura velocidade nível etc e realizar tarefas baseadas em ações predefinidas em um software acionar um ventilador com determinada veloci dade aquecer em determinada temperatura etc 15 UNIDADE 1 O conceito de automação está associado aos sistemas de controle automáticos em que um agente controlador realiza as tarefas previstas em seu programa que prevê cada ação para determinada combinação de entrada de acordo com o processo para o qual foi projetado Como a automação está presente em diversas áreas tais como a Automação bancária a comercial e a de postos de combustíveis o termo passa a ter especificidades de acordo com o segmento de utilização mas prevê características semelhantes No caso específico da Automação Industrial o conceito consiste em tornar automático um processo que se caracteriza como industrial utilizando para isto o uso de sensores controladores e atuadores devidamente construídos de acordo com as normas internacionais para suportar o ambiente agressi vo da indústria em termos de variação de temperatura umidade vibrações presença de substâncias contaminantes corrosivos interferência eletromagnética entre outros Além disso deve disponibilizar todas as variáveis para a base computacional promovendo a visibilidade do processo produtivo Automatizar um processo por sua vez significa utilizar entidades de controle associadas a sensores e atuadores que são as entidades de entrada e saída respectivamente de modo que uma máquina ou um processo tenha as suas variáveis funcionais conhecidas como variáveis de processo monitoradas para que intervenções possam ocorrer em variáveis controladas e assim produzir o resultado desejado Em outras palavras automatizar uma máquina ou um processo consiste em utilizar sensores que informam a um controlador o valor atual de uma variável e em função deste valor este atua promovendo a ação desejada dentro de limites definidos Um exemplo é a temperatura de uma sala climatizada em que um sensor de temperatura instalado no equipamento de arcondicionado informa a temperatura atual e o controlador compara com o valor desejado que poderia ser a título de ilustração 22 C e então aciona ou não o sistema de resfriamento de acordo com a necessidade e as características da ação de controle projetada no equipamento A automação industrial funciona utilizando vários princípios já dominados pela humanidade há muitos anos porém realiza as ações de maneira automática a partir de recursos programá veis para a definição de limites de operação por exemplo quando definimos a temperatura desejada em um aparelho de arcondicionado ou quando desejamos determinar a quantidade de produção de um produto industrializado Ao estabelecermos estes critérios contamos com a execução das tarefas sendo realizadas por uma entidade computacional que interpreta os limites impostos e controla o processo industrial para que os valores desejados sejam atendidos 16 UNICESUMAR Há diversos exemplos de processos que antes eram realizados totalmente pela ação humana e atualmente são automatizados e não necessitam mais de supervisão de uma pessoa para que as suas tarefas sejam realizadas com sucesso Exemplos triviais e cotidianos como o ciclo de degelo de um refrigerador ou um sistema de irrigação de áreas de cultivo os quais iniciam as suas atividades no horário programado e de acordo com as condições influenciadoras de seu funcionamento foram automatizados para ocorrer sem a necessidade da intervenção de um operador Poderiam ser citados muitos outros exemplos presentes no universo de tecnologias nas quais estamos imersos envolvendo o uso de smartphones e gadgets que cada vez mais facilitam e tornam o nosso modo de vida mais produtivo e agradável Entretanto o foco principal deste livro é a Automação Industrial e as menções a elementos que se relacionem com este tema são feitas com o objetivo de associar as tecnolo gias do uso cotidiano aos equipamentos que tomam decisões e realizam tarefas em ambiente industrial Na Automação Industrial propriamente dita a necessidade de automatizar tarefas veio acompanhada da necessidade de tornar o processo mais eficiente e produtivo e as diferentes tecnologias que encontra mos no ambiente industrial evoluíram em capacidade de automatização na mesma proporção em que surgiram novas descobertas e com isto o desenvolvimento de dispositivos capazes de armazenar dados em sua memória realizar tarefas rapidamente com cálculos matemáticos complexos ou comunicarse com outros dispositivos Foi em meados da década de 50 que algumas indústrias se destacaram ao automatizar os seus pro cessos de manufatura por meio de tecnologias que por sua vez evoluíram em uma velocidade até então nunca vista O exemplo mais claro que tivemos é o da indústria automobilística que na necessidade de aumentar a produção de carros com diferentes características diferentes modelos cores etc preservando a qualidade e a padronização começou a tornar automáticos os seus processos de linha de montagem limitado ao uso de tecnologias disponíveis na época que combinavam predominantemente o estado lógico dos contatos de relés relé é um dispositivo eletromecânico dotado de contatos e bobinas muito utilizado até hoje A tecnologia dessa época se limitava à pouca flexibilidade e qualquer alteração envolvia muito tempo e altos custos de implementação além de difíceis manutenção e operação Mais tarde com o desenvol vimento de componentes eletrônicos mais sofisticados os antigos relés foram substituídos por circuitos eletrônicos os quais evoluíram com o passar dos anos em escala exponencial ganhando a capacidade de serem programados e acessados remotamente Muitas pessoas acreditam que a Automação Industrial surgiu para diminuir os empregos substituindo as pessoas por máquinas que nunca descansam e produzem cada vez mais Como permanecer em um mercado em que pessoas podem ser substituídas por máquinas 17 UNIDADE 1 Desde este estágio de desenvolvimento em que um processo pode ser programado de acordo com o desejo de quem o utiliza as tecnologias de automação vêm evoluindo a cada dia na mesma velocidade em que computadores pessoais ou smartphones são lançados talvez com objetivos distintos mas com o funcionamento baseado nas mesmas limitações de tempo e necessidades de realização Quando nos referimos à Automação Industrial podemos classificála de acordo com as necessidades do processo a ser automatizado e dos tipos de tecnologias utilizadas sendo os sistemas de automação mais comuns CAMARGO 2014 Fixos Programáveis Flexíveis Integrados um produto químico de carac terísticas únicas dentre os de mais produtos fabricados pela mesma manufatura e que não permite o compartilhamento da mesma linha de produção com outros produtos dado o nível de especificidades presentes em sua produção A Figura 1 apresenta um bloco de um motor automotivo constituído por liga metálica em que são usinados espaços para componentes como pistões vál vulas eixos circulação de fluido refrigerante e demais elementos que permitem ao motor desem penhar suas funções Na Automação Fixa são utilizados basicamente dispositivos sensores atuadores e controladores in terligados por condutores fixos ao propósito para a qual essa automação foi desenvolvida É adequada a processos com fins específicos como a produção de determinada peça automotiva Figura 1 ou de Figura 1 Bloco de motor automotivo produção automatizada 18 UNICESUMAR Neste caso se houvesse a necessidade de produzir um tipo de peça ou um produto químico diferente haveria alterações no processo de automação o que teria custos elevados e demanda de tempo para os ajustes das especificidades do novo produto No caso da Automação Programável as alterações podem ser realizadas por softwares programas que definem como o processo se comportará Os softwares envolvidos na solução programável devem permitir a edição e a execução das tarefas as quais ficam a encargo de um dispositivo denominado Controlador LógicoProgramável também abreviado por CLP ou no inglês PLC Programmable Logic Controller conforme mostrado na Figura 2 Figura 2 CLP Controlador LógicoProgramável Se a automação é do tipo pro gramável o processo a ser au tomatizado deve permitir que diferentes ações possam ocorrer com limites ajustáveis de acor do com a necessidade e sem a intervenção humana Como exemplo temse um processo de envase de produto em uma indústria farmacêutica mostra do na Figura 3 em que o mesmo produto pode ser disponibiliza do em frascos de diferentes ta manhos e a mesma linha de pro dução deve atender à demanda Figura 3 Processo de envase industrial As intervenções para a rea lização de alterações na Auto mação Programável envolvem mudanças menos onerosas se comparadas ao caso anterior Automação Fixa e normal mente resultam em poucos ajustes no programa do CLP ou no posicionamento de sensores demandando menos tempo e custo para adaptação Se o processo reúne características comuns aos dois formatos antes mencionados Automação Fixa e Programável o tipo de automação passa a ser flexível CAMARGO 2014 Esta técnica permite que a mesma linha de produção que fabrica um produto específico seja programável e tenha o menor custo possível de intervenção para que alterações sejam realizadas Isto depende inclusive da redução de tempo consumido para que as manobras por exemplo de troca de ferramentas ou de ajustes sejam realizadas sempre que um modelo diferente de produto for iniciado na linha automatizada como mostra a Figura 4 19 UNIDADE 1 Na automação integrada há um nível de evolução e conectivida de até então não documentado no presente livro que se estende a estágios de desenvolvimento industrial do ponto de vista de um produto por exemplo um molde de injeção utilizado para produzir uma peça plástica do retrovisor de um veículo Este exemplo referese a um produto específico que depende de um projeto o qual por seu turno envolve o seu dimensionamen Figura 4 Exemplo de automação flexível to que está ligado à sua forma e portanto a um desenho mecânico Para o desenho transformarse em molde há uma série de softwares envolvidos para que todas as características do produto sejam verificadas Quando a automação é integrada os estágios de desenho produção e manufatura da peça são as sistidos por computador sendo respectivamente denominados CAD Desenho Assistido por Compu tador PCP Planejamento e Controle da Produção e CIM Manufatura Integrada por Computador A Figura 5 apresenta um exemplo de desenho assistido por computador de um motor automotivo ilustrando o uso de sistema CAD Figura 5 Desenho de motor automotivo desenvolvido em ambiente CAD 20 UNICESUMAR Estas tecnologias permitem que uma indústria seja integrada a todos os estágios de produção de um determinado produto desde o seu projeto até a sua manufatura O uso desta técnica permite que haja visibilidade dentro do processo industrial indispensável para tomadas de decisões estratégicas e cor porativas como selecionar fornecedores sintonizar tempo de entrega de matériaprima contratação de demandas pessoal espaço energia etc executar a manufatura e entregar o produto ao cliente de acordo com o prazo estipulado no ato da compra e finalmente atender aos objetivos da maioria das empresas obter lucro pela fidelização do seu cliente A Automação Industrial está comprometida com a sustentabilidade da manufatura de tal forma que desde a aquisição de matériaprima até a venda do produto final ela deve permitir o acesso às infor mações em tempo real para que todos os estágios envolvidos na fabricação de determinado produto por uma manufatura automatizada produzam resultados reais e fiéis ao sistema gestor É muito importante ressaltar que ao nos referirmos à Automação Industrial em termos de dados e informações notamos que existe uma diferença entre ambos cujos dados se referem às variáveis do processo como temperatura nível vazão quantidade de peças produzidas etc enquanto as infor mações são as variáveis do processo agregadas a seus respectivos custos operacionais durante deter minado tempo e como exemplo disto temos o caso de uma caldeira mostrada na Figura 6 a qual para produzir vapor à temperatura de 350 C consome 085 tonelada de combustível ao custo de R 5000tonelada por hora 21 UNIDADE 1 Figura 6 Caldeira industrial O fato de a caldeira consumir o combustível resulta em uma conversão de energia antes em forma de combustível que pode ser na forma de madei ra por exemplo em calor no caso o vapor Essa conversão consome recursos financeiros e a sustentabilidade do processo depende de acompanhamento em tempo real das variáveis en volvidas e do estudo de quanto o processo produz consumindo dada quantidade de energia ou seja medindose a sua eficiência que é a capacidade de converter a energia de entrada combustível em calor vapor Note alunoa que a diferença entre os termos dados e informações é determinante para que possamos analisar o sistema de Automação Industrial em termos de sustentabilidade e que um termo depende do outro para a manufatura existir e funcionar pois se os dados não forem fiéis ao evento mensurado as informações refletirão realidades incorretas e os rumos administrativos da manufatu ra e as suas decisões estratégicas podem resultar em colapso do sistema como erros de aquisição na quantidade de matériaprima perdas por falhas no controle de qualidade despesas com horas extras de funcionários consumo excessivo de energia etc O resultado será a inviabilidade operacional Imagine uma fábrica de automóveis e toda a sua complexidade Há uma preocupação muito grande entre atender às metas de produção e aos rigores do controle de qualidade logo como manter este equilíbrio de maneira sustentável 22 UNICESUMAR A maioria das indústrias automatizadas utilizam sistemas gestores capazes de interligar os dados do processo produtivo em uma única base computacional ERP Enterprise Resource Planning permi tindo que os diferentes setores da empresa acessem e processem as informações de acordo com a sua área Por exemplo temse uma indústria de móveis que compra madeira como matériaprima para fabricar mesas CORRÊA et al 2007 A Figura 7 mostra um diagrama que ilustra a interação entre os diferentes setores na mesma base de controle e acesso ERP Figura 7 ERP Gestão das necessidades da empresa Essa empresa do exemplo necessita de um cadastro de fornecedores com diferentes tipos de madei ras um cadastro de funcionários para realizar a produção dos móveis com diferentes habilidades e um cadastro de clientes com diferentes perfis para quem serão vendidos os produtos processados Os diversos setores desta empresa se interessam por acessar dados que se alinham com as suas áreas de atuação Assim o setor de compras da empresa se interessa em saber qual volume de matériaprima comprar quando e como adquirir e como pagar e para isto tem acesso ao cadastro de fornecedores enquanto o departamento financeiro depende do acesso aos clientes para realizar o trâmite da venda e a equipe de produção está cadastrada no departamento pessoal RH da empresa Para que o sistema gestor ERP possa apontar os rumos da manufatura é preciso que os dados do processo sejam corretamente inseridos na base computacional pois se a quantidade de material utilizado for contabilizada erroneamente ou se o número de peças que não atenderam ao controle de qualidade for omitido a compra de matériaprima e o produto entregue ao cliente final sofrerão impactos que podem determinar a sustentabilidade da empresa Atualmente há sistemas mais avançados utilizados por grandes corporações que além de integrar os dados do planejamento das necessidades da manufatura permitem também o planejamento da execução desta são os sistemas MES Manufacturing Execution System ou sistema de execução de manufatura A Figura 8 ilustra um processo de fabricação de motores em que a execução da manufatura depende de planejamento para que cada etapa ocorra de acordo com as metas da empresa ESTOQUE SERVIÇO RECURSOS HUMANOS MRP COMPRAS CRM VENDAS FINANÇAS PRODUÇÃO 23 UNIDADE 1 Figura 8 Linha de montagem exemplo de aplicação de MES No ambiente do MES é comum que os dados do processo interajam com todos os módulos necessá rios à execução da manufatura de tal maneira que desde os fornecedores até as equipes de trabalho de compras e vendas e também os clientes possam se interligar de modo que os fornecedores tenham acesso aos dados do estoque da manufatura Eles podem intervir automaticamente assim que determi nada quantidade do produto atingir um número crítico O cliente pode acessar a qualquer momento a informação relativa à quantidade de unidades disponível para compra do produto desejado sim plesmente utilizando um sistema com acesso a uma base de dados integrada por meio da Internet É importante entender que automatizar processos não consiste apenas no fato de tornálos capazes de resolver tarefas de maneira autônoma há um conceito fundamental envolvido neste contexto que é a integração dos dados do processo Esta técnica está alinhada com a transparência nas informa ções dentro de uma manufatura e será retomada mais adiante neste livro em que serão definidas as interações dos processos automáticos com a gestão integrada de recursos de um processo industrial 24 UNICESUMAR No ambiente industrial há diversas tecnologias que se aplicam ao controle de processos todas com objetivos distintos e arquiteturas adaptadas a resolver cada tipo diferente de problema Quando um profissional de Automação Industrial se depara com o projeto de um sistema automá tico deve sempre considerar que a solução para o problema deve ser eficiente e sustentável escolhendo tecnologias que se ajustem adequadamente a cada situação sem exageros ou sem faltar funcionalidades necessárias para o bom funcionamento do sistema de automação Atualmente é possível encontrar uma série de tecnologias que podem resolver o problema mas a variedade de opções pode confundir os menos familiarizados Selecionar a solução correta é muito importante para equilibrar o custo do investimento e as necessidades do projeto Para iniciar um projeto de Automação Industrial há diversas técnicas porém uma das mais comuns é realizar o levantamento das variáveis de entrada e saída do sistema de controle e os seus respectivos tipos a classificação dos tipos de variáveis e dispositivos será abordada mais adiante Normalmente denominamos de TAGs as entidades de entrada e saída de um projeto de automação e a determinação da quantidade de TAGs define o valor do investimento e as dimensões da obra além da complexidade envolvida no projeto Para iniciar o levantamento dos TAGs é necessário analisar o processo a ser automatizado levando em conta que há uma relação entre entradas processamento e saídas conforme mostrado na Figura 9 Figura 9 As saídas são resultantes do processamento do valor das entradas Fonte o autor PROCESSAMENTO CONTROLADOR SAÍDAS ENTRADAS Σ 25 UNIDADE 1 As saídas do sistema de processamento são dadas em função do valor fornecido pelas entradas ou seja são resultado de ações de controle que decorrem de cálculos matemáticos executados em alta velocidade os quais determinam o estado ou os valores das entidades de saída Para entender melhor devemos associar os termos às suas funções Normalmente são as entidades que fornecem um indicador para o processo Podem informar o estado lógico de um determinado está gio por exemplo se uma peça passou por uma esteira ou o valor de uma variável como a temperatura atual da água que passa por uma tubulação São os dispositivos de entrada que informam à entidade de processamento o valor ou o estado de entrada para que em função desse valor sejam estabelecidas ações adequadas Exemplos de dispositivos de entrada são chaves sensores de pro ximidade sensores de variáveis analógicas vazão pressão tempe ratura nível etc teclados botoeiras contatos auxiliares chaves fim de curso entre outros dispositivos que podem introduzir um dado no estágio de processamento Esses dispositivos podem ter natureza digital analógica ou via barramento de dados e são disponibilizados em diversos padrões elétricos os quais serão abordados mais adiante neste livro A Figura 10 mostra o exemplo de um sensor de proximi dade em uma planta industrial FRANCHI CAMARGO 2008 Figura 10 Sensor de proximidade detecção de presença em sistemas de controle industrial Dispositivos de entradas 26 UNICESUMAR Os dispositivos de saída ou atuadores são os responsáveis por ma nipular variáveis de acordo com a estratégia de controle imposta pelo controlador em função do valor ou do estado das entradas Os dispositivos de saída são acionados normalmente com a finalidade de controlar uma variável que denominamos Variável Controlada CV ou em algumas literaturas Variável Manipulada MV TEIXEIRA CAMPOS 2006 Podemos citar como exemplo de dispositivos de saída válvulas atuadores pneumáticos e hidráulicos motores reatores entre outros elementos que possuem a capacidade de manipular uma variável de acordo com um sinal de controle enviado pelo controlador Os dis positivos de saída assim como os de entrada podem ser disponibi lizados no formato analógico ou digital além de permitir casos onde os dados são enviados por exemplo via protocolo de comunicação em uma rede industrial Os padrões elétricos também podem variar em cada caso de acordo com o tipo e a aplicação A Figura 11 mostra um exemplo de válvula industrial sendo confi gurada pelo operador direto no processo Figura 11 Dispositivos de saída operador configurando válvula no processo industrial Dispositivos de saídas 27 UNIDADE 1 São os responsáveis pelo processamento ou pelo controle do pro cesso Realizam as suas funções préprogramadas de acordo com o valor de suas entradas que podem ser analógicas digitais ou de comunicação Normalmente as entidades de processamento ou os controladores industriais utilizados pela maioria das indústrias modernas são os CLPs Controladores Lógico Programáveis tipos de computadores adaptados aos tipos de dispositivos de entradas e saídas e que comportam a lógica de controle estabelecida em um programa editado em um computador pessoal e gravado em sua memória FRANCHI CAMARGO 2008 A capacidade de processamento dos CLPs é significativamente elevada com processadores de vários núcleos e memória de grande capacidade As suas funcionalidades atendem à operação em am bientes agressivos com a presença de umidade interferência ele tromagnética vibração variação de temperatura e outras situações que inviabilizam o uso de um computador pessoal para executar as funções de controle Uma característica importante do CLP é que normalmente um dispositivo desta natureza possui a capacidade de se comunicar com um computador em rede Essa capacidade lhe confere uma das fun cionalidades mais interessantes a integração de dados do processo Para exemplificar as tecnologias de Automação Industrial em uma aplicação trivial de nosso cotidiano analisemos o caso de um indivíduo que pretende tomar banho inicialmente devese abrir a válvula para permitir que a água acione o chuveiro pressupondose que este é um chuveiro elétrico comum com a chave seletora na posição inverno ou na água quente Notase inicialmente que a temperatura da água que imediatamente sai do chuveiro é aproximadamente a mesma temperatura do ambiente e que em seguida de acordo com a seleção da chave a água esquenta Neste momento o indivíduo manipula a válvula variando a vazão da água até atingir a temperatura desejada No exemplo dado a vazão de água é manipulada para a temperatu ra atingir um valor desejado e o sensor de temperatura que informa o valor atual para o controlador é a pele do indivíduo a qual em fun ção de sua intensidade atua com a sua mão na válvula modulando a vazão de água e obtendo como resultado a variação da temperatura O processo de interpretar o valor da temperatura com a pele e reagir a este estímulo atuando sobre a válvula é denominado como ação Dispositivos de controle 28 UNICESUMAR de controle Desta forma realizamos isso intuitivamente pois já o aprendemos ao longo de nossa evolução Perceba que a velocidade com que atuamos na abertura de uma vál vula depende da percepção que temos da relação entre a modulação dessa válvula em percentual de abertura e a resposta da temperatura na água em outras palavras ao manipularmos um pouco a válvula podemos notar que há maior ou menor mudança na temperatura O controlador deve estar ajustado corretamente por meio de cons tantes que o adequam a atuar de acordo com a dinâmica do processo ao qual será aplicado sendo necessário o conhecimento matemático das relações entre entrada e saída que remete ao uso de uma equa ção a qual por sua vez representa a resposta de um sistema físico ao estímulo de entrada conhecida como função de transferência ou por meio de métodos de sintonia A Figura 12 mostra um exemplo de malha de controle com as en tidades de entrada controle e saída em uma planta industrial Neste caso a válvula é acionada por CLP para controlar a pressão em uma indústria petrolífera Figura 12 Malha de controle industrial com ação PID 29 UNIDADE 1 Também são encontradas plantas controladas por dispositivos específicos com estratégia de controle no próprio atuador não necessitando de uma entidade de controle central como o CLP por exemplo para controlar o estágio do processo ficando este apenas conectado para monitorar e realizar ações de intervenção remotas Um exemplo dessa técnica é uma planta controlada por uma rede industrial Foundation Fieldbus que permite a alocação da inteligência do sistema de controle em uma entidade de campo como o posicionador da válvula de controle de vazão A automação industrial é a responsável pela potencialização da manufatura em um nível de pa dronização velocidade e volume de produção assistidas acessibilidade em tempo real dos dados do processo visibilidade de indicadores e consequentemente o controle de qualidade exigido pelo mer cado em padrões internacionais Em outras palavras quando abrimos a porta do refrigerador e compramos uma lata de refrigerante de uma loja de conveniência podemos ter a certeza de que o produto contido naquela embalagem apresenta o mesmo sabor em qualquer lugar ou a mesma quantidade que estamos acostumados a consumir graças ao processo automático utilizado para sua produção dosagem dos ingredientes envase armazenamento etc O mesmo resultado podemos esperar da fabricação de um computador smartphone carro tênis roupa relógio ou qualquer bem de consumo que a sociedade contemporânea consome e necessita que apresente grau de qualidade elevadíssimo alinhado com prazos de entrega cada vez menores para atender a padrões de satisfação crescentemente elevados em um mercado extremamente competitivo A automação industrial é inovadora e a cada dia se reinventa pelo mundo em diferentes áreas oferecendo possibilidades diversas para a produção em escala com qualidade e volume preservando sempre a máxima de minimizar desperdícios e tornar seus dados acessíveis para controle em tempo real gerando confiabilidade e permitindo a rastreabilidade dos produtos oriundos de seus processos 30 MAPA MENTAL O diagrama apresentado permite resgatarmos os principais termos que aprende mos ao longo dessa unidade e suas correlações assim as entidades de entrada controle e saída respectivamente sensores controlador e atuadores consistem na base tecnológica necessária para controlar um processo industrial e os dados produzidos são convertidos em informações para que a administração da empresa possa mensurar e tomar decisões estratégicas a respeito do andamento das metas de produção Neste momento vamos praticar o que vimos até aqui Com base nos principais termos utilizados em nosso estudo você deverá agora construir um diagrama que contemple os principais elementos e possam resumir o conhecimento adquirido nessa fase do estudo da automação industrial Para começar siga o exemplo dado Chegou o momento de pensar no que aprendemos até este momento Para isso vamos resgatar alguns termos importantes RECONHECIMENTO INFORMAÇÕES DADOS SENSORES ATUADORES CONTROLADOR AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL GESTÃO DA MANUFATURA GESTÃO DE INFORMAÇÕES DA PLANTA MEU ESPAÇO AGORA É COM VOCÊ 32 1 A automação permite que um sistema se torne autônomo e ao mesmo tempo acessível para os sistemas gestores conduzirem os rumos da empresa de acordo com os interesses corporativos De acordo com a leitura da Unidade 1 e das afirmações desta questão assinale a alternativa correta a A automação não permite a visibilidade e prima apenas pelo funcionamento do processo b Os resultados de gestão independem das variáveis do processo c A automação só existe em ambientes bancários e comerciais portanto não representam indi cadores válidos para indústrias d Uma das principais contribuições da automação é a visibilidade e a transparência que permitem ao gestor definir os rumos corporativos em termos de sustentabilidade e A Automação Industrial só se aplica às indústrias de bens de consumo sendo os demais setores denominados automação simples 2 Os CLPs são amplamente utilizados em automação de processos industriais dadas as suas ca racterísticas de integração dos dados oriundos de dispositivos instalados no campo Em relação a este assunto leia as afirmações a seguir I O CLP depende apenas de entradas e não utiliza saídas para controlar o processo pois possui a capacidade de se comunicar com o resto dos dispositivos via redes corporativas e industriais II Os sensores são dispositivos de entrada e os atuadores são dispositivos de saída III Os sistemas ERP não se comunicam com sistemas MES IV Um sensor é sempre um dispositivo de saída para o dispositivo controlador É correto o que se afirma em a I e II apenas b II apenas c I apenas d II III e IV apenas e I e III apenas 3 A Automação Industrial utiliza sensores e atuadores para automatizar processos Em relação ao uso de automação assinale a alternativa correta a Os dados convertidos em informações agregam valor ao processo b Em Automação Industrial dados e informações são tratados como a mesma entidade c Os dados não podem ser convertidos em informações em sistemas automáticos devido aos padrões elétricos utilizados d A automação se tornou muito onerosa e não representa solução para problemas em empresas pequenas apenas para indústrias de grande porte e Automatizar significa tornar um equipamento automático utilizando apenas um microcontrolador AGORA É COM VOCÊ 33 4 Demonstre como a integração de dados de um processo industrial pode contribuir para o desen volvimento da manufatura apresentando um exemplo e subsídios que validem a sua resposta 5 Os processos industriais podem ser automatizados conforme o seu perfil De acordo com a afirmação e a leitura da Unidade 1 assinale a alternativa correta a Na Automação Fixa as peças são fixas e as ferramentas não podem ser substituídas sendo utilizadas para vários tipos de produtos diferentes b A Automação Programável não é viável pois exige o uso de CLPs que não atendem aos padrões de compatibilidade eletromagnética c A Automação Flexível é aquela com características comuns da Automação Fixa e da Programável d Na Automação Integrada são utilizados computadores pois os CLPs não atendem à demanda e A Automação Programável é sempre viável não importa o volume de produção 6 Os sensores industriais apresentam características e naturezas de funcionamento específicas para cada necessidade A respeito desses sensores assinale a alternativa correta a Os sensores industriais podem ser apenas digitais sendo os analógicos restritos a aplicações científicas b Os padrões elétricos utilizados pelos sensores industriais são sempre os mesmos c Os sensores analógicos podem ser aplicados em Automação Industrial e atendem a mais de um padrão elétrico d Os CLPs não podem ser utilizados para controlar processos onde se deseja estabilizar a tempe ratura dentro de uma faixa específica pois não há sensores analógicos que possam ser utilizados por um CLP e Os sensores industriais não podem ser utilizados com microcontroladores pois os seus sinais são rápidos demais para serem coletados por esta tecnologia CONFIRA SUAS RESPOSTAS 34 1 D Uma das principais contribuições da automação é a visibilidade e a transparência que permitem ao gestor definir os rumos corporativos em termos de sustentabilidade pois sem os dados não há como de terminar se a produção atual corresponde ao valor desejado e com isso permite interações para correção dos rumos em tempo 2 B Os sensores são dispositivos de entrada e os atuadores são dispositivos de saída Assim conforme sua estrutura construtiva os sensores enviam sinais à entrada do controlador e os atuadores recebem sinais das saídas do controlador 3 A Os dados convertidos em informações agregam valor ao processo pois representam não apenas o valor da variável de interesse e sim o quanto custa para que essa variável assuma tal valor 4 A integração de dados torna o processo mais visível e transparente permitindo que a gestão tome decisões estratégicas inclusive para conduzir os rumos da corporação Sem acesso aos parâmetros funcionais ou aos dados do processo o gestor não tem visão do que se produz o quanto se produz e o quanto se perde para assim identificar o motivo das falhas e definir ações corretivas 5 D Na automação integrada são utilizados computadores pois os CLPs não atendem à demanda Os CLPs têm capacidade de processar dados do processo em baixo nível dados de sensores atuadores etc en quanto na automação integrada é necessário processar dados de diversos processos em alto nível Logo a necessidade dos computadores 6 C Os sensores analógicos podem ser aplicados em Automação Industrial e atendem a mais de um padrão elétrico Os padrões elétricos disponíveis para sensores analógicos são 0 a 10 V e 4 a 20 mA REFERÊNCIAS 35 CAMARGO V L A Elementos de Automação São Paulo Érica 2014 CORRÊA H L et al Planejamento programação e controle da produção MRP IIERP conceitos uso e implantação base para SAP Oracle applications e outros softwares integrados de gestão São Paulo Atlas 2007 FRANCHI C M CAMARGO V L A Controladores Lógico Programáveis Sistemas Discretos São Paulo Érica 2008 TEIXEIRA H C G CAMPOS M C M M Controles Típicos de Equipamentos e Processos Industriais São Paulo Blucher 2006 MEU ESPAÇO 2 OPORTUNIDADES DE APRENDIZAGEM Digitalização Me Fábio Augusto Gentilin Nesta unidade você terá a oportunidade de problematizar a respeito do universo da digitalização e como ela se aplica na automação industrial além de descobrir as técnicas de análise digitais que são essenciais ao processo de conexão entre os mundos analógico e digital bem como as principais tecnologias que possibilitam esse processo Nos dias atuais é muito comum observar as pessoas ao nosso redor utilizando dispositivos eletrônicos portáteis como smartphones laptops MP3 players etc Podemos notar que a maioria ou quase todos possuem teclas que permitem seu uso por exemplo aumentar o volume da música que está tocando escrever um texto ligar ou desligar o equipamento Normalmente essas teclas têm um funcionamento comum pois sempre que as pressionamos e depois soltamos elas retornam à sua posição original Quando pressionamos a tecla do interruptor para acender uma lâmpada a posição da tecla é alterada e permanece alterada mesmo quando a soltamos diferentemente do botão que pressionamos na câmera para capturar uma imagem pois após pressionálo este retorna rapidamente à sua posição original Todos esses exemplos utilizam uma tecnologia comum a digitalização Você já parou para pensar como isso acontece no seu aparelho smartphone sendo que há poucas teclas e os comandos vêm do toque na tela A digitalização estuda a relação entre os fenômenos discretos e seu comportamento Tudo o que é discreto nesse caso tem dois estados possíveis ativo ou inativo ou ligado e desligado Os casos nunca ocorrem simultaneamente por isso podemos afirmar que uma lâmpada ou está acesa ou está apagada Uma tecla ou botão ou está pressionada ou está liberada Não há estágio intermediário sempre uma ou outra sentença prevalece totalizando apenas dois estados lógicos possíveis Os smartphones modernos normalmente utilizam uma superfície sensível ao toque que se estende por toda sua tela assim quando o dedo do usuário por exemplo toca em uma determinada região da tela o software interpreta as coordenadas devidamente mapeadas e compara com a instrução deseja da assim ao tocar em uma tela touchscreen alteramos a capacitância naquele ponto permitindo ao software executar as tarefas como ampliar uma imagem zoom realizar uma ligação ou enviar uma mensagem de texto por exemplo 38 UNICESUMAR Neste momento vamos exercitar o que aprendemos até aqui analisando alguns exemplos da tecnologia da digitalização em nosso dia a dia observe ao seu redor itens que se enquadram neste contexto por exemplo interruptores de iluminação teclados dos computadores teclas dos smartphones botão liga desliga do rádio teclas da máquina de lavar roupas estado de uma lâmpada acesa ou apagada teclas de avançoretrocesso de música ou teclas de aumentar ou diminuir o volume em um MP3 player Esses são alguns exemplos de elementos que utilizam a digitalização e que fazem parte da vida de muitas pessoas todos os dias Com base nesta observação apresente 10 exemplos de itens de digitalização que fazem parte do seu dia a dia Pense em todos os dispositivos que podem assumir dois estados ligado ou desligado que estejam dentro do seu cotidiano podem ser contatos ou dispositivos acionáveis como motores lâmpadas solenoides etc O que acontece quando apertamos o botão de um controle remoto para ligar o televisor ou mesmo para trocar de canal Ou quando pressionamos a tecla de um controle remoto do portão eletrônico para sair da garagem com o carro A ação mecânica de pressionar um botão implica em fechar um contato que neste estado pressio nado altera seu estado de repouso para um novo estado podendo conduzir corrente elétrica contato normalmente aberto ou interromper seu fluxo no caso de um contato normalmente fechado Desta maneira quando um botão é pressionado e permite a circulação de corrente um compo nente eletrônico devidamente associado a este interpreta o sinal enviado por meio de seus contatos e realiza uma ação prevista para esta sentença assim podemos ter o acendimento de uma lâmpada acionamento de um motor ou mesmo trocar de canal do televisor O mundo digital utiliza sentenças de dois níveis onde ligado significa estado lógico 1 e desligado estado lógico 0 Eletronicamente isso corresponde a 5 V nível lógico 1 e 0 V nível lógico zero assim os controladores digitais interpretam em seus terminais devidamente configurados como entrada uma mudança de estado de 5 V para 0 V por exemplo podendo executar o acionamento de um dispositivo associado em seu terminal de saída como o acendimento de um LED ou o aumento do volume do televisor por exemplo Observe o contato eletricamente associado ao acendimento de uma lâmpada em sua residência Normalmente não há um controlador presente entre o interruptor e a lâmpada então o contato do próprio interruptor é que permite ou não a circulação de corrente para o acionamento da lâmpada A digitalização é a tecnologia que traduz uma ação em um nível lógico que pode ser interpretado por um dispositivo eletrônico como o pressionar de uma tecla no seu computador ou mesmo quando as latas de refrigerante passam na frente de um sensor instalado na esteira da sua fábrica o qual detecta sua passagem e por meio de um sinal elétrico introduz um dado que é utilizado para contabilizar sua passagem para um controlador que totaliza a produção da bebida em um processo de produção automatizado Procure observar os objetos que fazem parte de seu ambiente de trabalho casa ou carro e reflita como cada processo pode ser integrado a um ambiente automatizado imaginando quais tecnologias seriam necessárias para interpretar os diferentes tipos de sinais por exemplo como ocorre o controle automático de rotações do motor de um carro moderno Ou como um aparelho de ar condicionado é capaz de regular a temperatura automaticamente 39 UNIDADE 2 40 UNICESUMAR É quase impossível observar as maravilhas da Engenharia que nos cercam sem parar para se perguntar como veículos não tripulados sendo utilizados para monitorar regiões de risco funcionam Como os robôs de montagem e solda na indústria fazem um trabalho tão padronizado e preciso Como os aviões podem ser cada vez mais rápidos e seguros Como os satélites orbitam a terra e permitem o conforto de tantos serviços úteis como rastreamento de objetos em tempo real Como um tomógrafo pode obter as imagens internas de um paciente para o diagnóstico e tratamento de uma doença E tantas outras inúmeras maravilhas que nos cercam e intrigam com tanta grandeza Diante disso tudo você já se perguntou como isso é possível A resposta para essa pergunta é complexa mas pode ser sintetizada se analisarmos os processos automatizados sob a ótica de suas limitações estruturais Na maioria dos casos a regra do mundo da tecnologia da automação industrial é há dispositivos de entrada para informar o valor da variável de interesse no tempo e há o dispositivo controlador que possa manipular o processo que se deseja automatizar Ele tem o papel de analisar a combinação dos valores de entrada e atuar na saída Final mente existem os dispositivos de saída sob os quais aplicamos a ação desejada em função do valor das entradas Para ilustrar esse tema imagine que você esteja em uma sala de trabalho que tenha um aparelho de arcondicionado instalado e que a temperatura naquele ambiente é de 30 C Suponha que você gosta ria que a temperatura fosse de 23 C e rapidamente de posse do controle remoto do aparelho impõe este valor por meio das teclas que neste momento aparecem no mostrador do equipamento que agora ligado passa a resfriar o ambiente Lentamente a temperatura que antes era de 30 C passa a diminuir passando aos 29 C 28 C e assim sucessivamente enquanto o compressor do sistema de arcondicionado está operando na máxima rotação Após um intervalo de tempo de aproximadamente 4 minutos observase que um motor é desligado e o aparelho fica mais silencioso porém continua a soprar ar frio Devem ser os agradáveis e esperados 23 C Entenda que quando você estabelece o valor desejado da temperatura ao equipamento fixandoo a operar em 23 C o controlador de temperatura compara este valor com o valor da temperatura atual do ambiente 30 C por meio de um sensor dispositivo de entrada e então se inicia o processo de diminuição de temperatura por meio da atuação sobre um compressor do sistema de refrigeração dispositivo de saída Perceba que desde o pressionar do botão liga até todas as funções exercidas pelo controlador temos a digitalização ocorrendo uma vez que os controladores modernos são digitais Assim cada sentença de entrada ou de saída será convertida para níveis lógicos para que os controladores programáveis possam interpretar e atuar de maneira a automatizar os processos industriais ou mesmo no controle de um satélite veículo não tripulado robô de solda avião etc Quando nos referimos à Automação Industrial é fundamental o entendimento do termo digitaliza ção Esta técnica permite que estados de funcionamento em máquinas e processos sejam traduzidos em dados que possam ser processados por um elemento de controle computadorizado como um computador ou o Controlador LógicoProgramável CLP FRANCHI CAMARGO 2008 Como exemplo imagine uma lâmpada que está acesa Nesta situação o valor 1 é atribuído a seu estado lógico na memória do controlador e da mesma forma se estiver desligada então o valor 0 indica o seu novo estado 41 UNIDADE 2 A maioria dos equipamentos que utilizamos na atualidade possuem funções automáticas programáveis desde um relógio de pulso digital comum até um moderno smartphone As suas funcionalidades são possíveis graças ao processo de digitalização Este fato pode ser percebido no simples pressionar de uma tecla que muda de esta do e então como consequência ocorre uma ação como o acendimento de um mostrador digital ou a navegação na estrutura de menus do aparelho A Figura 1 mostra o funcionamento de um simples interruptor que representa uma das mais simples entidades presentes no universo da Automação In dustrial e também uma das mais utilizadas até hoje Ao analisar a Figura 1 você pode notar que há duas representações para o mesmo dispositivo interruptor a e b Em a o interruptor está aberto impedindo a circulação de corrente elétri ca em b o interruptor está fechado permitindo que o fluxo de elétrons circule INTERRUPTOR ABERTO INTERRUPTOR FECHADO a b Figura 1 Estados lógicos de um interruptor a aberto b fechado Fonte o autor Podemos constatar que o interruptor também co nhecido como chave possui apenas dois estados possíveis ou seja aberto ou fechado não há esta do intermediário meio aberto ou meio fechado Note que em a a representação considera que o interruptor é aberto e recebe a denominação Nor malmente Aberto ou simplesmente NA Na lite ratura internacional normalmente é referenciado como NO do inglês normally opened Em b a representação do interruptor é denominada Nor malmente Fechado ou NF que também pode ser encontrado como NC do inglês normally closed CHAVE LÂMPADA FONTE DE TENSÃO Para exemplificar a digitalização adotaremos um circuito trivial e cotidiano mostrado na Fi gura 2 composto de uma fonte de tensão elétrica um interruptor e uma lâmpada Figura 2 Diagrama elétrico de acionamento de uma lâm pada digitalização de estado lógico Fonte o autor Façamos a seguinte convenção suponha que há potência suficiente na fonte de tensão para acio nar a lâmpada porém esta se encontra desligada porque a chave está aberta em ambos os casos chave e lâmpada estão em estado lógico zero ou 0 pois a chave está aberta e a lâmpada está desli gada assim enquanto a chave estiver no estado em que ela se encontra não há fluxo de corrente elétrica e a lâmpada permanece desligada Por ou tro lado se o estado atual da chave passar para fe chada então haverá a circulação de corrente pelo circuito e a lâmpada acenderá chave e lâmpada passam ao estado lógico 1 e o resultado indica que sofreram alteração de estado lógico como indica a Figura 3 CHAVE LÂMPADA FONTE DE TENSÃO Figura 3 Diagrama elétrico de acionamento de uma lâm pada alteração de estado lógico Fonte o autor 42 UNICESUMAR Quadro 1 Estados lógicos do acionamento da lâmpada ENTRADA SAÍDA CHAVE LÂMPADA 0 DESLIGADA 1 LIGADA Fonte o autor Note que na Figura 3 a chave e a lâmpada estão com representações diferentes das mostradas na Figura 2 pois houve a alteração de estado lógico e como consequência disso ocorreu o acionamento da lâmpada Os diferentes estados lógicos que representam o funcionamento de um dispositivo determinam a sua operação e a representação 0 ou 1 define numericamente o seu estado em repouso ou acionado respectiva mente No caso do acionamento da lâmpada é possível resumir no Quadro 1 o funcionamento do processo Você deve interpretar o Quadro 1 em termos de entradas e saídas sendo as saídas resultado das combinações dos estados das entradas Neste caso o processo de acionamento da lâmpada tem uma entrada chave e uma saída lâmpada Note que enquanto a chave permanece em estado lógico 0 a lâmpada continua no seu estado de repouso ou apagada mas quando a chave recebe o estado lógico 1 a lâmpada passa ao estado ligada sendo também estado lógico 1 como mostra o Quadro 2 Quadro 2 Estados lógicos dos dispositivos POSSIBILIDADE ESTADO LÓGICO CHAVE LÂMPADA 1 0 EM REPOUSO APAGADA 2 1 NOVO ESTADO LÓGICO ACESA Fonte o autor O Quadro 2 mostra o resumo dos estados possíveis para cada tipo de dispositivo a chave e a lâmpada dadas no exemplo anterior Neste caso ambos os dispositivos podem assumir apenas dois estados em duas possibilidades distintas Note que na possibilidade 1 a chave em estado de repouso aberta não sofre alterações em seu estado lógico mantendo o seu estado de repouso No caso da lâmpada na possibilidade 1 ela se encontra apagada também com estado lógico 0 Concluímos portanto que o estado lógico 0 não altera o funcionamento do contato ou da lâmpada Na possibilidade 2 a chave se comporta com novo estado lógico 1 e apresentase fechada o que permite a circulação de corrente elétrica Assim a lâmpada que recebe o estado lógico 1 tornase acesa Note que em ambos os casos lâmpada e chave há apenas dois estados e duas possibilidades para cada dispositivo e a representação de uma ação está associada a um valor numérico estado 0 sem ação ou alteração de estado e 1 novo estado ou acionado Esta análise é válida para estudar o fun cionamento de qualquer processo em que algo é ligado ou desligado e computacionalmente falando associamos valores numéricos 0 ou 1 para indicar a ação ocorrida 43 UNIDADE 2 Quando um dispositivo apresenta o comportamento de operação de apenas ligar ou desligar sem uma opção intermediária dizemos que ele é do tipo booleano proveniente da lógica estabelecida por George Boole 18151864 publicado em 1854 em que o bit 0 tem o significado do estado lógico 0 e o bit 1 tem o significado do estado lógico 1 Para analisar processos em termos de digitalização é possível utilizar várias técnicas entre elas a das entradas e saídas em um sistema Esta técnica consiste em analisar e enumerar todas as entra das e saídas de um sistema e posteriormente a natureza de cada uma É a partir da posse dessas informações que a lógica de controle e automação se estabelece A Figura 4 ilustra a técnica com as suas entradas e saídas em um sistema de controle que pode ser uma ou mais entradas e também pode ter uma ou mais saídas dependendo da situação ENTRADAS CONTROLADOR SAÍDAS Figura 4 Sistema de controle relação entre as entradas a entidade de controle processamento e as saídas Fonte o autor 44 UNICESUMAR Note que o estado das saídas aqui representado pelo resultado depende do estímulo aplicado nas entradas e da lógica de controle representada pelo bloco de processamento Normalmente os sistemas automáticos que apresentam uma entrada e uma saída são denominados sistemas SISO do inglês SingleInput SingleOutput que significa uma entrada e uma saída Os sistemas de controle que apresentam mais de uma entrada e mais de uma saída são conhecidos como sistemas MIMO do inglês MultipleInput MultipleOutput que significa múltiplas entradas e múltiplas saídas Os sistemas de controle que possuem uma entrada e várias saídas são definidos como SIMO Sin gleInput MultipleOutput e os sistemas compostos de várias entradas e uma saída são definidos como MISO MultipleInput SingleOutput A Figura 5 apresenta o resumo dos tipos de sistemas de controle NISE 2013 Figura 5 Tipos de sistemas de controle relacionando as entradas e as saídas Fonte o autor Para ilustrar com um exemplo prático adotaremos um sistema de controle de nível de um reservatório dado na Figura 6 em que há três níveis possíveis vazio médio e cheio verificados pelos respectivos sensores de nível posicionados de acordo com a sua função Os sensores são dispositivos classificados como variáveis de entrada do sistema de controle pois é em função da combinação desses sensores que a saída do sistema mudará de estado Além dos sensores o tanque possui a válvula 1 denominada aqui variável de saída que con trola a entrada de água de acordo com as regras de funcionamento do reservatório predefinidas no controlador que é a entidade de processamento A válvula 2 é aberta ou fechada de acordo com a necessidade do processo e não depende neste caso da ação do controlador descrito Σ ENTRADA SAÍDA SISO Σ ENTRADAS SAÍDA MISO Σ ENTRADAS SAÍDAS MIMO Σ ENTRADA SAÍDAS SIMO 45 UNIDADE 2 Figura 6 Malha de controle de nível sensores são as entradas e a válvula a saída Fonte o autor No processo da Figura 6 temos portanto um sistema MISO pois contamos com três entradas e uma única saída Note alunoa que no caso do exemplo dado temos um pro cesso de controle de nível em que de acordo com o nível do reser vatório a válvula 1 será ligada aberta ou desligada fechada manipulando o fluxo de vazão de água que entra no tanque 1 As regras que definem se a válvula será ou não acionada depen dem da necessidade do processo Neste caso suponha que quando o tanque estiver vazio condição verificada pelo aparecimento da palavra vazio no sensor a válvula deverá ser acionada até que o nível atinja a condição de cheio condição verificada pelo apareci mento da palavra cheio no sensor Perceba que na medida em que o tanque é preenchido pela água o nível passa por todos os sensores vazio médio e cheio nesta ordem até preencher totalmente o volume do reservatório Desta maneira fazse importante entender que algumas situações são impossíveis neste processo Por exemplo é impraticável que o sensor cheio indique esta condição sem que os demais sensores também não indiquem pois o líquido obrigatoriamente precisa ter passado pelos sensores vazio e médio antes de atingir o nível cheio ENTRADA DE ÁGUA SAÍDA DE ÁGUA VÁLVULA 1 VÁLVULA 2 CHEIO MÉDIO VAZIO CONTROLADOR TANQUE 1 N N N A maneira com que os sen sores informam ao controla dor que há ou não um nível é por meio de sinais elétricos os quais uma vez associados ao controlador passam a represen tar estados lógicos conforme o exemplo da convenção Com água 1 Sem água 0 Assim na programação do sis tema de controle testamos o valor de cada sensor para saber com qual nível o tanque está preenchido A mesma ideia se estende à válvula Quando ela deve ser acionada o controlador envia um sinal elétrico capaz de mag netizar o seu atuador e como re sultado a vazão de água flui pela tubulação porém para a lógica de controle segue a convenção Válvula ligada 1 Válvula desligada 0 Mais adiante serão abordados os métodos de interação entre os estados das entradas e o ma peamento das possibilidades que resultarão no controle de um dispositivo Para se automatizar um pro cesso devemos inicialmente recorrer ao diagrama da Figu ra 4 levando em conta que é necessário sempre identificar quais são as entidades de en trada e de saída variáveis de entrada e saída de um sistema 46 UNICESUMAR de controle As entidades de entrada são aquelas que recebem os estímulos e portanto são sensíveis às variáveis e às ações externas como botões sensores nível vazão temperatura etc contatos auxiliares contatos de fim de curso etc As entidades de saída também conhecidas como Elemento Final de Controle são aquelas que recebem o comando de uma entidade de controle de acordo com a combinação das entradas e da lógica prevista para este evento A quantidade de entradas e de saídas pode variar e deve respeitar a relação de possibilidades pre vistas para as combinações de entradas caso a sua quantidade seja maior que 1 A regra que facilita a estimativa no número de possibilidades previstas por um sistema de controle é dada pela equação 1 P 2N Eq 01 Em que P é o número de possibilidades e N é o número de entradas do sistema Veja como ficaria o exemplo 1 em termos de entradas e de saídas 1º passo levantamento das entradas e das saídas No processo do exemplo 1 Figura 6 observe que há três sensores de nível cheio médio e vazio Conforme já definido as entradas são as entidades sensíveis aos estímulos portanto há três entradas Quanto às saídas notamos no exemplo citado que há apenas uma delas que é controlada a válvula 1 De posse destas informações podemos passar para o próximo estágio o qual envolve a digitalização De acordo com a equação 1 temos P 2N substituindo o número de entradas 3 em N fica P 23 logo P 8 possibilidades 2º passo elaboração do quadro verdade do processo De posse do número de possibilidades montamos um esquema com todas as combinações possíveis para o universo de entradas e saídas do sistema conforme ilustra o Quadro 3 Quadro 3 Possibilidades lógicas do sistema de controle de nível Possibilidade Entradas Saída Vazio Médio Cheio Válvula 1 0 0 0 1 2 0 0 1 X 3 0 1 0 X 4 0 1 1 X 5 1 0 0 1 6 1 0 1 X 7 1 1 0 1 8 1 1 1 0 Fonte o autor Analisando o Quadro 3 pode mos notar que temos na pri meira coluna à esquerda a re presentação das possibilidades 8 e na sequência outras três colunas representando as entra das sensores de nível seguidas da última coluna da direita com a saída válvula Primeiramente devemos en tender que a análise combinada dos estados das entradas resulta no acionamento da saída quan 47 UNIDADE 2 do o valor correspondente é igual a 1 No caso do exemplo podemos notar que a válvula será acionada apenas nas possibilidades 1 5 e 7 ficando desligada nas demais situações Nos casos em que a saída válvula apresenta o valor igual a 0 não ocorre o seu acionamento per manecendo em seu estado de repouso Por outro lado nas situações em que o valor da saída assume o valor X significa que há uma situação proibida que de acordo com a lógica seria impossível de acontecer a menos que um dos sensores apresentasse mal funcionamento mas essa situação não está sendo levada em conta em nossa análise Quando a saída é igual a 1 a combinação das estradas resulta no seu acionamento A saída em x indica situação impossível ou proibida Já quando a saída é igual a 0 não há acionamento Quadro 4 Identificando as linhas onde as saídas estão ativas Possibilidade Entradas Saída Vazio Médio Cheio Válvula 1 0 0 0 1 2 0 0 1 X 3 0 1 0 X 4 0 1 1 X 5 1 0 0 1 6 1 0 1 X 7 1 1 0 1 8 1 1 1 0 Fonte o autor Em análise ao mostrado pelo Quadro 4 concluímos que nas situações descritas nas possibilidades 1 5 e 7 a saída poderá ser acionada ou seja a válvula aberta Se adotarmos a convenção dada anteriormente podemos assumir que quando o sensor tem água 1 sem água 0 válvula ligada 1 e desligada 0 assim para cada uma das linhas 1 5 e 7 podemos dizer que sensor vazio e sensor médio e sensor cheio válvula Note o uso da letra e entre uma variável de entrada e outra que ilustra a relação de dependência entre elas É equivalente afirmar que o sensor vazio e o sensor médio e o sensor cheio combinados resultam no acionamento da válvula Esta condição ocorre ou na linha 1 ou na linha 5 ou na linha 7 apenas Nesta abordagem é utilizada a lógica ou a qual indica mais de uma sentença que pode permitir o acionamento da mesma saída Adotando as convenções para cada uma das linhas válidas temos Linha 1 0 E 0 E 0 1 Linha 5 1 E 0 E 0 1 Linha 7 1 E 1 E 0 1 48 UNICESUMAR As variáveis de entrada representadas pelos sensores de nível só podem assumir dois níveis sendo 1 ou 0 logo são variáveis digitais e podem ser representadas por diagramas de contatos que também funcionam da mesma forma assim como a válvula que tem o seu acionamento lógico semelhante ao de uma lâmpada ligada ou desligada1 ou 0 conforme já citado Assim substituindo os sensores por contatos e a válvula por uma lâmpada fica fácil de representar graficamente a lógica que permitiria o acionamento da válvula em cada uma das três situações previstas nas linhas 1 5 e 7 conforme mostrado na Figura 7 S LINHA 1 V VÁLVULA CHEIO MÉDIO VAZIO S LINHA 5 V VÁLVULA CHEIO MÉDIO VAZIO S LINHA 7 V VÁLVULA CHEIO MÉDIO VAZIO Figura 7 Acionamento da válvula pela combinação individual de cada linha do Quadro 4 Fonte o autor Você alunoa deve notar que a fonte de tensão V só poderá se conectar à lâmpada que representa a válvula se os contatos assumirem os seus estados lógicos conforme os diagramas da Figura 7 Entretanto simplificando de maneira a reunir as sentenças válidas em uma só imagem temos o diagrama da Figura 8 Perceba que cada contato representa o estado lógico de cada sensor do sistema visto que uma vez o tanque totalmente vazio a linha 1 permite o acionamento da válvula até que o nível atinja o sensor vazio Neste momento o sensor vazio muda de estado abrindose o contato e a válvula passa a ser acionada pela linha 5 pois o sensor vazio está fechado nela ao contrário da linha 1 agora aberta Esta condição se mantém até que o nível atinja o sensor médio Quando o sensor médio é atingido este estará aberto na linha 5 e não pode mais acionar a válvula porém na linha 7 esse sensor que estava aberto muda de estado e fica fechado permitindo que a vál vula permaneça aberta Desta forma o tanque será preenchido até o nível máximo ao atingir o sensor máximo que estava inicialmente fechado e quando ele é atingido pela água muda o seu estado e passa a ficar aberto desligando a válvula 49 UNIDADE 2 Figura 8 Diagrama de contatos do acionamento da válvula de acordo com a lógica combinacional Fonte o autor Você pode neste momento ficar confusoa pois a convenção dada anteriormente dizia que com água o contato seria igual a 1 e sem água seria igual a zero e no caso exposto essas situações se misturam então vamos explicar como ocorre esse processo adotando a seguinte linguagem quando um contato representado por um diagrama con forme na Figura 8 recebe o nível 1 ele altera o seu estado assim se ele é aberto passará a fechado e se ele é fechado passará a aberto Entretanto se o contato recebe nível 0 nada muda permanecen do como está no diagrama No caso do exemplo dado a presença de água significa nível 1 e a sua ausência nível 0 LINHA 5 S V VÁLVULA CHEIO MÉDIO VAZIO VAZIO VAZIO MÉDIO MÉDIO CHEIO CHEIO LINHA 1 LINHA 7 Na indústria são inúmeros os exemplos de digi talização aplicada Podemos citar desde o fecha mento de um contato de uma simples botoeira para ligar um motor ou o sinal de um sensor fim de curso no avanço de um atuador pneumático até sinais complexos de comunicação de dados entre dispositivos em uma rede industrial a qual por sua vez utiliza visão de máquina e algorit mos de inteligência artificial para identificar padrões em linhas de produção automatizadas CAMARGO 2014 As inovações tecnológicas ocorrem em uma velocidade em que é necessária a atualização cons tante das tendências que dominam o mercado como é o caso dos recursos de conectividade cujos dispositivos apresentam e permitem a monitora ção e o controle remotos alinhados por sua vez com tecnologias presentes na chamada indústria 40 em que o processo produtivo é totalmente autônomo e para cada sentença há uma ação automática 50 UNICESUMAR Analisemos um caso de digitalização em um processo industrial de uma indústria de peças auto motivas Quando o projeto de um modelo de carro é definido e a sua produção tem início todos os prérequisitos para a fabricação do modelo em questão devem contemplar no mínimo os seguintes itens lista de materiais fornecedores clientes tempo de produção layout produtivo fluxo de materiais planejamento estratégico etc mas é a digitalização que alimenta toda esta base Esta sentença nos permite concluir que caso a digitalização falhar todo o processo tende a falhar também pois se a informação referente ao número de voltas que o eixo do robô de solda realizou for contado a mais ou a menos o filete da solda pode ser aplicado de maneira insuficiente ou enfraquecida ou em outro caso excessiva e irregular impedindo a montagem das peças É a conversão de dados em informações utilizáveis para fins de gestão de um processo que define o motivo de a digitalização existir Imagine uma aeronave em velocidade de cruzeiro totalmente lotada com passageiros e tripulação Internamente na cabine de controle o piloto estabiliza a velocidade da aeronave baseandose nas informações produzidas pelos sensores os quais indicam a velocidade que o aparelho desenvolve Normalmente são sensores posicionados no nariz da aeronave denominados Tubo de Pitot como mostra a Figura 9 BALBINOT BRUSAMARELLO 2011 Figura 9 Tubo de Pitot sensores que permitem a medição da velocidade do avião Agora imagine que esses mesmos sensores estão congelados e informam para o controlador do avião um valor inconsistente A consequência disto será a tomada de decisões também inconsistente por parte dos pilotos da aeronave de tal forma que o avião pode entrar em rota de colisão e causar uma catástrofe Neste exemplo do avião e da leitura de velocidade a situação de uma indústria é a mesma não se pode controlar o que não se pode mensurar Este sem dúvida é o princípio da integração de dados que veremos com mais enfoque na Unidade 5 deste livro Como podemos concluir digitalizar significa converter em digital algum dado que se encontra em outro formato não digital de tal forma que possamos integrálo a uma base computacional capaz de realizar tomadas de decisões baseadas em regras específicas 51 UNIDADE 2 Quando observamos um processo industrial de controle por exemplo no qual um operador pressiona um botão e um motor é acionado para realizar o trabalho se fôssemos converter para a digitalização o dado de entrada botão e o dado de saída motor seriam integrados em uma base computacional CLP como bits 1 e 0 Assim o botão liberado seria igual a 0 e motor desligado igual a 0 e botão pressionado igual a 1 enquanto o motor ligado seria igual a 1 Quadro 5 Quadro 5 Estados de operação de uma máquina digitalização Botão Motor 0 0 1 1 Fonte o autor Quando os dados não são digitais ou seja não têm comporta mento definido entre apenas dois valores como o nível de um tanque a temperatura de um forno a vazão de água do processo etc a digitalização ocorre de maneira a converter a variação analógica do sinal de nível de temperatura de vazão etc em dados digitais que possam ser processados Afinal de contas o computador processa dados digitais então tudo o que for diferente do digital precisa de conversão por exemplo a con versão analógicodigital A Figura 10 apresenta a representação em diagrama de blocos da conversão ana lógicodigital entre um sinal de entrada analógico e o seu correspondente digital binário em bits formato que pode ser processado pelo microcontro lador do CLP ou pela entidade computacional utilizada Saída digital proporcional à entrada analógica bits Entrada analógica sinal de um sensor analógico Conversor analógicodigital ADC MICROCONTROLADOR ANALÓGICO DIGITAL Figura 10 Conversão analógicodigital sinal de sensor convertido em bits Fonte o autor Como exemplo de digitalização podemos citar um processo de controle em que o reconhecimento de uma imagem se faz necessário para que uma máquina possa selecionar uma peça por reconheci mento de padrões vinculado à inteligência artificial Este tipo de aplicação é cada vez mais comum em processos em que o nível de automação é avançado pois o processo detém autonomia para interpretar um sinal e tomar decisões automaticamente 52 UNICESUMAR Alguns casos mais claros da utilização desse tipo de tec nologia se dão em processos industriais que realizam o con trole de qualidade por meio de atuadores robóticos Neste caso o processo é composto de um sistema de visão de máquina iluminação câmera e contro lador de vídeo e um sistema de atuação robô Por exemplo na Figura 11 A em uma linha de produção de aparelhos telefô nicos um robô atua na seleção de peças monitorandoas e eliminando automaticamente aqueles que estão fora dos pa drões desejados Na Figura 11 B porém outro robô atua na indústria metal mecânica no controle de qualidade de me trologia verificando se as peças prontas atendem aos requisitos de qualidade selecionando as peças conforme e descartando as peças não conforme Figura 11 Visão de máquina utilizada na indústria robotizada seleção de peças de acordo com padrões específicos A aplicação na indústria de telefones e B aplicação na indústria metal mecânica A B O universo de uso de tecnologias baseadas em integração é praticamente infinito Há inúmeras possibilidades e vantagens como Controle de qualidade Rastreabilidade Monitoração em tempo real Controle de tempo e demanda Organização Padronização Velocidade Confiabilidade etc Como todo tipo de processo podemos citar al gumas principais desvantagens que se assume quando adotamos a digitalização Complexidade no projeto Investimento inicial Manutenção Necessidade de treinamento das equipes de operação e manutenção Necessidade de peças sobressalentes à dis posição 53 UNIDADE 2 Muitos processos justificam o uso da automação de alto nível em termos de recursos tecnológicos e equipamentos com capacidade de tomada de decisões outros processos não requerem tal de manda dadas as suas características logo o uso de integração deve ser analisado em cada caso para definir se ele realmente se faz necessário uma vez que a sua implementação requer mão de obra especializada e apresenta custo elevado de implantação Em contrapartida pode agregar velocidade padronização qualidade confiabilida de e outros atributos que tornam o produto final competitivo no mercado ao qual ele se submete Quando nos referimos à digitalização de vemos lembrar das tecnologias que estão utilizando este recurso e que evoluíram de mídia nos últimos anos como é o caso das gravações de áudio há algumas dé cadas elas eram feitas com a gravação em sulcos impressos na superfície de um disco plástico disco de vinil ou em uma fita magnética fita cassete ou K7 e com o passar do tempo foram do formato analógico para o digital convertendo os dados do disco e da fita em bits digital armazenáveis em memórias eletrônicas ou em mídias do tipo CD Compact Disc Atualmente existem diversas tecnologias capazes de armazenar os dados digitais não apenas os tradicionais CDs mas tam bém cartões de memória DVDs Bluray HDs pen drives etc com densidades cada vez maiores de dados tudo graças à digitalização 54 UNICESUMAR Quando os processos industriais são automati zados de modo a se alinhar com as tendências internacionais como a indústria 40 é necessário utilizar tecnologias adequadas para que o fluxo do processo e o produto final oferecido se aproxi mem dos padrões que ocupam lugar de destaque no mercado Com a exceção de poucos casos não há como competir em um mercado globalizado praticando métodos de fabricação manuais e rudimentares em que os padrões não atendem sempre ao mes mo produto ofertado havendo a necessidade de rastreabilidade e a comparação dos consumidores em relação à qualidade esses consumidores exi gem cada vez mais recursos dos itens consumidos sempre inovadores e do seu acabamento sem pre impecável e constante Exemplo claro em um item de consumo global é o smartphone Diversos são os fabricantes destes dispositivos Figura 12 que hoje utilizam o exemplo ocorrido no Japão no período posterior à Segunda Guerra Mundial meados de 1948 muitas técnicas foram introduzidas Just in Time Kanban etc para per mitir que a indústria japonesa se restabelecesse e se adequasse às necessidades do mercado da épo ca como no caso da indústria de automóveis que precisava em curto período de tempo fabricar diferentes carros com certa variedade de cores e elevados padrões de qualidade CORRÊA et al 2007 Figura 12 Smartphones fabricados em série padronização em nível de excelência Hoje a realidade é outra As tecnologias atuais permitem que o produto oferecido por uma mon tadora de carros Figura 13 ou por uma fábrica de celulares seja adequado ao mercado competitivo e que a velocidade de resposta seja cada vez maior ao mesmo tempo que os padrões de qualidade evoluem a cada dia na percepção dos consumi dores Consequentemente as linhas de produção para garantir este poder de resposta tornamse cada vez mais automatizadas pois processos ma nuais não permitem a velocidade e os padrões de qualidade replicáveis em níveis de globalização 55 UNIDADE 2 Baseado neste panorama his tórico e nas necessidades da indústria moderna várias tec nologias vêm sendo aplicadas para modernizar a forma de se produzir algo por exemplo a maneira de se acessar os dados do processo e de tomar decisões que podem ou não resultar em uma ação de resposta Para entender melhor o con ceito desta unidade abordare mos o processo de fabricação com três níveis hierárquicos apenas diretoria gestão e chão de fábrica No exemplo dado na Figura 14 a área de chão de fábrica é onde ocorre o proces samento da matériaprima em produto final Neste ambiente há máquinas e processos além de equipes de produção manu tenção testes projeto etc Figura 13 Montadora de automóveis moderna DIRETORIA GESTÃO CHÃO DE FÁBRICA nos dados do processo etapa de chão de fábrica produzem indicadores capazes de traduzir os rumos da produção em termos gerenciais ou seja já convertidos em valores que correspondem a custos de tempo e de dinheiro Esta análise será retomada com mais detalhes na Unidade 5 deste livro Perceba que no caso apresentado pela Figura 14 a informação é o que determina os rumos da empresa sendo necessário garantir a sua integridade ou seja fazer com que os dados do processo temperatura nível vazão pressão contagem de peças tempo de máquina em operaçãodesligada etc estejam corretos e não sofram alterações até passarem pela conversão de dados para informações As informações são compostas de dados que somados ao seu valor agregado representam o custo Figura 14 Hierarquia de uma manufatura Fonte o autor Na etapa de gestão ocorrem ações relacionadas ao fluxo de materiais entre a entrada e a saí da analisando sempre os dados e as informações relacionadas aos dados do processo Na etapa da diretoria são tomadas deci sões estratégicas em relação às informações fornecidas pela etapa de gestão que baseada 56 UNICESUMAR operacional de um processo Por exemplo uma caldeira para aquecer a água de 25 C até a tempera tura de 350 C consome 05 tonelada de combustível bagaço de cana em 30 minutos Estes dados de consumo de combustível no tempo permitem ao sistema gestor estabelecer uma relação de custo operacional para manter o processo em funcionamento e permitem estimar quanto custa fornecer o vapor à temperatura de 350 C Em resumo Informação Dados Valor Agregado Tempo Assim de posse dos dados temperatura do custo de cada tonelada de bagaço de cana e do tempo para realizar a tarefa proposta aquecer água à temperatura de 350 C é possível estimar quanto custa para manter o processo em operação e quantificar o quanto ele consumiu em termos históricos gerenciáveis que servem para fins de planejamento e comparação Esta operação é possível graças à digitalização do processo Este exemplo e muitos outros que ocorrem todos os dias nas indústrias pelo mundo precisam ser monitorados em tempo real para que a tomada de decisões ocorra no menor intervalo de tempo possível Para isto acontecer são utilizadas algumas tecnologias desenvolvidas para tornar transparen te o acesso aos dados como as redes industriais os controladores lógicoprogramáveis as interfaces homemmáquina e os sistemas supervisórios industriais FRANCHI CAMARGO 2008 Redes industriais FIELDBUS As redes industriais são tecnologias que interli gam dispositivos de uso industrial São equivalen tes às tecnologias que utilizamos para interligar os nossos computadores porém para propósitos específicos Por exemplo um dispositivo indus trial não precisa enviar um email ou um arquivo de imagem ou vídeo muito menos acessar dados bancários Um dispositivo industrial opera com status de funcionamento e executa comandos pro venientes de uma entidade denominada mestre LUGLI SANTOS 2011 Normalmente a quantidade de dados veicula da entre dispositivos industriais é bem pequena se comparada com o volume de dados que enviamos ou recebemos quando trocamos mensagens entre smartphones ou entre computadores pessoais na Internet Se fôssemos fazer a comparação entre o mundo das pessoas e o volume de dados que utilizamos diariamente na comunicação com o mundo das máquinas seria algo do tipo Humanos de milhões a bilhões de bits por dia Máquinas de alguns bits até milhares de bits por dia depende de cada tipo de dispositivo e a sua necessidade Analogia entre tráfego de dados e uma composição Fazendo apenas uma reflexão rápida imagine que uma composição N qualquer trem com 50 va gões precisa se deslocar da cidade A até a cidade B que fica a 100 km de distância e que a velocidade média desse trem é de 200 kmh além de neces sitar de 15 minutos para descarregar cada vagão na estação considere esta velocidade constante De acordo com este pensamento se o trem con segue percorrer 200 km em uma hora logo ele percorre 100 km em meia hora ou seja em 30 mi nutos Como ele tem 50 vagões e leva 15 minutos 025 h para descarregar cada vagão 50 x 025 h 125 h logo o trem sai da cidade A e leva 13 horas entre se deslocar e descarregar os seus vagões 57 UNIDADE 2 Acompanhando o mesmo raciocínio imagine outro trem qualquer M mas agora com um úni co vagão Ele percorre a mesma distância só que a sua velocidade é de 8 kmh Neste caso o trem leva o único vagão de A até B em 125 h s 100 km8 kmh e precisa de mais 30 minutos para descarregar o seu precioso e único vagão logo o tempo total é de 13 horas Os dois trens consomem o mesmo tempo para conduzir quantidades diferentes de vagões ou seja um tem 50 vagões e completa o seu ciclo em 13 horas e o outro com um único vagão leva 13 ho ras para percorrer a mesma distância O fato é que o conteúdo de cada trem é diferen te O trem N carrega carvão que apresenta valor agregado baixo e mesmo que esse trem se perca pelo caminho ou sofra qualquer dano durante a viagem não interferirá em seu propósito enquan to o trem M carrega pedras preciosas extraídas de uma montanha distante Esta carga não pode ser perdida e deve trafegar sob escolta e segurança re dobradas pois se uma pequena porção do conteú do do vagão se perder o prejuízo é muito grande Normalmente em redes de computadores os dados que trafegam são imutáveis Mesmo que esses dados sofram algum tipo de problema po demos enviálos novamente e continuam sendo os mesmos Por exemplo um arquivo que enviamos para a impressora do escritório mesmo que haja alguma falha na impressão se enviarmos nova mente para a impressora o resultado será o mes mo nada mudará naquele arquivo Quando nos referimos a dados de processos industriais estamos tratando de dados que so frem alterações no tempo ou seja se for realizada a medição da vazão acumulada de amônia em um trocador de calor por exemplo no tempo t1 seria um determinado valor após 15 segundos no tempo t2 já seria um valor totalmente diferente ou seja não sabemos como a variável vazão se comportou entre os tempos t1 e t2 Teremos ape nas aproximações mas serão incertezas nunca a noção real O caso do trem N que carregava carvão se assemelha aos dados das redes de computadores e o trem M é como a medição de vazão de amô nia Não podemos perder os dados nem por um instante logo a velocidade é relativamente baixa se comparada ao caso de 50 vagões 200 kmh mas a integridade dos dados e a necessidade de atender ao propósito permitem que os 8 kmh sejam tão rápidos quanto o caso anterior propor cionalmente falando Concluímos que na indústria o acesso aos dados é de primeira ordem ou seja não se pode perder nenhuma medição ou o sistema fica sem visibilidade e o resultado será uma gestão sem visão semelhante a dirigir o carro à noite sem acender os faróis em uma rua escura Arquitetura de rede dados na indústria Normalmente em uma rede industrial os dis positivos que integram os dados do processo vão desde pequenos sensores até controladores complexos e a comunicação entre eles depende de uma ordem entre quem fala e quem escu ta além de ser definido também quando falar e quando escutar Estes cuidados servem para evitar a colisão de dados e assim a perda de toda a comunicação isto ocorre quando as pessoas falam todas ao mesmo tempo e ninguém entende nada A Figura 15 apresenta um exemplo de rede industrial e de diferentes tipos de equipamentos comunicandose por meio do mesmo meio físi co e com um mesmo protocolo TANENBAUM SOUZA 2003 58 UNICESUMAR Figura 15 Arquitetura de rede industrial Fonte AllenBradley 2009 p 13 Para estabelecer essas regras de comunicação entre os dispositivos existem os protocolos de comuni cação que são conjuntos de regras capazes de definir como a troca de dados entre as entidades ocorre de fato Há diversos tipos de protocolos diferentes no mercado e estes se diferenciam de acordo com a aplicação de sua tecnologia seja em sensores em controle de velocidade de eixos de motores ou em transmissores multivariáveis Além dos protocolos de comunicação há os padrões que definem como os dados serão trocados entre os dispositivos que normalmente são elétricos via condutores elétricos magnéticos por meio de ondas eletromagnéticas e óticos utilizando fibra ótica estabelecendo o meio físico de interação entre cada dispositivo em uma rede de comunicação de dados O meio físico é um ambiente de uso comum dos dispositivos e para que cada um possa se identificar e assim enviar e receber as suas mensagens ocorre o funcionamento como no sistema de correios cada dispositivo possui um endereço que o distingue dentre os demais neste meio comum A ideia básica é que independentemente do tipo de dado que desejamos acessar o caminho per corrido entre a origem do dado e o seu destino deve ser transparente ou seja a via de dados não pode interferir em seu conteúdo assim um dado que representa a temperatura de um forno por exemplo localizado a 350 m de distância e informa ao sistema o valor de 560 C tem como significado que esse forno realmente está a essa temperatura não restando dúvidas ou correções a serem feitas Veja na Figura 16 como é complexa uma arquitetura de rede em uma indústria CLP CLP BARRAMENTO DE REDE INDUSTRIAL CONVERSOR PC CONVERSOR CLP INVERSOR DE FREQUÊNCIA RELÉ DE SOBRECARGA MÓDULO DE ENTRADAS E SAÍDAS 59 UNIDADE 2 Figura 16 Arquitetura de rede industrial com diversos tipos de dispositivos Fonte Mackay et al 2004 p 6 Na prática nem sempre foi assim Em vários casos as medições não ocorriam de forma adequada pois eram realizadas utilizando ligações diretas entre sensores e CLP via par metálico com sinais em tensão sofrendo perdas de sinal ao longo do caminho Foi justamente para este fim que as redes industriais foram implementadas para tornar transparente e visíveis as variáveis do processo com a confiabilidade necessária para a condução das tarefas de controle e produtividade Nesta unidade as redes industriais foram abordadas para representar o universo de soluções que a Automação Industrial oferece no sentido de digitalizar processos Mais adiante serão tratadas as de mais tecnologias detalhadamente em termos de redes industriais aplicadas incluindo as suas diversas topologias e as principais características que as distinguem das demais redes de dados que conhecemos Foram abordados temas importantes para a formação do Engenheiro no que se refere à digitalização Tratamos de assuntos fundamentais para a introdução dos conceitos de digitalização de processos exem plos tecnologias aplicadas e principalmente ideias que permitem entender o mundo com mais clareza O Engenheiro deve utilizar esses e os demais conceitos para interpretar de maneira mais refinada os processos industriais aos quais será submetido e assim ter argumentos quando se dirigir aos demais engenheiros da empresa no que se refere ao funcionamento e às necessidades tecnológicas do processo Nesta unidade o enfoque foi a importância de se obter os dados do processo para que a gestão seja efetiva com transparência e confiabilidade assuntos que serão tratados nas próximas unidades deste livro dado que para permitir a gestão dos recursos de uma manufatura é necessário ter acesso ao maior número de variáveis possível minimizando a chance de prejuízos desperdícios e gargalos de produção SALA DE CONTROLE REDE GESTORA MAINFRAME CORPORATIVO EBCDIC ESTAÇÃO DE TRABALHO ENGENHARIA IMPRESSORA COLORIDA DE ALTA VELOCIDADE BARRAMENTO ÚNICO DE REDE REPETIDOR MULTIPORTAS CONVERSOR DE MEIO PROTOCOL CONVERTER ESTAÇÃO DE OPERAÇÃO 1 ESTAÇÃO DE OPERAÇÃO 2 BARRAMENTO DE ALTA VELOCIDADE REPETIDOR FIBRA ÓPTICA DCS LINK REMOTO ANALISADOR REMOTO ASCII CONTROLADORES DE VELOCIDADE VARIÁVEL MOSTRADORES DE MENSAGENS LEITORES DE CÓDIGOS DE BARRAS MEDIDORES DE VAZÃO DISPOSITIVOS INTELIGENTES BARRAMENTO DE DADOS PLC CLP SENSOR LOCAL SCADA PLC TYPE A PLC TYPE B MODBUS GATEWAY DCS DATA HIGHWAY DCSPLC INTERFACE UNIT ETHERNET REMOTE TERMINAL UNITS RTUs DATA HIGHWAY INTERFACE UNIT SNA GATEWAY PUBLIC SWITCHED TELEPHONE NETWORK PSTN ROUTER 10BASE2 RS485 RS232 RS232 VAX REP G B G 1 2 3 4 10BASET MODEM MODEM MODEM HUB B MODEM 60 UNICESUMAR Com a integração dos dados do processo devidamente digitalizados a manufatura pode ser acom panhada remotamente por recursos de software e hardware e decisões estratégicas podem ser tomadas em curto intervalo de tempo reafirmando a necessidade de acesso aos indicadores de desempenho do processo os quais se estabelecem por meio dos dados acessados do processo industrial O alinhamento entre os objetivos produtivos de uma manufatura e as suas metas financeiras depen dem da leitura fiel das variáveis de campo dados do processo para que os sistemas gestores possam disponibilizar acesso confiável às poderosas ferramentas administrativas atualmente utilizadas por exemplo ERPs MES e PIMS que serão abordados mais adiante nesse livro Os conceitos de digitalização que foram abordados nesta unida de se referem a inúmeras aplicações práticas desde dispositivos de entrada como interruptores sensores de proximidade industriais encoders utilizados para traduzir o deslocamento angular de um eixo a detecção de objetos por meio de sensores em uma linha de fabricação até mesmo botões utilizados para ligar e desligar uma máquina ou dispositivos de saída como motores lâmpadas atuadores etc Sem a digitalização não seria possível controlar processos uti lizando dispositivos digitais modernos pois eles interpretam da dos binários zeros e uns que associados aos respectivos eventos realizam as ações previstas para o funcionamento de máquinas e equipamentos industriais 61 MAPA MENTAL Neste momento vamos estabelecer uma relação entre os principais termos in troduzidos até aqui por meio da relação entre dispositivos de entrada saída e de controle envolvidos na digitalização CONTROLADOR PROCESSAMENTO DISPOSITIVOS DE ENTRADA DISPOSITIVOS DE SAÍDA SENSORES DE PROXIMIDADE CHAVES FIM DE CURSO BOTOEIRAS CONTATOS AUXILIARES LÂMPADAS MOTORES VÁLVULAS ELETROPNEUMÁTICAS BOBINAS DE CONTATORESRELÉS A partir da relação entre dispositivos de entrada e de saída por meio do contro lador que processa os dados em suas entradas e atua nos elementos de saída a digitalização ocorre na indústria permitindo que processos sejam automatizados com os rigores previstos em normas internacionais de qualidade De acordo com os conhecimentos obtidos até agora apresente um exemplo de processo de automação que exija a digitalização e preencha os quadrinhos vazios com nomes das entidades de entrada controle e saída exemplo sensor de nível controlador motor da bomba etc Nome do processo de automação DISPOSITIVO DE CONTROLE DISPOSITIVOS DE ENTRADA DISPOSITIVOS DE SAÍDA AGORA É COM VOCÊ 62 1 Em um processo industrial uma máquina possui um painel de controle que dispõe de botões e indicadores de estado dos motores ligado e desligado Esse painel comanda o acionamento da máquina que atende à lógica dos botões Em relação a essa lógica leia as afirmações a seguir I Enquanto o botão desliga estiver pressionado nenhum motor deve ser acionado mesmo que o botão liga seja pressionado II Se o botão desliga estiver liberado e o botão liga for pressionado a máquina entra em operação III Enquanto a máquina estiver em operação se o botão desliga for pressionado a máquina deverá iniciar o procedimento de desligamento É correto o que se afirma em a O item I indica que o botão desliga tem prioridade sobre o botão liga e portanto não interfere no funcionamento da máquina b Os itens I e III determinam que a máquina seja ligada sempre que o botão liga for pressionado e desligada quando o botão desliga for pressionado c O item II demonstra que o botão desliga é prioritário e portanto o botão liga está sujeito ao botão desliga para acionar a máquina d O item III descreve como a máquina deve ligar e desligar definindo como ocorre o procedimento de desligamento e Os itens II e III se referem ao desligamento incondicional da máquina 2 Na digitalização de processos são utilizados dispositivos que permitem a interação dos dados do processo com os sistemas gestores É correto afirmar que os dispositivos de entrada e de saída de um processo industrial são respectivamente representados por a Sensores e chaves fim de curso b Motores e CLPs c Interfaces homemmáquina e redes industriais d Válvulas de controle e solenoides e Sensores e atuadores AGORA É COM VOCÊ 63 3 Uma indústria de papel e celulose contratou um Engenheiro para avaliar o seu processo e propor melhorias no fluxo de materiais e na maneira como ocorre esse processo Ao realizar a análise o profissional observou que havia muitos sensores de diversas funções com saídas analógicas em 24 V sendo utilizados para determinar parâmetros operacionais da fabricação do papel como a umidade a cor a temperatura etc O Engenheiro percebeu que os sensores não estavam conec tados ao servidor de dados da indústria e portanto serviam apenas para a medição local de cada variável Em relação à postura do profissional para a tarefa dada assinale a alternativa correta a A ação mais correta é integrar os dados do processo ao servidor de dados da empresa utilizando uma rede de dispositivos rede industrial assim é possível manter o registro de todos os dados e controlar o processo com clareza b Os sensores devem continuar sem informar ao servidor de dados da empresa pois a sua conexão com essa base de dados pode resultar em espionagem industrial dado pelo fato de os sensores serem facilmente acessados remotamente c Na visão do profissional os sensores devem ser integrados ao banco de dados diretamente em um computador pessoal pois o seu formato de padrão elétrico e os protocolos são sempre os mesmos e portanto não há qualquer incompatibilidade que os impeçam de funcionar assim d Uma rede industrial não seria interessante nesse processo pois redes industriais acessam apenas dispositivos de controle não sendo possível a sua utilização com sensores e O Engenheiro deve intervir informando que os sensores devem ser acessados pela rede corpo rativa sem preocupações com o seu tempo de acesso pois caso uma mensagem de dados for perdida logo depois outra poderá ser enviada e o valor será sempre o mesmo 4 De acordo com as tecnologias aplicadas na digitalização de processos industriais assinale a alternativa correta a Os CLPs são dispositivos utilizados para controlar e medir a temperatura de um processo sem a necessidade de sensores pois a sua estrutura de hardware já contempla todos os recursos necessários para este fim b As redes industriais não utilizam protocolos pois só interligam dispositivos de campo c Os dispositivos associados a uma rede industrial não necessitam de um endereço pois respon dem igualmente e ao mesmo tempo a todos os comandos d Uma indústria automatizada só pode ter a visão de seus indicadores se os dados dos sensores chegarem com transparência até o servidor de dados da empresa e A digitalização de processos ocorre sempre que uma entrada digital do processo é acionada Quando um sensor analógico envia os seus dados o CLP realiza a leitura e o processamento do sinal ainda em formato analógico AGORA É COM VOCÊ 64 5 Sobre a conversão de dados em informações de uma planta industrial é correto afirmar que a Os dados e as informações são a mesma estrutura e só indicam um estado operacional de um processo b As informações dependem dos dados do valor correspondente a esses dados e ao tempo ao qual eles se submetem ao processo c As informações de um processo permitem a tomada de decisão estratégica pois os dados do processo independem do tempo ao qual a variável foi submetida d Os dados correspondem apenas às informações de processo não são importantes para a gestão do negócio afinal de contas o diretor não precisa saber a temperatura da caldeira para comprar insumos Ele apenas compra de acordo com a necessidade e As informações de um processo industrial não podem ser interligadas a uma rede de computa dores pois o seu formato é interpretado apenas por CLPs 6 Ao estabelecer o fluxo de materiais de uma empresa as análises dos indicadores de produtividade permitem ao Engenheiro entender se há desperdícios no processo De acordo com os conceitos de digitalização aplicada assinale a alternativa correta a Ao registrar os dados do processo em uma base computacional é possível atuar pontualmente com ações específicas para solucionar problemas de desperdício pois o uso de tecnologias de Automação Industrial permite assistir cada indicador em tempo real e manter o seu registro por análise b Quando um processo industrial é automatizado os seus indicadores são desprezíveis pois as máquinas são autônomas e podem sempre tomar decisões sem a necessidade da intervenção humana c As tecnologias de Automação Industrial só permitem identificar perdas e desperdícios se houver o uso de inteligência artificial pois a interpretação de seus dados não pode ser realizada por humanos dada a sua complexidade d Um processo que apresenta perda por desperdício pode ser monitorado por recursos de Auto mação Industrial mas não deve ser controlado pois para controlar não precisamos mensurar e As técnicas de digitalização não permitem o controle do processo por CLPs pois este é realizado apenas por computadores pessoais conectados diretamente aos sensores CONFIRA SUAS RESPOSTAS 65 1 C Devido à lógica de intertravamento imposta o botão liga não irá funcionar enquanto o botão desliga estiver pressionado 2 E Dispositivos de entrada são sensores e dispositivos de saída são os atuadores 3 A As redes interligam todos os estágios de uma manufatura de maneira transparente e permitem acesso remoto para registro telemetria e telecomando 4 D Não há como controlar o que não se pode mensurar 5 B As informações são definidas por dados valor agregado e o tempo é um valioso insumo 6 A O mapeamento de desperdícios falhas e gargalos de produção depende do registro desses eventos em tempo real REFERÊNCIAS 66 ALLENBRADLEY ROCKWELL AUTOMATION 1769SDN DeviceNet Scanner Module Milwaukee Al lenBradley Rockwell Automation User Manual aug 2009 BALBINOT A BRUSAMARELLO V J Instrumentação e Fundamentos de Medidas 2 ed Rio de Janeiro LTC 2011 Volume 2 CAMARGO V L A Elementos de Automação São Paulo Érica 2014 CORRÊA H L et al Planejamento programação e controle da produção MRP IIERP conceitos uso e implantação base para SAP Oracle applications e outros softwares integrados de gestão São Paulo Atlas 2007 FRANCHI C M CAMARGO V L A Controladores Lógico Programáveis Sistemas Discretos São Paulo Érica 2008 LUGLI A B SANTOS M M D Redes Industriais para Automação Industrial ASI PROFIBUS e PRO FINET São Paulo Érica 2011 MACKAY S et al Practical Industrial Data Networks Design Installation and Troubleshooting Oxford Newnes 2004 NISE N S Engenharia de Sistemas de Controle 6 ed Rio de Janeiro LTC 2013 TANENBAUM A S SOUZA V D Redes de computadores Rio de Janeiro Elsevier 2003 MEU ESPAÇO MEU ESPAÇO 3 OPORTUNIDADES DE APRENDIZAGEM Comunicação de Dados Me Fábio Augusto Gentilin Nesta unidade vamos explorar o campo da automação de processos e apresentaremos os conceitos fundamentais de redes industriais além de conceituar os dispositivos de interface de dados IHM Demonstraremos como ocorre o processo de conversão de dados em informações utilizando redes de computadores e redes industriais que interligam dados do proces so que são reunidos por CLPs e interfaces de dados IHM Por fim iremos estudar automação de processos produtivos discretos e contínuos para que você possa entender as principais características dessas tecnologias e suas limitações 70 UNICESUMAR Você sabe como os aparelhos eletrônicos trocam informações quando por exemplo você envia uma mensagem para seu colega via app do seu smartphone Ou mesmo como um sensor pode enviar o valor da temperatura de um forno para a tela do computador Os dispositivos eletrônicos modernos desfrutam de uma tecnologia que permite o compartilhamento de dados por vias de uso comum o que nós conhecemos como rede de dispositivos Os conceitos de rede são conhecidos há muito tempo pela humanidade e remontam à origem de nossa civilização pois foi a partir das primeiras experiências com as redes de comércio que o homem descobriu a necessidade da existência de regras para transitar de um lado ao outro do mundo Na comunicação de dados é exatamente a mesma coisa Os dados oriundos de um dispositivo podem ser enviados para outro desde que respeite algumas regras impostas por uma tecnologia de rede que permite o uso de rotas comuns definindo o tamanho dos dados a velocidade máxima permitida na via quem pode enviar e quem pode receber e quando isso pode acontecer para cada entidade conectada Em uma rede a comunicação entre os dispositivos deve ocorrer respeitando limites para que um pacote de dados enviados por um dispositivo não colida com outro pacote enviado por outro dispositivo que ao mesmo tempo pode ter enviado dados no mesmo meio de uso comum por isso a necessidade de controlar o caminho dos dados assim não há como haver colisões Seria o mesmo que compartilhar a mesma linha férrea com dois ou mais trens de carga Enquanto um se desloca em determinado percurso os demais devem aguardar fora do trecho caso contrário a colisão é certa e a carga se perderá Em ambiente de rede a troca de dados requer segurança que dependendo da aplicação implica em formatações encriptação dos dados para que entidades externas não os acessem e tenham co nhecimento desautorizado de seu conteúdo Quando pensamos em rede de dispositivos devemos levar em consideração que há diversas tecno logias capazes de conduzir dados e padrões elétricos por exemplo meios físicos ópticos por meio de fibras ópticas magnéticos por meio de ondas eletromagnéticas e elétricos por meio de condutores metálicos e que cada situação remete a um ou outro padrão podendo haver casos em que a distância entre os dispositivos é da ordem de alguns metros ou até de quilômetros com uma capacidade de trocar dados com poucos ou centenas de dispositivos Os computadores pessoais por exemplo utilizam padrões elétricos de rede há tempos difundidos com cabos metálicos e sinais eletromagnéticos podendo se interligar a centenas de outros computa dores com o uso de dispositivos distribuidores e roteadores de rede tornando cada vez mais podero sa a troca de informações entre máquinas sem contar a capacidade de conexão que os dispositivos móveis possuem permitindo entrar e sair de um ambiente de rede sem fio e enviar e receber dados automaticamente Agora como já tivemos um pequeno momento de aprendizado com relação ao mundo das redes de dispositivos vamos exercitar este conceito em nosso meio Enumere quantos dispositivos você conhece em seu meio de convívio que utilizam comunicação de dados desde smartphones smart TV smartwatches computadores pessoais fones de ouvido câmeras de vídeo etc 71 UNIDADE 3 Liste todos aqueles que você tem acesso em seu ambiente doméstico ou de trabalho Quando listar todos os dispositivos associe a cada um deles o nome da tecnologia que cada um utiliza para se co municar por exemplo Bluetooth WiFi TCPIP etc Você vai perceber que alguns dispositivos operam sem a necessidade de fios para se comunicar e outros precisam de cabos que interligam a troca de dados e que há tecnologias capazes de enviar dados a mais dispositivos do que outras enquanto algumas podem atingir maiores distâncias porém com uma velocidade menor O que ocorre quando você clica no botão enviar do seu programa de emails O que acontece quando há uma variação na temperatura de um fluido dentro de um processo industrial ou mesmo o valor da pressão no interior de um vaso de uma caldeira Como esses dados são trocados entre os dispositivos Quem são esses dispositivos Como eles operam e quais são suas limitações No ambiente industrial os equipamentos não se parecem fisicamente com os conhecidos computa dores pessoais ou tablets e smartphones no entanto compartilham de arquiteturas muito semelhantes no que diz respeito às tecnologias computacionais envolvidas Um dispositivo industrial com a capacidade de controlar um processo por exemplo pode possuir microprocessadores tão poderosos quanto os utilizados pelos melhores computadores pessoais e desempenham a capacidade de processamento e troca de dados em rede tão eficientemente quanto O ambiente industrial exige que os equipamentos sejam mais robustos para suportarem o am biente inóspito e agressivo de uma manufatura automatizada lugar onde a temperatura é elevada e varia bruscamente há a presença de poeira vibração contaminantes interferência eletromagnética e outras influências externas que não ocorrem na maioria das casas ou escritórios em que as pessoas circulam todos os dias 72 UNICESUMAR Baseado nesse conceito nesta etapa de nosso livro iremos tratar de assuntos que utilizam e muito a comunicação entre diferentes entidades dentro de um processo de fabricação Você já parou para pensar que enquanto uma lata de refrigerante é envasada por uma máquina existem equipamentos e máquinas coletando dados de cada uma delas e compartilhando suas variáveis com outros dispositivos a fim de controlar sua produção automaticamente Em um processo de fabricação industrial a necessidade de transporte e compartilhamento de da dos é massiva entre os sensores controladores e atuadores no processo pois enquanto a embalagem do produto lata ou garrafa é envasada o sistema de controle precisa saber qual o nível atual de cada recipiente por meio de um sensor de nível a temperatura do fluido que preenche a embalagem por meio de um sensor de temperatura precisa inserir a tampa por meio de um atuador e tudo isso é orquestrado por meio de um controlador interligado com os diferentes sensores e atuadores Ao final de cada uma das tarefas ao longo de um processo industrial deve haver confirmação para que o item produzido seja finalizado e esteja pronto para ser encaminhado ao seu usuário final se não uma garrafa pode ser encaminhada para a embalagem final sem a quantidade desejada de refrigerante ou até mesmo sem a sua devida tampa logo há indicadores de desempenho que dependem dos dados do processo para controlar a qualidade final do produto Você consegue agora entender a necessidade do acesso aos dados do processo e a grande respon sabilidade que eles representam diante de um sistema complexo de controle e automação na indústria Para viabilizar a comunicação entre os dispositivos industriais sensores controladores e atuadores foi necessário desenvolver meios que permitissem o tráfego desses dados de maneira segura com o menor tempo possível Este é o desafio que começou há décadas e até hoje passa por etapas de desen volvimento e melhoria constantes A necessidade de interligar entidades em uma rede é mais pronunciada na esfera profissional em que dados são produzidos o tempo todo e devem ser armazenados e compartilhados Os usuários domésticos também representam uma demanda significativa do universo das redes mas o fluxo de dados que mais exige estrutura vem das empresas da necessidade de conduzir informações manobras financeiras telecomandos acesso às bases de dados backups remotos etc Atualmente milhões e milhões de operações bancárias acontecem todos os dias exigindo segu rança dos dados e agilidade por parte dos sistemas sem contar as informações pessoais vinculadas às redes sociais na Internet Neste contexto entender o funcionamento das redes de computadores é fundamental Nesta unidade serão abordados os principais termos utilizados na área de redes de computadores e voltados ao estudante de automação industrial Iniciaremos apresentando os principais tipos de redes e as suas aplicações Conforme já mencionado a comunicação entre dispositivos depende de alguns parâmetros sobre os quais falaremos aqui Inicialmente considere dois dispositivos denominados A e B conforme mostra a Figura 1 73 UNIDADE 3 Figura 1 Comunicação entre dispositivos por um meio físico Fonte o autor Para que a comunicação entre os dispositivos da Figura 1 ocorra são necessários alguns prérequisitos básicos Meio físico Padrão elétrico Protocolo Velocidade Compatibilidade com normas Vamos à definição de cada um desses prérequisitos Quando o dispositivo A deseja se comunicar com o dispositivo B eles devem ter à sua disposição um meio físico sob o qual os dados possam fluir ou seja uma via de dados denominada barramento quando o meio é metálico ou o próprio espaço de cobertura no caso de um meio físico magnético caso das redes sem fio wifi por exemplo ou mesmo uma via de fibra ótica MEIO FÍSICO DISPOSITIVO A DISPOSITIVO B Figura 2 Exemplos de meios físicos a metálico b magnético e c ótico Quando nos referimos ao meio físico é importante ressaltar que os dados que acessam o meio metálico precisam se adequar a um dado padrão elétrico para serem compatíveis com os dispositivos que se interconectam por meio deste recurso assim atualmente o meio físico metálico mais difundido é o cabo denominado par trançado ou no inglês twisted pair 74 UNICESUMAR Figura 3 Cabo par trançado Esse tipo de cabo é composto por oito condutores que se organizam em quatro pares Figura 4 e com cores que se apresentam de par em par da seguinte forma Figura 4 Cores dos condutores no cabo de rede tipo par trançado Par 1 marrom marrom e branco Par 2 azul azul e branco Par 3 verde verde e branco Par 4 alaranjado alaranjado e branco 1 3 4 2 Os pares são organizados e inse ridos em um conector modelo RJ45 que permite a conexão entre um dispositivo e outro conforme a Figura 5 Cabo CAT 5 CONECTOR RJ45 Dispositivo A CONECTOR RJ45 Dispositivo B par reserva par reserva par de dados par de dados 4 4 1 1 3 3 6 6 7 7 8 8 2 2 5 5 Figura 5 Diagrama interno de um cabo utilizado na interligação de dispositivos Fonte adaptada de Linear Technology 2003 75 UNIDADE 3 Há variações na sequência de pinos 0 a 8 dos conectores de acordo com o tipo de ligação entre os dispositivos pois há casos em que a ligação é dire ta ponto a ponto ou cruzada crossover Em cada caso de vese verificar a necessidade e consultar o esquema de inter ligação para inserir dentro do conector RJ45 os condutores do cabo de rede com a sequência de cores correta Figura 6 Figura 6 Cabo de rede conector RJ45 e alicate crimpador Note que para realizar a inserção do cabo no conec tor é necessário o uso de uma ferramenta especial o alica te crimpador Figura 7 Esta ferramenta é capaz de cortar organizar e fixar os condutores do cabo de rede dentro do co nector RJ45 em uma sequência que respeita as diretrizes de rede e permite a fácil conexão entre os dispositivos Figura 7 Alicate crimpador corta organiza e fixa os condutores no conector RJ45 Existem equipamentos que permitem testes com o cabo já crimpado para verificar se os terminais foram inseridos na sequência desejada conforme a Figura 8 Figura 8 Testador de cabo de rede com conectores RJ45 Este tipo de testador é divi dido em duas partes a maior é responsável por gerar um sinal elétrico que será introduzido em uma extremidade do cabo sob teste a outra parte indicará como o sinal chegou até a outra extremidade 76 UNICESUMAR Observe na Figura 8 a conexão dos conectores do cabo no instrumento que possui LEDs os quais piscam na sequência em que o sinal elétrico é introduzido no cabo permitindo verificar se cada um dos terminais dos conectores estão devidamente crimpados no cabo de rede Outra verificação é possível em nível de funcionamento da rede e pode indicar parâmetros funcio nais como indicadores de desempenho da rede em ferramentas de diagnóstico desta O instrumento de verificação e diagnóstico é o analisador de rede mostrado na Figura 9 Este tipo de dispositivo permite a identificação de problemas em uma rede de comunicação de forma rápida e com tomada de decisões estratégicas em termos de gestão de recursos e direcionamento de dados Os padrões elétricos podem ser distintos entre diferentes tecnologias de redes de dados mas atualmente o mais difun dido e utilizado pelas pessoas tanto no mercado corporativo quanto no uso doméstico é o padrão Ethernet no qual as ten sões variam 25 V entre o con dutor de dados e a referência da alimentação GND conforme mostra o Quadro 1 Figura 9 Analisador de rede verificando parâmetros funcionais da rede Quadro 1 Padrão elétrico em cabo de rede Ethernet nível de tensão nos pares de dados RJ45 Fio Nível de tensão nos pares padrão Ethernet Pino Cor Par 10BASET 1 Brancoverde 3 25 V 2 Verde 4 Azul 1 5 Brancoazul 7 Brancomarrom 4 8 Marrom 3 Brancoalaranjado 2 25 V 6 Alaranjado Fonte adaptado de Maytum 2009 Embora haja essa padronização de acordo com Maytum 2009 há tipos de redes que possuem padrões diferentes e com isto níveis de tensão mais elevados o que remete a certos cuidados com a compati bilidade Mais adiante abordaremos as redes industriais em que veremos que há tensões e correntes envolvidas neste processo e que a sua observância se faz necessária neste quesito para o correto fun cionamento da troca de dados entre dispositivos 77 UNIDADE 3 O padrão elétrico também define as características dos cabos e conectores em relação às tensões de operação e isolação Testes são realizados com os cabos e conectores para avaliar o quanto esses componentes são isolados e o quanto permitem a proteção dos sinais em termos de condução de eletricidade e imunidade a ruídos externos A compatibilidade eletromagnética é um dos fatores mais importantes quando nos referimos a cabos de dados e os seus conectores pois um ruído externo não deve interferir no sinal que está sendo transmitido via par metálico logo o atendimento às normas de projeto deve ser respeitado principal mente no que tange à disposição dos cabos de rede em uma instalação Recomendase para as instalações de cabos de rede que os condutores de dados cabos de rede ou de dados sejam acomodados separadamente dos cabos que conduzem a alimentação elétrica para as máquinas e os equipamentos pois estes últimos costumam apresentar propagação de campo eletromagnético que é por sua vez capaz de induzir nos condutores próximos ruídos que distorcem os dados causando perda de informações do processo Normalmente quando nos referimos ao meio físico também nos referimos ao comprimento má ximo que um cabo de rede pode ter sem que as características de desempenho sejam comprometidas e que no caso do padrão Ethernet é de até 100 m ou seja a distância máxima entre o seu computa dor e o ponto de acesso pode ter um cabo de no máximo 100 m de comprimento Caso contrário poderá haver diminuição do desempenho e problemas como reflexão de dados fazendo com que as mensagens trocadas na rede sejam perdidas e levem mais tempo para chegar ao seu destino devido ao reenvio constante Este fato é o que chamamos de lentidão na rede e pode estar associado à maneira como realizamos a instalação dos cabos O barramento compartilhado ou cabo tronco de rede conduz os dados e os compartilha para os demais dispositivos conectados mas a forma com que esses dispositivos se interligam e acessam os dados é viabilizada por um dispositivo denominado distribuidor de rede normalmente encontrado em instalações com redes de computadores como roteadores switches e hubs os dispositivos rece bem o cabo tronco de rede barramento e distribuem os dados para os dispositivos nele conectados Figura 10 Distribuidor de rede um cabo compartilhado com diversos dispositivos a roteador doméstico b poucos usuários conectados e c usuários corporativos Além do comprimento dos condutores a quantidade de dispositivos endereçáveis em uma rede é de relevante entendimento uma vez que este parâmetro permite projetar mais ou menos acessos de acordo com a necessidade Trataremos sobre este assunto mais adiante 78 UNICESUMAR O protocolo como já mencionado em momen tos anteriores de nosso estudo é o conjunto de regras que define como ocorre uma comunicação Ajustado a esse termo estão estruturas capazes de escrever e ler na rede ou em outras palavras enviar e receber mensagens Antes de iniciarmos a abordagem de protocolo devemos entender um pouco sobre a nomencla tura dos itens de uma rede Host em uma rede todo dispositivo que possui um endereço é considerado um host Sabemos que cada dispositivo inter ligado em uma rede e apto a trocar dados deve ter um endereço fixado que o distin gue dos demais Rede é a estrutura capaz de interligar os hosts Pode ser composta por cabos ou ser wireless sem fio IP significa Internet Protocol Este ter mo é utilizado para identificar o host em uma rede Por exemplo o dispositivo em uma rede com o IP 192168115 possui esse endereço 15 que o diferencia dentre os demais na mesma rede Atualmente estamos vivenciando as versões 4 IPV4 e 6 IPV6 simultaneamente pois com a ampliação do número de dispositivos co nectados à rede é necessário ampliar na mesma proporção o número de dispositi vos endereçáveis O envio e a recepção de mensagens em uma rede de dispositivos é muito semelhante ao sistema de envios de cartas pelos correios no qual sempre devemos informar quem enviou a carta preen chendo o campo remetente e para quem gosta ríamos que essa carta fosse entregue preenchendo o campo destinatário no envelope A ideia por trás dos envios de mensagens na rede de computadores por exemplo é a mesma e para regulamentar esse processo foi estabele cido um padrão pelo Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos IEEE denominado IEEE 8023 que determina como os dados são enviados entre os dispositivos em uma rede de computadores no padrão Ethernet Quando um dispositivo deseja enviar dados na rede ele realiza a montagem de um quadro composto por vários estágios respeitando o ta manho da mensagem a ser enviada os endereços de origem e de destino a verificação de entrega e integridade a sincronização a delimitação de início e de fim etc A estrutura capaz de enviar um pacote de dados de um dispositivo até outro na mesma rede se dá por meio de um quadro e dentro dele é que os dados são inseridos confor me o exemplo da Figura 11 Perceba que há uma definição do endereço físico de quem envia e de quem recebe os dados e também há a definição dos endereços de rede para os dois dispositivos nessa troca QUADRO Endereço físico Endereço de rede PACOTE DESTINO DESTINO DADOS CRC ORIGEM ORIGEM Figura 11 Exemplo de quadro de dados Fonte o autor 79 UNIDADE 3 REALIDADE AUMENTADA Comunicação de dados em rede Na Figura 11 observe que além do endereçamento dos dispositivos há os dados e o CRC que significa Checagem por Redundância Cíclica Este último componente do quadro tem o objetivo de verificar se os dados enviados chegaram sem alterações É como uma verificação para confirmar se o que foi enviado chegou de fato ao seu destino Um exemplo de quadro de dados muito difundido é o quadro Ethernet IEEE 8023 apresentado na Figura 12 QUADRO PACOTE PREÂMBULO CRC DELIMITADOR DE INÍCIO DE QUADRO ENDEREÇO DE DESTINO ENDEREÇO DE ORIGEM COMPRIMENTO TIPO DADOS ENCHIMENTO Figura 12 Quadro Ethernet IEEE 8023 Fonte o autor DISPOSITIVO A APLICAÇÃO APRESENTAÇÃO SEÇÃO TRANSPORTE REDE LINK DE DADOS FÍSICA REDE LINK DE DADOS FÍSICA REDE LINK DE DADOS FÍSICA DISPOSITIVO B APLICAÇÃO APRESENTAÇÃO SEÇÃO TRANSPORTE REDE LINK DE DADOS FÍSICA PROTOCOLO DE APLICAÇÃO PROTOCOLO DE APRESENTAÇÃO PROTOCOLO DE SEÇÃO PROTOCOLO DE TRANSPORTE 7 6 5 4 3 2 1 Os dados a serem enviados dependem da definição de qual dispositivo receberá o referido pacote qual é o tipo do dado que está sendo enviado o comprimento do quadro e o preâmbulo Tudo isto faz referência a um modelo que descreve como os protocolos devem operar para que os dispositivos possam se comunicar O modelo de referência OSI é a base para que os protocolos se referenciem na construção de men sagens e ele é baseado em sete camadas desde a que trata do meio físico até a camada de aplicação em que o programa que utiliza os dados recebe ou envia o seu conteúdo conforme mostrado na Figura 13 Figura 13 Modelo de referência OSI Fonte adaptada de Tanenbaum e Souza 2003 80 UNICESUMAR MODELO OSI APLICAÇÃO APRESENTAÇÃO SEÇÃO TRANSPORTE REDE LINK DE DADOS FÍSICA MODELO OSI APLICAÇÃO TRANSPORTE INTERNET HOST PARA REDE 7 6 5 4 3 2 1 Ao respeitar o modelo de referência OSI os protocolos de acesso aberto se compatibilizam para per mitir a troca de dados de maneira a atender aos prérequisitos de comunicação em uma corporação Além do protocolo a comunicação precisa estruturarse sobre a velocidade A velocidade da troca de dados entre os dispositivos é realmente um parâmetro de extrema impor tância pois define o quão rápido será o acesso ao meio sob o ponto de vista de um equipamento seja ele um controlador que interpreta os dados enviados por sensores ou atuadores que devem realizar as ações previstas em tempo suficiente para controlar um processo A velocidade define o volume e uso dos dados no meio físico e pode significar congestionamento em casos de fluxo demasiado no meio compartilhado Além disso a velocidade está relacionada com a capacidade de um dispositivo enviar receber e processar os dados de um meio de acesso por exemplo uma rede de comunicação Tenha em mente que para um dispositivo X acessar o meio comum e enviar dados este deve ter a ca pacidade de se comunicar na mesma velocidade de comunicação dos demais que acessam o mesmo meio caso contrário este dispositivo tende a não interpretar os dados de maneira compatível com os demais Seria como assistir a um filme em que os atores falam em uma língua que permite a pronúncia de 2 mil palavras por segundo e quem assiste o filme pode entender apenas duas palavras por segundo Certamente aquele que assiste o referido filme não entenderá nada Isto acontece quando um dispositivo não é compatível com a velocidade da rede Há diferentes protocolos e nem todos utilizam exatamente as sete camadas previstas pelo modelo OSI assim como o pro tocolo TCPIP em que há ca madas que não são utilizadas e outras que utilizam uma única a qual equivale a duas outras ca madas do modelo de referência OSI conforme a Figura 14 Figura 14 Comparação entre o modelo de referência OSI e o protocolo TCPIP Fonte adaptada de Tanenbaum e Souza 2003 81 UNIDADE 3 Na rede de computadores atual os dispositivos se limitam às suas tecnologias e se adaptam ao meio de acordo com os seus limites enquanto em redes industriais essa velocidade pode ser configurada e cada dispositivo que acessa o mesmo meio deve estar configurado com a mesma velocidade Nas redes de computadores corporativas é comum encontrar velocidades que variam de 10 Mbps Mega bits por segundo até 10 Gbps Gigabits por segundo e não se surpreenda se outras velocidades ainda maiores surgirem pois as tecnologias avançam a cada dia e novas técnicas novos materiais e no vas capacidades de processamento surgem para permitir a oferta de novos e mais rápidos dispositivos As normas que definem o projeto e o funcionamento das redes de computadores determinam padrões que devem ser seguidos para garantir o bom funcionamento das comunicações entre dispo sitivos e assim como já foi citado nesta unidade há normas como a IEEE 8023 ou a IEEE 80211 as quais possuem sufixos variantes de acordo com a área de atuação inferindo assim sobre diferentes tecnologias relacionadas às redes de comunicações Como exemplo podemos citar a norma IEEE 8023af sufixo af que define as regras para a tec nologia Power over Ethernet PoE ou potência sobre Ethernet Este padrão determina como deve operar um sistema baseado em PoE as suas características operacionais as definições de dispositivo alimentado as tensões de trabalho o tempo de detecção etc A norma IEEE 8023ah se refere à tecnologia EPON relacionada à rede ótica passiva ou Passive Optical Network Durante o projeto de rede o profissional que atua na área deve conhecer as normas que se relacionam com a área de sua atuação Normalmente definimos uma rede local como aquela que interliga dispositivos dentro do mesmo prédio como computadores impressoras smartphones etc As redes locais Local Area Network LAN apresentam características que as distinguem das demais redes quanto a Tamanho Tecnologia de transmissão de dados Topologia Como o tamanho de uma rede local é limitado sabemos que este fator confere limites de velocidade que devemos respeitar em nossos projetos e estes atualmente atendem a padrões de 10 a 100 Mbps 10 Mega bits por segundo 10106 bps ou 10 Gbps 10 Giga bits por segundo 10109 bps nas redes mais modernas Além disso devemos nos lembrar que a tecnologia de transmissão de dados utiliza normalmente um único meio físico em que todos os dispositivos trocam as suas mensagens restrito obviamente a algumas formas de montagens denominadas topologias de rede As topologias de redes locais mais utilizadas são tipo anel e tipo barramento havendo variações As duas principais são mostradas na Figura 15 82 UNICESUMAR Figura 15 Topologias de rede local LAN Fonte adaptada de Tanenbaum e Souza 2003 Geralmente nas empresas em que os dispositivos estão interligados por meio de cabos de rede há a figura de um elemento que interliga todos esses cabos denominado distribuidor Como exemplo temos o roteador o switch o hub etc Cada dispositivo em uma rede deve ter um endereço único que permite a sua identificação assim quando a entidade A deseja se comunicar com a entidade B entidade pode ser qualquer dispositivo PC impressora smartphone etc a entidade A envia em sua mensagem uma informação referente ao endereço da entidade B Assim outros dispositivos que também estão acessando o mesmo ambiente não acessam aquela mensagem apenas as entidades A e B Dessa forma para que a comunicação ocorra de maneira eficiente e organizada existem normas que definem os padrões a serem seguidos pelos protocolos de comunicação e pelos fabricantes de dispositivos além de diretrizes que determinam a utilização por meio dos usuários por exemplo o padrão ISOIEC 880232000 Este padrão determina que todo usuário tem o mesmo acesso para transmitir no meio físico com partilhado e que a detecção do envio de mensagens é mandatória para que sejam evitadas as colisões entre os dados transmitidos HIRSCHMANN 2001 Veremos mais adiante que há técnicas para evitar as colisões de dados implementando métodos específicos a fim de atender a esta norma Em 1972 a empresa Xerox iniciou um projeto de conexão de dispositivos em uma rede local uti lizando um método denominado Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection CSMA CD que significa Acesso Múltiplo com Verificação de Portadora e Detecção de Colisão e pode ser descrito como TOPOLOGIA EM ANEL TOPOLOGIA EM BARRAMENTO 83 UNIDADE 3 Carrier Sense CS esta característica é responsável por detectar se o meio físico está livre ou se está sendo utilizado por outro dispositivo Multiple Access MA o método CSMACD não define prioridades entre os usuários da rede pode haver múltiplos dispositivos tentando se comunicar ao mesmo tempo no mesmo meio o que poderia causar colisões O termo MA remete aos múltiplos acessos que essa técnica permite Collision Detection CD é a característica que identifica a ocorrência de colisões na rede O CSMACD é um dos métodos introdutórios que permite o acesso múltiplo ao barramento de dados pelos dispositivos nele conectados Ele detecta se o meio está sendo utilizado por algum dispositivo e detecta se houve colisões dos dados O fato é que como há a possibilidade de dois ou mais computadores acessarem o mesmo meio ao mesmo tempo pode haver colisão dos dados e neste momento nenhum dos dispositivos con seguirá enviar as suas mensagens Por sua vez o Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance CSMACA ou em português Acesso Múltiplo com Verificação de Portadora com AnulaçãoPrevenção de Colisão é uma técnica com grau de ordenação superior ao do CSMACD pois tem mais parâmetros de restrição e contribui para minimizar as colisões Assim como o CSMACD e o CSMACA exis tem outras técnicas que otimizam o funcionamen to das redes de computadores para que o acesso ao meio seja contemplado da melhor forma Tivemos até aqui uma explanação de tecno logias de rede que são aplicadas no ambiente in dustrial de maneira geral pois os processos en volvidos utilizam as mesmas tecnologias como sensores controladores e atuadores do que em outros ambientes de manufatura automatizada Adiante iremos introduzir mais tecnologias que atuam no ambiente de rede de dados para inte gração industrial 84 UNICESUMAR Até aqui você já teve uma visão importante do que é necessário para viabilizar a comunicação entre computadores mas no ambiente de produção industrial como ocorre esse processo Para responder a essa pergunta devemos primeiramente entender que o computador é o equipamento que nós uti lizamos com programas que podemos interpretar facilmente pois foi projetado para seres humanos se comunicarem Por outro lado temos que entender que no ambiente industrial com a presença de fluidos corrosivos umidade excessiva vibrações variações de temperatura presença de poeira e demais contaminantes os computadores fabricados para operar em escritórios não são capazes de operar daí então foram desen volvidos dispositivos capazes de suportar o agressivo ambiente industrial com invólucros adequados Mais do que apenas gabinetes que permitem operar em ambientes úmidos e quentes os dispositivos industriais utilizam formatos de dados diferentes dos computadores que utilizamos pois os dados veiculados pelos sensores atuadores ou controladores são diferenciados dos dados que nós humanos trocamos em nossa comunicação Uma comparação pode ser feita entre uma pessoa e um sensor industrial A pessoa por exemplo envia um vídeo por meio da rede internet que possui cerca de milhões ou até bilhões de bits depen dendo da qualidade do vídeo e por este motivo depende de um determinado volume de dados para seu envio enquanto um sensor industrial envia os dados referentes à variável mensurada a temperatura do vapor de uma caldeira por exemplo que requer apenas poucos bits para transmitir ao controlador sua amplitude térmica As redes industriais surgiram com o objetivo de permitir o acesso aos dados dos dispositivos indus triais como temperatura pressão nível vazão número de peças presença de objetos etc Além disso permitem a configuração de dispositivos remotamente em ambiente agressivo e instável onde um ser humano certamente não teria como realizar tais medições sem sofrer danos à sua saúde ou mesmo com velocidade de resposta e precisão que um operador humano não teria como realizar conforme mostrado na Figura 16 em que a exposição às temperaturas elevadas e o risco de explosão podem ser evitados utilizando dispositivos interligados em rede Figura 16 Válvulas interligadas em rede processo de produção de vapor altas temperaturas As redes industriais também tiveram um grande incentivo do avanço tecnológico ocor rido durante a década de 70 em que controladores foram desenvolvidos e a disponibili zação de tecnologias progra máveis disparou permitindo aos fabricantes de dispositivos o desenvolvimento de muitos equipamentos de diversas fun ções com tecnologia embarca da jamais vista até então 85 UNIDADE 3 Os equipamentos podiam realizar medições de variáveis industriais como o nível de um tan que e enviar o valor para um dispositivo capaz de armazenar a sua grandeza a fim de realizar registros que auxiliam na gestão de processos e de melhorias na produção Esta possibilidade abriu muitos horizontes e proporcionou o surgimento de muitas empresas de tecnologia que passaram a fabricar as suas próprias formas de se comuni car sem permitir que outras empresas soubessem como era feito na tentativa de proteger o seu pa trimônio intelectual e desta forma consistir uma manobra estratégica de mercado Assim foram surgindo no final da década de 70 e meados de 80 os primeiros protocolos de comunicação ainda chamados de protocolos proprietários pois eram conjuntos de regras que somente as empresas que os projetavam sabiam como funcionavam e com isto os equipamentos de um fabricante não eram compatíveis com a rede de comunicação de outro Isto fazia o cliente depender da tecnologia de um único fabricante para integrar os seus dados de processo Para resolver este problema na década de 90 os principais fabricantes de tecnologias de redes industriais se reuniram e decidiram abrir as suas patentes de protocolos assim as suas tecnologias tornaramse abertas para o conhecimento da comunidade científica permitindo que o fabri cante A pudesse oferecer os seus produtos com a capacidade de se comunicar no protocolo do fabricante B e viceversa Atualmente a maioria dos protocolos de co municação de redes industriais é aberta e encon tramos dispositivos de várias marcas diferentes se comunicando no mesmo barramento de dados sob o protocolo de comunicação outrora exclu sivo de um único proprietário Esta possibilidade permite que na atualidade a integração de dados não dependa de fabricantes de dispositivos mas sim do uso adequado de cada solução de modo a atender ao princípio da transparência Nas redes industriais assistimos a uma grande variedade de protocolos que são aplicados ao tipo de dispositivo que se deseja interligar ou acessar e isto tem relação direta com os tipos de dados que cada dispositivo é capaz de produzir Por exemplo um sensor de proximidade é um dispositivo que detecta a presença ou a ausência de um dado tipo de objeto Assim há apenas duas opções objeto presente ou objeto ausente e desta forma a sua saída pode ser representada por dois estados 0 objeto ausente e 1 objeto presente Conforme mostra a Figura 17 o processo ne cessita que a presença de um objeto metálico seja detectada para o acionamento de um atuador es pecífico tomada de decisão Figura 17 Sensor de proximidade indutivo detecção de objeto presente O tipo de rede que interliga sensores desse tipo ne cessita de características que se adequam a poucos dados logo ele opera com pacote de dados reduzi do se comparado a outras redes que por exemplo interligam inversores de frequência que são dis positivos capazes de controlar a velocidade do eixo de um motor elétrico trifásico Os dados enviados por este tipo de dispositivo não são simplesmente dois estados e sim arranjos de bits denominados bytes ou até quilobytes kB os quais representam milhares de bytes 1 byte é igual a 8 bits 86 UNICESUMAR Um dos grandes problemas em utilizar equipamentos de um único fabricante de tecnologia é ficar dependente do desenvolvimento tecnológico da referida empresa e também do atendi mento dos preços praticados e da incompatibilidade com as demais tendências do mercado Durante as décadas de 70 e 80 muitos fabricantes de tecnologias de redes industriais protegiam os segredos industriais a todo custo para que uma outra empresa não pudesse reproduzir a mesma ideia Com isso apenas os seus próprios dispositivos conseguiam se comunicar entre si não permitindo a utilização de outros equipamentos de fabricantes diferentes na mesma rede Uma das grandes vantagens oferecidas pelas redes industriais em termos de integração é a redu ção do número de condutores utilizados para acessar os dispositivos pois um processo industrial que utilize automação necessita de sensores e atuadores que enviam dados para uma entidade de controle normalmente um CLP o qual em função desses dados atua em elementos como válvulas motores atuadores pneumáticos ou hidráulicos etc Antes da existência das redes industriais cada dispositivo interligado ao CLP dependia de um par de condutores dedicados para conectálo assim um processo com muitas entradas e saídas utilizava uma quantidade descomunal de condutores o que implica em dimensões maiores dos eletrodutos e custos elevados considerando que os condutores representam este aumento dos custos em uma obra O risco de defeito por mal contato ou por falhas em conexões é proporcional ao número de con dutores em uma instalação ou seja quanto maior o número de cabos maiores as chances de defeito A Figura 18 mostra um exemplo de interligação de dispositivos em um painel em que cada equipamento utiliza um par de condutores em conexão do tipo ponto a ponto Com o surgimento das redes industriais dispositivos de campo puderam ser interligados por meio Figura 18 Conexões com sensores e atuadores ponto a ponto elevado número de condutores de um único condutor denomi nado barramento Neste condu tor todos os dispositivos asso ciados trocam os seus dados de maneira organizada pois os dados não podem ser perdidos uma vez que o dado industrial temperatura nível pressão va zão número de peças etc va ria no tempo e se deixarmos de acessálo por um período não teremos mais como saber o que ocorreu durante esse intervalo em que ficamos sem acesso 87 UNIDADE 3 A Figura 19 apresenta um exemplo de arquitetura de redes em que podemos observar no nível superior a rede de computadores em que os PCs e os servidores estão conectados A seguir podemos identificar o barramento de rede industrial em que os dispositivos industriais se conectam Neste ambiente máquinas podem enviar e receber dados ao controlador CLP entidade capaz de traduzir os dados do processo em pacotes que são enviados e recebidos por meio da rede de computadores Figura 19 Exemplo de rede industrial e interconexão com a rede de computadores Fonte o autor Note alunoa que nas redes industriais existem dispositivos de entradas e saídas ou dispositivos que desempenham as duas funções entradas e saídas ao mesmo tempo É importante ressaltar que nos barramentos de redes industriais os níveis de tensão não são compatíveis com os níveis de tensão das redes de computadores e o formato de envio de dados no meio é específico de cada tecnologia de acordo com o tipo de rede e os seus dispositivos Uma característica marcante das redes industriais é o sistema mestreescravo em que há uma entidade na rede definida como mestre e as demais entidades são classificadas como escravos Há protocolos de redes que utilizam apenas um mestre por barramento e outros permitem múltiplos mestres ou seja mais de um mestre no mesmo barramento O mestre tem como papel fundamental gerir o funcionamento dos escravos de modo a acessar os dados de cada um e prever ações em cada dispositivo A grande diferença desse sistema em relação às redes de computadores sem hierarquia é quando o mestre se comunica com um escravo apenas os dois trocam dados os demais ficam em silêncio durante a comunicação de ambos Assim que ocorre a finalização da comunicação o mestre e outro escravo começam a se comunicar PC CLP CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL DISPOSITIVOS CONECTADOS À REDE INDUSTRIAL BARRAMENTO DE REDE INDUSTRIAL IHM DISPOSITIVO DE ENTRADA E SAÍDA SINALIZAÇÃO DISPOSITIVOS DE SAÍDA SENSORES DE CHAVES DISPOSITIVOS DE ENTRADA CONTROLE DE MOVIMENTO DISPOSITIVOS DE SAÍDA BARRAMENTO DE REDE DE COMPUTADORES 88 UNICESUMAR BARRAMENTO DE REDE INDUSTRIAL Mestre Escravos 1 2 3 4 5 Em uma rede industrial não deve haver mais de dois disposi tivos se comunicando ao mesmo tempo Isto provocaria a colisão de dados e estes seriam perdidos Por este motivo há o conceito de acesso direto entre o mestre e um determinado escravo por tempo limitado e só ao final da comunicação estabelecida é que outra comunicação é iniciada sempre de dois em dois dispositivos o mestre e o escravo conforme a Figura 20 Na Figura 20 o mestre é representado por um CLP e os dispositivos conectados no mesmo bar ramento são os escravos que por sua vez possuem funções específicas Note que cada dispositivo na rede também conhecido como nó da rede ou host possui um endereço único Assim quando o mestre envia uma mensagem para um escravo nela está incluso o endereço do dispositivo escra vo para que apenas ele estabeleça a comunicação com o mestre durante esse período Perceba que enquanto o mestre se comunica com o escravo 3 os demais estão aguardando a solicitação do mestre e durante esse período não enviam mensagens no barramento de acesso comum até que o mestre os acesse de acordo com ciclo de varredura da rede Dessa maneira é possível definir para cada dispositivo o seu tempo de acesso de acordo com a necessidade Por exemplo em determinado pro cesso um dado sensor de temperatura não regis trará alterações no valor mensurado em tempo menor do que cinco segundos enquanto que um sensor de vazão pode detectar a vazão de um gás com variações em frações de milissegundos logo fazse necessário ler o valor do sensor de vazão com maior frequência do que o sensor de tempe ratura dadas as especificidades de cada um Esta característica das redes industriais deve ser levada em conta para que a gestão de acesso aos dados no meio compartilhado seja eficiente e não haja consumo de banda em excesso e de maneira desnecessária por parte de alguns dispo sitivos enquanto que outros necessitam de mais leituras por conta da dinâmica do processo ao qual estão aplicados Com o objetivo de apresentar as especifici dades das redes industriais abordaremos nesta seção as suas principais tecnologias e as caracte rísticas que as denominam como industriais além de aplicações e limitações de sua estrutura Para apresentar os diferentes tipos de redes industriais classificamolas em três grupos SENSORBUS DEVICEBUS PROFIBUS Figura 20 Sistema mestreescravo comunicação entre o mestre e um escravo apenas Fonte o autor 89 UNIDADE 3 A Figura 21 apresenta a orga nização das classes de redes industriais de acordo com os tipos de dados que os dispositi vos utilizam para automatizar o processo Como exemplo pode mos citar dispositivos que têm a possibilidade de assumir apenas dois estados ligados ou desliga dos sem estado intermediário como solenoides lâmpadas botoeiras etc São dispositivos que operam em controle lógico em nível de bit logo a rede que pode interligálos é da classe SENSORBUS TIPO DE DISPOSITIVOS TIPO DE CONTROLE SENSORBUS DEVICEBUS PROFIBUS CONTROLE LÓGICO CONTROLE DE PROCESSO bit Byte kByte Figura 21 Classificação das redes industriais Fonte adaptada de Lugli e Santos 2011 temos os transmissores de temperatura vazão pressão nível posicionadores de válvula etc Normalmente as redes industriais interligam equipamentos que operam em ambiente de área clas sificada a qual remete a um ambiente com atmosfera potencialmente inflamável ou explosiva logo qualquer centelha pode causar um acidente ou explosão sendo necessário que cada dispositivo ou rede sejam adequados para operar nesse ambiente com as blindagens necessárias para evitar qualquer faísca o que pode resultar em uma catástrofe A indicação que define uma área classificada é a sigla Ex conforme mostrado na Figura 22 em que placas com esta inscrição são inseridas no ambiente onde há esta condição e também na etiqueta dos dispositivos compatíveis com essa situação específica Os dispositivos que podem realizar o controle de velocidade por exemplo dependem de mais dados em nível de byte A rede que opera nesta classe é denominada rede DEVICEBUS utilizada para interligar inversores de frequência soft starters Interface Homem Máquina IHM sensores atuadores botoeiras sinalização etc Quando os dispositivos exigem determinada complexidade ne cessária para controlar um processo o volume de dados aumenta e passa a utilizar vários bytes ou até kbytes kB 1000 bytes Esses dispositivos são interligados por redes da classe PROFIBUS que significa Process FIELDBUS do inglês Rede Industrial de Processo Como exemplo de dispositivos que utilizam essa classe de rede 90 UNICESUMAR As indústrias químicas e petroquímicas possuem vários estágios de produção que apresentam riscos de explosão por con ta da formação de gases potencialmente inflamáveis Para que um instrumento possa ser utilizado nestas instalações é necessário que ele atenda às diretrizes de segurança previstas para área classi ficada No ambiente onde você trabalha há gases inflamáveis Se sim você conhece os procedimentos de segurança para atuar nesse ambiente Os instrumentos que você utiliza estão adequados ao uso em áreas classificadas É indispensável muita atenção com a segurança das pessoas principalmente em ambientes industriais onde há a presença de gases ou substâncias potencialmente inflamáveis A partir dessa etapa dos nossos estudos citaremos algumas tecnologias de redes industriais aplica das aos processos e às suas principais características Começaremos com as redes de controle lógico passando às redes de controle de movimento e de processo contemplando algumas tecnologias para servirem de referência ao profissional atuante na indústria Figura 22 Área classificada ambiente com atmosfera po tencialmente explosiva ou inflamável As tecnologias de redes da classe SENSORBUS atuam geralmente transferindo dados em nível de bit ou seja quando o estado de um dispositivo é alterado de ligado para desligado por exemplo ou uma peça está presente ou ausente definindo que o status enviado para designar a ação do dispositivo depende de apenas dois níveis ora em nível 0 ora em nível 1 As tecnologias de redes industriais foram concebidas para atuar com dispositivos do tipo liga e desliga como solenoides botoeiras sensores de proximidade etc conforme mostrado na Figura 23 A tecnologia mais difundida é por exemplo AtuadorSensor interface ASi 91 UNIDADE 3 Figura 23 Dispositivos de atuação lógica a eletroválvula b comando e sinalização e c sensores de proximidade A B C A tecnologia de rede ASi apresenta algumas características que a distinguem Possui barramento de dados energizado que permite alimentar e conduzir os dados no mesmo cabo Permite que sejam associados dispositivos diretamente no cabo tronco com facilidade Permite várias topologias estrela barramento e árvore Conduz até 4 bits de dados podendo ser quatro entradas e quatro saídas Possui três versões disponíveis Apresenta taxa de transmissão fixa de 1675 kbps O barramento de dados permite comprimento máximo de 100 m por trecho podendo chegar até 300 m com repetidores algumas literaturas apresentam atualmente alcance de até 600 m com repetidores e casadores de impedância sendo 200 m por trecho A tecnologia de rede ASi é altamente indicada para operar em ambiente em que há dispositivos que atuam com nível de bit Dispositivos que necessitam de mais dados para representar o seu estado sugerem o uso de tecnologias de redes as quais serão abordadas na sequência Na classe de redes DEVICEBUS os equipamentos utilizam mais dados para transmitir as suas men sagens pois os dados significam números que podem ter vários dígitos e status de vários registradores da memória do dispositivo o que atende a maior parte das aplicações de automação podendo integrar desde dispositivos com dados em termos de bit até dados que necessitam de alguns bytes 1 byte 8 bits como a velocidade do eixo de um motor ou a temperatura de um forno Além disso um barramento de rede da classe DEVICEBUS pode atender a algumas aplicações de controle contínuo em que os dispositivos sensores informam ao controlador o valor da variável de processo e com base neste valor decisões são tomadas Como exemplo temos o controle de vazão de um silo de armazenamento de água em um processo de fabricação de refrigerante em que de acordo com a vazão que é a variável do processo o controlador estabelece o percentual de abertura da válvula para que apenas a quantidade exata seja disponibilizada de acordo com a necessidade do processo conforme a Figura 24 92 UNICESUMAR Figura 24 Controle de processo controle de vazão Fonte o autor VÁLVULA DE CONTROLE V1 TUBO DE VENTURI SENSOR DE VAZÃO CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL PE1 CLP1 TK1 TK2 Veja na Figura 24 que o CLP re cebe o sinal do sensor de vazão processao e atua sobre a válvula para que esta possa abrir e fechar apenas na proporção necessária assim o fluido armazenado no TK1 é transferido para o TK2 de maneira controlada Os exemplos mais comuns de tecnologias de redes da classe DEVICEBUS são DeviceNet e Profibus DP Embora existam mais tipos essas duas tecnolo gias representam boa parte dos barramentos atualmente em operação porém não podemos deixar de reconhecer que a tec nologia Ethernet industrial está inclinada a se tornar a tecnologia dominante no ambiente da indústria Para fins de referência adotaremos a tecnologia DeviceNet para apontar as principais características Acesso a até 62 dispositivos conectados por barramento permite 64 mas dois en dereços são de uso do sistema scanner e dispositivo extra Barramento de até 500 m Baseado no protocolo CAN Velocidades de 125 250 e 3500 kbps Barramento energizado com 24 V Derivações de até 6 m Não permite topologia em anel Baseado em perguntas e respostas Possui resistores de terminação de 121 Ω instalados nos extremos do barramento Interliga dispositivos como entradas digi tais diversas contatos botoeiras chaves fim de curso etc sinalização sensores inver sores de frequência soft starters IHMs etc Os dispositivos que são atendidos pelo barramen to de rede de tecnologia DeviceNet podem ter recursos de controle e com isto necessitam enviar dados em volumes significativos Para minimizar a chance de falhas na comunicação de dados de dispositivos e realizar a manutenção na rede uti lizase um equipamento que analisa os dispositi vos da rede em cada nó 0 a 63 e informa o erro caso ocorra para que o operador da rede possa interagir com ações corretivas O equipamento é conhecido como Devicemeter ou simplesmente analisador de rede DeviceNet Você irá acompanhar a partir de agora alguns exemplos de tecnologias de redes em ambiente industrial as mesmas que podem ser utilizadas na indústria de álcool e açúcar química metalúrgica automobilística etc A tecnologia de rede PROFIBUS foi desen volvida para atender ao controle de processos bastante clássicos em indústrias químicas e petro químicas em usinas de álcool e açúcar etc 93 UNIDADE 3 Os dispositivos que se interligam pelas redes PROFIBUS normalmente atuam em áreas classi ficadas e dependem de blindagem para proteção logo o seu gabinete é à prova de explosão e os seus dados são enviados via rede para a entidade de controle que pode ser um computador um CLP ou até mesmo um dispositivo da própria rede A Figura 25 mostra um operador realizando o procedimento de configuração e calibração de um transmissor de pressão interligado a um bar ramento de rede da classe PROFIBUS Figura 25 Operador do processo realizando calibração de transmissor de pressão em indústria petroquímica Os exemplos mais comuns de redes dessa classe são PROFIBUS PA e Foundation FIELDBUS Ambos os exemplos interligam dispositivos de processo como transmissores posicionadores etc Normalmente em uma rede PROFIBUS PA por exemplo os dados do processo são enviados para uma entidade mestre que realiza o controle por exemplo de abertura de uma válvula Por outro lado na tecnologia Foundation FIELDBUS o controle pode permanecer na própria rede embarcado no próprio dispositivo São características das redes de tecnologia PROFIBUS Atende à área classificada Interliga dispositivos de controle de processo industrial Interliga uma quantidade de dispositivos reduzida por conta de diretrizes de segurança área classificada porém em ambientes fora da área classificada pode integrar até 32 dispositivos por barramento Velocidade de 3125 kbitss Admite as topologias barramento estrela e ponto a ponto Atende até 1900 m em seu barramento com expansão para até 10 km com quatro repetidores Característica do sinal de rede Codificação Manchester com modulação ASK As redes da classe PROFIBUS atendem ao controle de processos Apresentam custo elevado e se jus tificam em casos em que o processo apresenta características de controle crítico áreas classificadas etc Os seus dispositivos são extremamente resistentes e suportam aplicações ao ar livre instalados em torres de destilação e em processos expostos às intempéries da natureza A seguir serão apresentadas as interfaces que possibilitam a interação com os dados do processo por meio de telas para a visualização e as ações programáveis 94 UNICESUMAR A partir daqui você irá aprender alguns conceitos fundamentais acerca de sistemas supervisórios industriais mais conhecidos como Interface Ho memMáquina ou pela sigla IHM Desde o advento dos computadores pessoais e das interfaces gráficas todos os processos passa ram a utilizar plataformas capazes de representar em uma tela de computador as suas ações para permitir interação seja no mundo da indústria ou até mesmo no mercado de jogos eletrônicos Na indústria até meados dos anos 80 para vi sualizar os dados de um processo dentro de uma sala de controle utilizouse o conceito sinótico de processo que era nada mais do que uma sala em que em uma das paredes ou em mais de uma era montado um painel com o desenho do processo Neste desenho havia indicadores luminosos lâmpadas que acendiam para indicar que o motor cor respondente àquele do desenho estava acionado ou até mesmo havia um manômetro dentro da sala de controle ligado até o processo por meio de conexões para assim permitir a leitura da pressão à distância Figura 26 Sinótico de processo antecessor das modernas IHMs A Figura 26 apresenta um exemplo de sinótico de processo industrial e os indicadores que permi tem o controle e a visualização das variáveis Um detalhe importante é que neste tipo de tecnologia na maioria dos casos o registro das variáveis era manual pois não contava com memória eletrô nica para o armazenamento dos dados ao longo do tempo Durante a década de 80 em diante começaram a surgir as telas de IHM com os recursos de um computador mas ainda sem dinâmicas interativas Na atualidade porém temos as telas de IHM com tecnologia touch screen que permitem ao projetista inserir os botões do processo na tela e assim vincular com o CLP os elementos a serem comandados além de mostrar gráficos de tendências in terpretar alarmes do sistema etc As IHMs revolucionaram a forma de controlar os processos industriais Elas acessam os dados do programa e os vinculam a recursos gráficos em que um operador pode interagir e controlar dosagens velocidades quantidades de peças etc A Figura 27 mostra um exemplo de IHM moderna em que um operador assiste ao processo realiza manobras e registra os dados em tempo real 95 UNIDADE 3 Figura 27 Sistema supervisório industrial IHM moderna As telas que representam os processos industriais podem ser encontradas em modelos dedi cados para montagem direta no painel da máquina conforme Figura 28 Há processos de fabricação em que há a necessidade de manipular variáveis constan temente diretamente no chão de fábrica e os parâmetros do processo devem ser editados pelos operadores de acordo com a necessidade por exem plo a dosagem de um dado in grediente o tempotemperatu ra de mosturação a velocidade de aquecimento nessa mesma mosturação etc Situações como estas exigem que o controle esteja ao alcance das mãos dos operadores que por sua vez possuem níveis de acesso definidos de acordo com o seu setor ou a sua área de atuação atribuindo poderes que vão desde apenas visualizar o processo até editar parâmetros funcionais de controle de um processo complexo conforme a Figura 29 Figura 28 Exemplo de IHM instalado no painel de controle de um robô industrial Figura 29 Operadores alterando parâmetros funcionais de um processo por meio de uma IHM 96 UNICESUMAR As aplicações das IHMs são difundidas nas indústrias farmacêutica alimentícia metalúrgica mine radora militar química e em muitas outras em que existe a automação industrial de alto nível e em que principalmente os dados possuem valor agregado tanto para análise quantitativa quanto para rastreabi lidade e controle de demanda Um exemplo disso é a fabricação de medicamentos caso haja um evento de problemas com determinado produto todos os ingredientes deverão ser rastreados e analisados de acordo com o histórico de fabricação de seu lote para fins de identificação da origem do problema As tecnologias estudadas até aqui permitem a visibilidade do processo e permitem que ele seja controlado em tempo real A partir dessa etapa iremos entrar em um ambiente no qual os diferentes tipos de processos serão apresentados São muitos os itens que atualmente dependem da Automação Industrial sejam eles alimentícios ou não pois o consumo de bens dita modelos e normas a serem seguidos e que apenas a indústria moderna pode seguir Exemplos desta tendência são os padrões que os nossos modernos smartphones apre sentam Independentemente de onde você o adquira ele sem pre mantém a qualidade anun ciada ou até mesmo as suas placas eletrônicas Figura 30 que devem apresentar sempre as mesmas características para um mesmo modelo de produto Este aspecto remete ao controle de qualidade o qual só é possí vel na indústria moderna com o uso de recursos automatizados Figura 30 Placa de circuito impresso e componentes eletrônicos modernos padrões de qualidade elevados Mais profundamente podemos avançar no mundo da fabricação de itens os quais sem eles não seria possível ter um smartphone de pequenas dimensões ou um televisor de tela fina São os com ponentes eletrônicos de alto grau de integração Estes componentes têm capacidades de verdadeiros computadores completos são os microcontroladores que possuem recursos de inteligência embarcada e programação de altíssimo nível e deste modo fazem parte do nosso dia a dia cada vez mais Qualquer aparelho telefônico moderno por exemplo precisa de um microcontrolador ou de um microprocessador para funcionar pois existe a relação entre os programas que utilizamos softwares e a parte eletrônica que realiza as tarefas hardware Ao longo dos anos assistimos à transição de uma fase da tecnologia na qual classificávamos os componentes eletrônicos como itens de microeletrônica Atualmente com a miniaturização este termo passou de micro para nanoeletrônica de 106 para 109 dadas as dimensões internas dos elementos semicondutores que formam os componentes eletrôni cos logo o seu projeto e a sua fabricação dependem de um processo com elevadíssimos padrões de qualidade e precisão 97 UNIDADE 3 A Figura 31 mostra um mi croprocessador moderno em encapsulamento semelhante ao utilizado pelos smartpho nes modernos Esta tecnologia de integração permite que um componente tão pequeno faça um aparelho telefônico de bolso ultrapassar a capacidade de pro cessamento de muitos compu tadores pessoais que até cinco anos atrás eram considerados de alto desempenho Há tipos diferentes de automação de processos produtivos que se identificam de acordo com a sua dinâmica ou seja há aqueles que apresentam comportamentos finitos cuja definição se dá por quantidade ou volume São os processos discretos ou de batelada enquanto outros processos não podem ser interrompidos portanto são contínuos Esta análise é necessária para que você possa diferenciar os vários tipos de processos e suas parti cularidades conforme iremos abordar mais adiante Imagine uma indústria de alimentos em que determinado tipo de produto depende da mistura de 7 ingredientes diferentes com as suas proporções percentuais seguindo uma receita Quando a indús tria inicia o processo de fabricação desse tipo de produto ela apenas define a quantidade do lote a ser produzido por exemplo 300 litros de produção total e cada ingrediente é dosado de acordo com o seu percentual dentro do total a ser produzido Uma vez dosados os ingredientes ocorre o processo de mistura durante o intervalo de tempo e por fim a embalagem do produto neste momento estabelecese o fim do processo de produção de um lote Esse lote ao qual nos referimos é denominado batelada Este termo é característico de processos descontínuos ou discretos os quais têm um momento de início de tempo de processo e de fim distintos e como resultado apresentam um lote de produto final Este comportamento é característico da indústria alimentícia bebidas rações Figura 32 farma cêutica metalúrgica componentes eletrônicos aparelhos celulares etc e se caracteriza por produzir determinada quantidade de produto final que pode variar em volume mantendo as mesmas propor ções de seus ingredientes Figura 31 Microprocessador moderno com dimensões reduzidas 98 UNICESUMAR Na indústria de alimentos para animais um lote de fabricação de rações pode ser classificado como batelada assim os ingredientes de um determinado tipo específico de ração são adicionados propor cionalmente ao volume final pretendido de produção e ao fim do processo podese iniciar outro lote ou batelada de rações com um intervalo de tempo entre o fim do primeiro e o início do segundo lote podendo variar em volume conforme a necessidade Uma vantagem importante dos processos descontínuos é que a rastreabilidade de seus produtos é mais fácil sendo possível identificar e corrigir problemas além de ter intervalos de interrupção que permitem a manutenção preventiva e preditiva em momentos nos quais a máquina não está produ zindo e com isto não há impactos sobre a produtividade e as metas Como desvantagens podemos observar que em processos descontínuos a produtividade apresenta momentos de produção zero e isto onera o processo mais caro além de consumir energia em excesso sempre que um processo é religado partida de motores aquecimento de fornos etc Quando nos referimos aos processos contínuos logo temos em mente um processo que não pode ser interrompido e que possa produzir o máximo possível no menor intervalo de tempo Normalmente em um processo contínuo a planta industrial é projetada de modo a viabilizar a produção ininterrupta utilizando os recursos necessários para que esta condição se mantenha e o fluxo de produção não seja interrompido Como exemplo temos o uso de robôs e de processos altamente automatizados que independem de pessoas o máximo possível Os processos contínuos são caracterizados pelos processos químicos como refino de óleo bruto geração de energia elétrica etc Figura 33 em que não há parada de máquina para manutenção É necessário prever caminhos alternativos para comutar o fluxo do processo em caso de falha de alguma máquina e assim não interromper a produção até que a manutenção seja realizada Figura 32 Exemplo de um produto fabricado em bateladas rações para animais produção em lotes com quantidades distintas 99 UNIDADE 3 O processo contínuo apresenta a vantagem de produzir o máximo possível enquanto está ativo e com isto ele valoriza ou aproveita ainda mais os recursos das máquinas disponíveis uma vez que o inves timento no maquinário está diluído na capacidade de produção do processo e consequentemente quando uma máquina está parada sem produzir ela não está gerando retorno para o investimento feito na sua aquisição Também apresenta a vantagem de não desligar as máquinas e com isto não há partidas intermitentes que consomem energia e desperdiçam recursos A desvantagem desse tipo de processo é que para se manter contínuo os seus equipamentos não podem ser desligados e por isto eles devem ser robustos portanto de custo elevado além de manter a equipe de operação em ação durante todos os turnos para acompanhar a produção Quando um processo é contínuo e um de seus estágios é interrompido por exemplo por causa de alguma falha deve haver uma alternativa para desviar o fluxo do processo por outro caminho ou todo o processo será interrompido e a demanda que deixa de ser produzida durante este período significa prejuízo Um exemplo é uma usina que atua em produção contínua de álcool e uma de suas moendas quebra por falha em um rolamento Figura 34 Em regime de plena operação o processo produz R 500 mil por hora de álcool Contudo durante a parada da máquina que interrompeu o processo por 3 horas deixouse de produzir 15 milhão de reais sem contar o custo de acionamento das máquinas que consomem cerca de R 30 mil para estabelecer novamente o funcionamento do processo Este exemplo é real com base em uma usina de álcool instalada no norte do estado do Paraná e sinalizanos a preocupação com a manutenção e com o acompanhamento das variáveis vitais ao fun cionamento do processo ações que se tornam mandatórias quando o processo é contínuo Figura 33 Indústria química produção sem interrupções 100 UNICESUMAR Figura 34 Moenda de canadeaçúcar em usina de álcool Há muitos assuntos relacio nados ao estudo das comuni cações de redes industriais e a leitura desta unidade introduz uma base significativa para o entendimento das principais tecnologias utilizadas no am biente em que há a produção de alimentos ou demais processos Nas próximas unidades avança remos em temas que fortalecem ainda mais a análise de disposi tivos e suas aplicações Quando o assunto é Auto mação Industrial sempre há aqueles que perguntam para que serve isso Para responder devemos primeiro fazer uma análise rápida dos itens que temos ao nosso alcance roupas alimentos paredes computadores aparelhos de celular energia elétrica etc A importância da automação está principalmente na padronização dos produtos que consumimos na produção em grandes escalas na rastreabilidade de cada lote de produção na acessibilidade dos dados do processo no planejamento de ações e principalmente na qualidade de vida das pessoas que podem contar com produtos e serviços cada vez melhores e a custos mais acessíveis 101 MAPA MENTAL DIRETORIA GESTÃO CHÃO DE FÁBRICA DISPOSITIVOS CLP REDE DE DISPOSITIVOS REDE DE COMPUTADORES INVERSOR DE FREQUÊNCIA IHM TRANSMISSOR ENTRADAS E SAÍDAS REMOTAS Servidor Servidor Servidor Servidor Figura 35 Rede industrial interligando desde dispositivos industriais até servidores e computadores pessoais da alta gestão Com base na figura produza um mapa conceitual que relacione as tecnologias de rede envolvidas no ambiente industrial Analise a imagem da Figura 35 e veja que o meio físico que interliga os diferentes tipos de dispositivos é o mesmo porém os equipamentos têm funcionamentos distintos Chegamos até aqui e isso significa que devemos avaliar o quanto aprendemos sobre esta unidade Vamos analisar o mapa de rede a seguir 102 MAPA MENTAL DIRETORIA GESTÃO CHÃO DE FÁBRICA DISPOSITIVOS REDE DE DISPOSITIVOS REDE DE COMPUTADORES AGORA É COM VOCÊ 103 1 Em um processo industrial a presença dos computadores é importante para analisar os dados oriundos de sensores que enviam os seus dados ao CLP De acordo com o conhecimento de redes de computadores e desta afirmação assinale a alternativa correta a Os sensores industriais não dependem do computador para enviar os dados uma vez que todos eles operam com padrão elétrico de 0 a 5 V b As IHMs são entidades capazes de controlar um processo por meio de entradas dadas em sua tela touch screen em que é possível alterar parâmetros do processo de acordo com o nível de acesso do usuário c As redes industriais substituem as redes de computadores e podem se conectar diretamente a qualquer dispositivo de rede corporativo d A camada física é a terceira camada do modelo de referência OSI e A tecnologia de rede DeviceNet tende a ser a rede dominante entre os computadores nos pró ximos anos 2 Uma planta industrial com sensores de proximidade sensores de variáveis analógicas comando e sinalização controle de velocidade e de posição contratou um profissional para definir quais tecnologias de redes industriais poderiam ser utilizadas para atender à sua necessidade Foi adotada uma tecnologia que integrou todos os dados no sistema e assim a empresa tem acesso transparente a todos os indicadores Em relação à solução encontrada pelo profissional assinale a alternativa correta a Adoção de uma rede de classe SENSORBUS pois atende a todos os dispositivos do processo b Adoção de uma rede de classe PROFIBUS e uma de classe SENSORBUS pois as duas são com plementares c Adoção de uma rede DEVICEBUS pois atende plenamente a todos os itens do processo d Adoção de uma rede de classe PROFIBUS pois atende a todos os dispositivos do processo e Nenhuma das alternativas anteriores está correta 3 As indústrias normalmente são classificadas como as que empregam processos contínuos ou descontínuos em que há a diferenciação da dinâmica de funcionamento e de fluxo de materiais Em relação ao processo contínuo podemos afirmar que as suas características são a Manterse operante apenas durante os dias úteis b A manutenção é mais fácil do que nos processos de batelada pois é possível interromper o processo sem perdas ou prejuízos c Produzir o máximo possível por dia e reduzir a hora extra d Indústrias de fabricação de rações são consideradas processos contínuos e Produzir o máximo possível no menor tempo evitando desperdícios e perdas de produção AGORA É COM VOCÊ 104 4 Na indústria de alimentos há sensores e atuadores além de motores que acionam as esteiras e as demais máquinas utilizadas na fabricação dos produtos Com base nestas informações assinale a alternativa correta a Tratase de um processo contínuo com dispositivos que podem ser integrados por uma rede de classe SENSORBUS apenas b É uma empresa que opera com processo descontínuo e a tecnologia empregada para integrar os dados pode ser uma rede PROFIBUS PA c Esse processo pode ser integrado utilizando uma rede de classe DEVICEBUS pois apresenta dispositivos de processo d Tratase de um processo descontínuo integrável por rede de classe DEVICEBUS e Esse processo é contínuo discreto e pode ser integrado plenamente por uma rede do tipo ASi 5 Em ambientes industriais há setores que podem oferecer riscos de acidentes por explosão pois há o confinamento de gases potencialmente inflamáveis Sobre as definições de área classificada é correto afirmar que a Em caso de ambientes com confinamento de gases explosivos os operadores devem utilizar instrumentos compatíveis com área classificada e procedimentos de segurança específicos b Em ambientes com área classificada os dispositivos eletrônicos são proibidos inclusive os ins trumentos pois não há equipamentos aptos para operar nesse ambiente c O termo Ex indica área classificada e implica que há substâncias corrosivas e derrapantes dispostas na área d Indústrias químicas são exemplos de processos descontínuos indiscretos e portanto não apre sentam ambientes de risco de explosão e O instrumento a ser utilizado em ambientes de Ex não apresenta isolação entre o ar atmosférico e o ar que circunda os circuitos eletrônicos para assim evitar a formação de arcos voltaicos 6 A interface homemmáquina foi desenvolvida com o objetivo de permitir o acesso ao controle de processo com visibilidade em tempo real Sobre as tecnologias de IHM assinale a alternativa correta a A IHM tem como objetivo permitir que o operador acesse o seu email e as redes sociais direta mente do painel da máquina b Somente sensores da classe de processo podem se comunicar com uma IHM pois os demais não podem acessar à rede c Uma IHM permite que usuários autorizados alterem parâmetros e comandem o processo com visibilidade e controle de acesso d Os sinóticos de processo são mais eficientes do que as IHMs pois apresentam mais dados do processo e facilitam o registro histórico e Um sistema supervisório pode ser utilizado apenas em um computador pessoal ficando limitado a uma sala de controle que não oferece visão do processo CONFIRA SUAS RESPOSTAS 105 1 B A IHM é a interface que permite a interação entre o processo e o usuário assim alterações nos parâ metros de controle são possíveis por meio deste recurso 2 C A família de tecnologias de rede Devicebus atende as necessidades dos dispositivos utilizados no processo 3 E Por definição processos contínuos visam à máxima produção no menor tempo evitando desperdícios e perdas de produção 4 D As máquinas deste tipo de indústria operam em regime de batelada logo descontínuo e os dispositivos podem ser interligados por uma rede Devicebus 5 A Em áreas classificadas os dispositivos não podem produzir centelhas que venham a inflamar os gases confinados 6 C A IHM tem objetivos relacionados ao controle de processos e acesso a parâmetros realizando controle de acesso da equipe autorizada a operar o processo REFERÊNCIAS 106 HIRSCHMANN ELECTRONICS GMBH CO Basics Manual Local Area Network LAN Neckarten zlingen Hirschmann Electronics 2001 IEEE COMPUTER SOCIETY 80211 Wireless LAN Medium Access Control MAC and Physical Layer PHY Specifications Amendment 10 Mesh Networkin New York IEEE Computer Society 2011 Disponível em httpwwwieee802org11 Acesso em 1 jun 2020 IEEE COMPUTER SOCIETY 8023ah Media Access Control Parameters Physical Layers and Management Parameters for Subscriber Access Networks New York IEEE Computer Society 2004 ISO International Organization for Standartization 880232000 Telecommunications and information ex change between systems Local and metropolitan area networks Specific requirements Part 3 Carrier sense multiple access with collision detection CSMACD access method and physical layer specifications New York ISOIEC JTC 1SC 6 2000 LINEAR TECHNOLOGY LTC4259A Quad IEEE 8023af Power over Ethernet Controller with AC Discon nect Milpitas Linear Technology 2003 LUGLI A B SANTOS M M D Redes Industriais para Automação Industrial ASI PROFIBUS e PRO FINET São Paulo Érica 2011 MAYTUM M Testing Ethernet Ports including Power Over Ethernet 8023at and the 8023at variant Ge neva IEEE Internal TDT Document 137 GEN5 May 2009 TANENBAUM A S SOUZA V D Redes de computadores Rio de Janeiro Elsevier 2003 MEU ESPAÇO MEU ESPAÇO 4 OPORTUNIDADES DE APRENDIZAGEM Tecnologia de Automação de Processos Industriais Me Fábio Augusto Gentilin Nesta unidade você terá a oportunidade de se aprofundar nos principais assuntos relacionados à automação de processos industriais com o uso de dispositivos programáveis de controle bem como estará apto a conhecer os dispositivos programáveis CLP CNC etc e as suas principais características Você sabe como funciona um computador industrial capaz de realizar a leitura de sensores de di versas variáveis com a capacidade de processar dados e realizar cálculos matemáticos avançados comunicarse em rede e ainda acionar dispositivos como por exemplo motores e válvulas Este tipo de equipamento pode tomar decisões e atua com papel central no controle de processos industriais como a entidade que pensa e mantém estáveis as variáveis sob as quais a fabricação dos produtos de nosso desejo dependem tanto Ficou na dúvida Vou perguntar novamente porém com um outro exemplo sabe quando você entra no elevador e pressiona o número do andar desejado Você sabe como o número digitado é interpretado Quem realiza essa tarefa Como o elevador pode se dirigir até o andar e ainda atender ao chamado de outras pessoas que estejam pelo caminho Como é possível que o movimento de subida e descida seja suave para manter o conforto de quem ocupa o elevador A necessidade de controlar processos industriais sempre foi iminente desde os primórdios da indústria porém naquele tempo a sociedade não dispunha de tecnologias como as de hoje logo as ideias relacionadas ao controle pouco saiam do papel Atualmente é possível desfrutar das plataformas computacionais baseadas em microprocessado res e microcontroladores que têm a capacidade de interpretar dados de entrada processálos em alta velocidade e acionar dispositivos de saída com desempenho notável A trajetória de voo de um avião a velocidade de um elevador a dosagem de ingredientes de um medicamento tudo isso é programado Cada necessidade da indústria dispõe de tecnologias capazes de acionar dispositivos baseado em sentenças de entrada e comparação com valores predefinidos por software Tudo isso é possível graças aos materiais semicondutores que foram estudados durante o século XX e que permitiram a fabricação de fantásticos dispositivos programáveis memórias circuitos lógicos e demais periféricos que permitem a comunicação de dados e o controle de processos industriais 110 UNICESUMAR Vamos imergir em nossos estudos realizando uma experiência simples ao analisar um dispositivo smartphone identifique Dispositivos de entrada Dispositivos de controle Dispositivos de saída Além disso liste as tecnologias de comunicação disponíveis para este modelo Protocolos de comunicação Faixa de frequência Agora relacione as seguintes informações Capacidade máxima de memória armazenamento de dados Clock do microprocessador Número de núcleos do microprocessador 111 UNIDADE 4 112 UNICESUMAR Para que possamos refletir a respeito de nossa experiência até aqui convido você a analisar o exemplo de um processo industrial em que são fabricadas rações para alimentar aves frangos Para este processo a indústria dispõe de elementos sensores em diversas áreas desde o recebimento da matériaprima até o rastreamento dos pacotes finalizados da ração Os sensores variam em suas tecnologias podendo ser Células de carga sensores piezoelétricos para mensurar o peso da mistura balança incorpo rada no silo Sensores capacitivos para mensurar o nível de reservatório Sensores fotoelétricos para indicar a presença de embalagem no processo de empacotamento Sensor de temperatura para indicar a temperatura em diversos ambientes do processo motores misturador etc Também há atuadores que são capazes de acionar os eixos dos trituradores de grãos ou mesmo os potentes misturadores de toneladas de cereais moídos que se homogeneízam aos demais ingredientes São por exemplo motores elétricos de alimentação trifásica válvulas sinalização servomecanismos etc A interação entre os sensores e os atuadores depende de uma entidade capaz de interpretar os dados enviados pelos sensores inserilos na lógica de programação existente programada por um profissional da área de Automação Industrial que com base em seus valores predefinidos realiza a manipulação de variáveis que atuam diretamente no controle de velocidade de eixos de motores ângulo de abertura de válvulas ou a posição de cabeçotes de corte em uma máquina CNC Agora é hora de colocar a mão na massa determine como as entidades de entrada e saída podem interagir com a entidade de controle realizando uma análise do tipo de entradas e saídas citadas neste exemplo a partir de uma planilha que relaciona cada entrada ou saída com o seu tipo analógica ou digital Esse exercício tem como objetivo reconhecer a necessidade de hardware de cada controlador diante de cada caso Mais adiante essa análise fará mais sentido quando você analisar um processo industrial como um todo Seja bemvindoa a esta nova etapa de nosso estudo da Automação Industrial Dessa vez vamos tratar de um dos assuntos mais esperados os dispositivos programáveis Vamos conhecer a partir desta etapa alguns dos mais relevantes dispositivos programáveis utilizados na indústria e que podem ser utilizados em processos de pequeno médio e grande portes Você já notou como a qualidade dos serviços e a aparência dos produtos têm melhorado nos últimos anos Isso porque nos tornamos mais exigentes Uma vez que passamos a utilizar uma tecnologia asser tiva não temos mais tolerância para aquelas que demoram para realizar uma tarefa ou para produtos que são fabricados sem um rigoroso controle de qualidade 113 UNIDADE 4 REALIDADE AUMENTADA Controle de processo Fomos inseridos em um mundo digital no qual o pressionar de um botão nos dá o poder de realizar manobras bancárias pagar contas ler este livro ou até enviar mensagens para pessoas distantes além é claro de postar aquela foto na rede social Todas essas ações fazem parte do nosso tempo e gostamos muito disso porém para que essas tec nologias e facilidades possam existir precisamos dos dispositivos programáveis Eles já fazem parte do nosso dia a dia mas foram inseridos tão silenciosamente que nem sequer percebemos Lembra daquela manhã chuvosa e preguiçosa de segundafeira em que nosso despertador insiste em tentar nos acordar pois está na hora de levantar para iniciar mais um dia de trabalho Sim Aquele despertador desagradável porém indispensável é um dispositivo programável pois podemos confi gurar o horário que desejamos ser acordados e ele executa com maestria essa função Você certamente já aqueceu alimentos com o uso de um microondas certo Pois é no instante em que definiu o tempo e a intensidade de calor estava programando o computador do aparelho para executar exatamente aquela instrução A mesma situação ocorre quando você programa a máquina de lavar para executar a limpeza das roupas passando por ciclos que dependem do tipo de roupa a ser lavado Legal isso não é mesmo Para que os programas ou atualmente como é utilizado o termo apps aplicativos do inglês applications possam ser executados é necessário o uso de entidades de memória que irão conter e rodar o programa em diferentes tipos além é claro da unidade de processamento o microprocessador ou microcontrolador Este último está presente em nossos smartphones relógios digitais máquinas de lavar etc Nesta unidade estudaremos mais sobre as tecnologias que tornam possível o funcionamento do mundo digital que estamos acostumados O conceito geral de dispositivos programáveis é muito abrangente e não se restringe apenas aos equipamentos eletrônicos que conhecemos mas sim a todos os dispositivos capazes de reali zar tarefas de modo determinado e previsto por um conjunto de regras sejam elas temporais ou sequenciais Quando apertamos o botão liga de uma máquina de lavar roupas moderna um sistema complexo entra em ação para que uma sequência de tarefas seja realizada e ao fim a roupa esteja limpa ou pelo menos deveria estar A sequência executada pela máquina de lavar é sem dúvidas uma programação que no caso de uma máqui na sofisticada Figura 1 está gravada em uma memória eletrônica parecida com a memória do pendrive utilizado para armazenar arquivos mas que neste caso armazena instruções para serem executadas por um dispositivo 114 UNICESUMAR Os aparelhos eletrônicos modernos que nos cercam cheios de funções especiais e recursos de conectividade como caixas de som com conectividade sem fio via protocolo bluetooth MP3 players relógios inteligentes smartwatches etc são conhecidos como gadgets do inglês aparelhos e permitem o acesso a mídias diversas que facilitam a vida das pessoas Para que possam funcionar esses gadgets dependem de recursos computacionais dedicados ou seja dentro deles há um pequeno computador capaz de realizar as tarefas que estão pre vistas para ele como armazenar arquivos de música reproduzir músicas sem fio registrar atividades de treino etc Esse pequeno computador normalmente é um microcontrolador que nada mais é do que um componente eletrônico fabricado com os recursos de hardware neces sários ao processamento de dados como unidade lógica aritmética memórias RAM e flash interfaces de entradas e saídas portas de comunicação entradas para sinais analógicos etc A presença de dispositivos programáveis vem aumentando significativamente a ponto de per mitir acesso inclusive a dados de indicadores de produção cada vez mais assertivos e dinâmicos conforme dado na Figura 2 em que um transmis sor de vazão industrial está indicando e transmi tindo os dados do processo diretamente para os controladores e registradores que inferem sobre as estatísticas de produção e comparam com as previsões dadas no planejamento dessa mesma produção Figura 1 Lavadora de roupas moderna a programação está embarcada em um computador dentro da máquina Figura 2 Medição de vazão de fluido em tempo real Esse tipo de equipamento é capaz de infor mar dados reais instantâneos e comunicarse com redes de dispositivos permitindo que gráficos de tendências possam ser exibidos nas telas de sistemas supervisórios dando a visibilidade aos operadores do processo Os dados obtidos pelo equipamento uma vez transferidos aos dispositivos de controle CLPs ou computadores podem ser analisados com maior facilidade permitindo ações estratégicas confor me mostrado na Figura 3 na qual um operador acompanha um processo industrial por meio de um sistema supervisório SCADA Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados 115 UNIDADE 4 A partir dessa etapa você terá uma introdução aos dispositivos programáveis mais utilizados na atualidade Há uma infinidade de dispositivos programáveis que executam funções específicas ao nosso redor e que a cada dia melhoram a qua lidade de vida das pessoas e dos processos de ma nufatura permitindo controles e conectividade impossíveis há alguns anos Esta literatura não tem a intenção de abordar todas as tecnologias disponíveis pois teríamos que estudar um curso inteiro de graduação para ter uma ideia básica de todas elas e ainda assim muitas ficariam de fora pois o universo de tec nologias existentes é muito abrangente e mutável novas tecnologias surgem todos os dias Entretanto para atender às aspirações e às atri buições dos cursos de Engenharia abordaremos as principais e mais usuais formas de dispositivos programáveis encontradas atualmente Faremos Figura 3 Operador de processo industrial monitorando os indicadores por meio de sistema SCADA uma abordagem que se inicia pelos conceitos fundamentais e posteriormente apresentaremos os exemplos práticos mais usuais Um dispositivo programável pode ser definido como um dispositivo capaz de receber e reter um conjunto de instruções que definem o seu comportamento sendo sensível a estímulos internos de entrada ou interagindo com determinada ação na saída conforme a Figura 4 Como exemplo simples imagine um temporizador cujo usuário define o tempo para que um alarme sonoro seja emitido O tempo predefinido pelo usuário é a instrução que determina o início e o fim da programação e a ação de saída é o som emitido Neste caso a programação do evento se dá por simples seleção de tempo de maneira intuitiva não exigindo o domínio do conhecimento de linguagens de programação ou noções de algoritmos pois o ambiente no qual se programa o tempo é limitado à edição deste parâmetro apenas Figura 4 Dispositivo programável Fonte o autor DISPOSITIVO PROGRAMÁVEL ESTÍMULOS DE ENTRADA ESTÍMULOS INTERNOS RESULTADOS SAÍDA 116 UNICESUMAR Um exemplo de dispositivo programável aplicado em controle é o de um Controlador LógicoPro gramável CLP que recebe os dados de sensores em suas entradas dados estes que interagem com a lógica do programa presente em sua memória e com base nas instruções desse programa as saídas do CLP são comandadas Quando nos referimos aos dispositivos programáveis entendemos que há vários tipos e que alguns deles são utilizados para funções específicas como o controle de fluxo de dados a conversão de pro tocolos de comunicação o armazenamento etc Antes de prosseguir vejamos alguns termos fundamentais que serão abordados ao longo desta unidade O estudo de tecnologias voltadas à automação e controle deve ser uma prática contínua pois novos equipamentos surgem a cada dia com inovação em vários segmentos então atualizese para acompanhar essas inovações Programa conjunto de instruções que de finem ações de saída em função de estímu los de entrada ou que são internas em um controlador Exemplo o programa em lin guagem Ladder para o CLP aplicado ao con trole de processo industrial recebe em suas entradas os dados dos sensores para acionar os motores conectados às suas saídas Linguagem de programação é um mé todo padrão utilizado para a programação de dispositivos com recursos computacio nais Por exemplo computadores micro controladores CLPs etc Como exemplo de linguagens de programação podemos citar linguagem C Python Java Ladder Grafcet etc Sintaxe da linguagem de programação é o conjunto de regras que definem as ins truções dentro de uma linguagem de pro gramação sendo que cada linguagem de programação possui a sua própria sintaxe a qual por sua vez pode ou não ter seme lhanças entre si Exemplo sintaxe de C Depurador é o ambiente capaz de depu rar o programa escrito a fim de encontrar possíveis erros de sintaxe que precisam ser corrigidos para a compilação do programa Compilador é o ambiente que conver te o programa escrito em linguagem de programação escrita e interpretada por humanos para um formato aplicável ao dispositivo programável Exemplo compi lador de linguagem C para microcontro lador PIC ao compilar o programa escrito em linguagem C na sintaxe de C conver teo para um formatohex que poderá ser enviado ao gravador para a transferência ao microcontrolador via cabo por meio de comunicação padrão USB ou Ethernet A Figura 5 mostra a relação entre os termos 117 UNIDADE 4 citados com o processo de programação de um dispositivo programável Perceba que a relação entre as entradas e a saída de um dispositivo depende da programação feita em um computador pessoal PC e de uma série de recursos como linguagem de programação depurador compilador e finalmente a transferência do progra ma que ficará armazenado no dispositivo programável Variáveis são as entidades às quais são atribuídos valores dentro de uma progra mação Elas são identificadas para se distin guirem umas das outras dentro do mesmo programa e podem ter tipos distintos de acordo com o tipo de dado que se deseja atribuir podendo por exemplo ser do tipo lógico booleano números 0 ou 1 inteiro números 1 2 3 50 100 1000 ponto flutuante número com parte inteira e fra cionária dividida por ponto 754 1513 15812 etc Normalmente o tipo de dado atribuído à variável define o espaço neces sário em memória para armazenar o seu conteúdo e este fator impacta diretamente o hardware do controlador A lógica do programa é de responsabilidade do programador e erros lógicos não costumam ser inter pretados por depuradores ou compiladores Este cuidado depende da atenção e da perícia do projetista com vistas ao hardware utilizado Figura 5 Ambiente de programação para dispositivos programáveis Fonte o autor Para programar um dispositivo com autonomia sobre os seus recursos de maneira plena é necessário o domínio de hardware e de software pois os dispositivos mais modernos oferecem muitos recursos e o seu uso depende de interações específicas que envolvem o conhecimento de linguagens de progra mação da sua sintaxe e dos ambientes de programação em que são escritas as instruções de programa que podem ser por meio textual ou por blocos em alguns casos A partir desta etapa serão apresentadas as principais tecnologias de dispositivos programáveis aplicados na atualidade como o caso do microcontrolador que é um componente eletrônico com recursos computacionais programáveis COMUNICAÇÃO USB OU ETHERNET DISPOSITIVOS DE SAÍDA ATUADORES SENSORES DISPOSITIVOS DE ENTRADA NO PC ELABORAÇÃO DO PROGRAMA LINGUAGEM DE PROGRAMAÇÃO DEPURADOR COMPILADOR TRANSFERÊNCIA PARA O DISPOSITIVO DISPOSITIVO PROGRAMÁVEL PC 118 UNICESUMAR A Figura 6 mostra um modelo de microcontrolador que foi muito utilizado para aplicações de pequenas automações e de projetos de dispositivos didáticos o PIC16F628A devido ao seu baixo custo ao seu encapsulamento de fácil acesso aos pinos à fixação em protótipos e à ampla literatura disponível para estudo Figura 6 Parte do diagrama interno do microcontrolador PIC16F628A Fonte Microchip 1999 p 10 Normalmente um microcontrolador apresenta os seguintes itens em sua arquitetura Memória de programa Registrador de instruções Endereçamento direto Pilha de 8 níveis 13 bits Contador do Programa Multiplexador de endereços FSR reg Endereçamento indireto Barramento de dados Registrador de arquivos da memória RAM Endereçamendo da memória RAM Barramento de programa 14 7 9 8 13 8 FLASH Núcleo de processamento denominado Unidade Lógica Aritmética ULA é onde o processa mento e os cálculos são realizados Memória Flash retentiva é a memória do programa na qual suas instruções ficam armaze nadas firmware Memória RAM volátil é a memória em que o programa é executado Interfaces de entradas e saídas são o locais onde os sinais de entradas e saídas são integrados no microcontrolador Interface de comunicação é o recurso que permite ao microcontrolador comunicarse com o meio externo via protocolo de comunicação com ou sem fio Quando desejamos automatizar um dispositivo podemos utilizar um microcontrolador que será o cérebro da máquina Ele pode receber a programação feita por um programador em linguagem nativa do próprio modelo a assembly ASM ou outra de alto nível como a linguagem C ou Java desde que o programador tenha o compilador para o modelo escolhido A ideia por trás do microcontrolador é a seguinte o projetista do sistema de automação inicial mente estuda o processo e identifica quais são as necessidades desse projeto em termos de entradas e saídas e então seleciona um modelo de microcontrolador que atenda à necessidade pois há diversos fabricantes e modelos com recursos e preços que devem ser levados em conta 119 UNIDADE 4 Uma vez selecionado o modelo de microcontrolador o projetista verifica se este permite a sua programação na linguagem de seu domínio então o profissional parte para o projeto que consiste em projetar um circuito eletrônico ou um conjunto de circuitos que receberão esse componente em que haverá a interação com outros componentes de modo a executar as tarefas previstas para o dispositivo Uma vez projetado o circuito que atende ao projeto o projetista realiza a programação do micro controlador em um ambiente dedicado à programação e ao fim de todos os testes lógicos o programa pode ser transferido para o componente microcontrolador por meio de um gravador Figura 7 co nectado ao computador no qual o programa foi feito Este programa é o Firmware e consiste na lógica que o dispositivo deve realizar em sua função Contempla todas as regras automáticas desejadas que passarão a ser executadas por um componente único e os seus circuitos vinculados Na sequência é projetada uma placa ou placas dependendo do tamanho do projeto de circuito impresso para montagem dos componentes que são soldados e finalmente podem interagir na prática entre si e nesse momento o microcontrolador po derá executar o programa firmware nele gravado Há opções no mercado que oferecem o mi crocontrolador já montado em uma placa pron to para a inserção no ambiente físico de testes como mostra o item a da Figura 8 há a opção já mencionada de adquirir o microcontrolador em seu invólucro nativo encapsulamento de circui to integrado e soldálo na placa projetada para atender ao projeto como mostra o item b Também existem plataformas de desenvol vimento equipadas com muitos recursos como interface de vídeo comunicação serial USB e rede Ethernet mostradas no item c Esta opção exige conhecimento avançado de programação e ofere ce recursos sofisticados que podem ser agregados ao projeto como conectividade e soluções embar cadas desenvolvidas em linguagem de alto nível Figura 8 Microcontroladores a plataforma de desenvolvimento b microcontrolador e c placa de desenvolvimento A B C Figura 7 Gravador universal de microcontroladores e memórias 120 UNICESUMAR como Thin Quad Flat Package TQFP ou em português Encapsulamento Quádruplo de Fileiras Planas mostrado na Figura 9b e os mais acessíveis e fáceis de utilizar por serem maiores e permitirem a soldagem com facilidade os encapsulamentos DIP sigla que significa Dual InLine Package ou em português Encapsulamento Duplo em Linha e tem sistema de montagem throughhole ou através do orifício como mostrado no c da Figura 9 A opção de adotar o componente do microcontrolador sem a placa item b da Figura 8 tem a vantagem de custar menos porém exige aparato e conhecimento do procedimento para a soldagem que não é simples em encapsulamentos com tecnologia de superfície Surface Mounting Device SMD ou em português Componente de Montagem em Superfície mais específicos como o caso dos encapsulamentos Ball Grid Array BGA ou em português Arranjo em Grade de Esferas conforme mostrado na Figura 9a Há microcontroladores em diversos outros encapsulamentos Figura 9 Encapsulamentos de microcontroladores SMD a BGA b TQFP e c DIP Na Figura 9a as pequenas esferas metálicas são os terminais do componente cada entrada ou saída do microcontrolador Neste caso a soldagem pelos procedimentos tradicionais que utilizam o ferro de solda não é viável e o projetista fica limitado a utilizar modelos de microcontroladores oferecidos em encapsulamentos que possam ser inseridos mais facilmente em uma placa conforme mostrado na Figura 9c A B C Para projetos com microcontroladores tam bém há o protoboard que consiste em uma placa para protótipos a qual não exige soldagem como mostrado na Figura 10 em que os componentes são inseridos por meio de furos e interligados por contatos metálicos em linhas isoladas Este recurso consiste em uma solução muito prática para projetos eletrônicos em fase de protótipo e minimiza erros pois assim o projetista pode rea lizar testes antes de confeccionar a placa definitiva Figura 10 Protoboard com componentes inseridos 121 UNIDADE 4 Os FPGAs são outra solução para os dispositivos programáveis Eles consistem em uma espécie de caixa preta na qual inserimos o conteúdo que nos interessa e apontamos quais pinos serão as entradas e quais serão as saídas A sigla FPGA é a abreviação de Field Programmable Gate Array que na tradução livre seria Arranjo de Portas Programáveis em Campo Esta tecnologia é interessante quando o controle do processo é lógico e depende de ações em velocidade elevada como combinações de estados lógicos de grande volume de dados Quando analisamos um projeto de controle lógico com muitas entradas e saídas um quadro com as combinações possíveis pode ser produzido conforme vimos na Unidade 2 exemplo 1 A partir desse quadro as combinações entre as entradas e as saídas produz o valor 1 em que as saídas devem ser acionadas e as equações de estado para cada sentença válidas As equações por sua vez resultam em operações lógicas que podem ser de soma multiplicação e negação Quando combinadas em uma única equação simplificada podem ser convertidas em um circuito lógico equivalente o qual possui portas lógicas para cada uma das funções conforme a Figura 11 TOCCI WIDMER 2003 1 2 3 1 2 3 1 2 PORTA OU PORTA E PORTA NÃO Além das portas básicas mos tradas na Figura 11 existem várias portas lógicas que são composições da combinação das portas básicas e que rea lizam operações específicas dentro da lógica de controle de um sistema digital confor me alguns exemplos mostrados na Figura 12 Figura 11 Portas lógicas OU soma E multiplicação e NÃO negação Fonte o autor Na eletrônica digital essas por tas eram implementadas por circuitos integrados dedicados com várias portas como essas dentro de um só encapsulamen to mas a quantidade de portas era limitada a poucas unidades Quando a necessidade de ope rações lógicas era muito grande tornavase necessário utilizar muitos componentes e a placa era imensa aumentando com isso os problemas com falhas e com manutenção Figura 12 Exemplos de portas lógicas 122 UNICESUMAR Com o advento dos dispositivos programáveis o FPGA resolveu esse problema possibilitando a integração de centenas e até milhares de portas lógicas em um só encapsulamento assim o projetista pode definir a sua lógica por meio de um programa no computador e posteriormente gravála em um circuito integrado FPGA que a partir daí passa a se comportar conforme o projeto nele gravado Os dispositivos FPGAs utilizam o mesmo conceito já adotado anteriormente para os microcontro ladores um circuito integrado e uma placa para interagir com o mundo externo A Figura 13 mostra o circuito integrado e uma placa de desenvolvimento em FPGA para referência Figura 13 FPGA a placa de desenvolvimento e b circuito integrado FPGA A programação dos dispositivos FPGAs depende do ambiente de programação e pode variar de acordo com o fabricante dos circuitos integrados Um exemplo de linguagem de programação utilizada para projetos com esta tecnologia é o VHDL que é abreviação de VHSIC Hardware Description Language ou no português Linguagem de Descrição de Hardware VHSIC sendo VHSIC a sigla de Very High Speed Integrated Circuits ou Circuitos Integrados de Velocidade Muito Alta No mercado há várias tecnologias aplicadas no que diz respeito aos dispositivos programáveis Por exemplo os Complex Programmable Logic Device CPLDs Generic Array Logic GALs Pro grammable Array Logic PALs ApplicationSpecific Integrated Circuit ASICs As mais utilizadas e acessíveis serão mostradas nesta unidade Para que possamos avançar no mundo dos dispositivos programáveis os quais muitas vezes são aplicados em controle de processos é fundamental que tenhamos conhecimento de alguns termos importantes que serão apresentados na sequência Quando nos referimos a controle devemos refletir sobre a máxima que diz não se pode controlar o que não se pode mensurar Partindo deste princípio vamos adotar alguns conceitos Planta é o elemento ou o processo sobre o qual desejamos controlar por meio da manipulação de uma ou mais variáveis Por exemplo desejase obter a velocidade de rotação de 1800 rpm no eixo de um motor Este motor é a planta que desejamos controlar A B 123 UNIDADE 4 Setpoint SP é o valor desejado que se fixa na estratégia de controle e que se pretende atingir a partir do uso de técnicas e ações de controle Exemplo o valor da temperatura que selecionamos no aparelho de arcondicionado é 23 C logo o SP é de 23 C Variável de processo PV é a variável sobre a qual desejamos atuar e aproximar o seu valor do Setpoint Exemplo a temperatura da sala é de 26 C e desejase atingir 23 C logo 26 C é a variável de processo pois é o valor real da variável que desejamos atuar para que ela se aproxime do valor do SP que neste caso é de 23 C Desvio DV ou erro et é a diferença entre o valor da variável de processo e o Setpoint DV PV SP ação reversa e DV SP PV ação direta É a partir do desvio que a ação de controle no controlador calcula com qual intensidade e velocidade ele deve atuar na saída Exemplo em um processo de controle de ação inversa a temperatura da sala é de 26 ºC e o valor desejado SP de 23 C sendo assim o valor do desvio é DV PV SP DV 26 23 3 logo DV 3 C Controlador é a entidade capaz de acionar uma ou mais saídas em função de estímulos pro venientes de uma ou mais entradas com base na combinação do valor das entradas e em regras estabelecidas por ação ou estratégia de controle Exemplo microcontrolador CLP computador de processo etc Há várias topologias de controle porém as mais básicas abordadas nesta unidade são controle em malha aberta e controle em malha fechada Controle em malha aberta o controlador aplica o sinal de controle na planta sem levar em consideração o resultado ou seja atua em uma planta mas não realiza a leitura do resultado desta ação conforme o diagrama da Figura 14 Figura 14 Controle em malha aberta Fonte o autor Normalmente o controlador atua em função de um estímulo de entrada podendo ser um comando ou um conjunto de instruções que definem as ações do controlador o qual apenas as executa que recebe as instruções e comandos de um temporizador e o controlador executa um conjunto de instruções que fazem com que a roupa depositada no cesto da má quina seja lavada porém após o término do ciclo de lavagem não há uma verificação de o quanto a roupa está limpa apenas encerrase o processo Controle em malha fechada o controlador aplica o sinal de controle na planta con trolada e leva em consideração o resultado obtido para estabilizar o valor desejado Exemplo um aparelho de arcondicionado cuja temperatura atual PV da sala é de 26 C e a temperatura desejada SP é de 23 C Quando o controlador atua sobre o ar da sala resfriandoo um sensor de temperatura posicionado na saída do ar retorna o valor do ar que está sendo resfriado para a entrada do controlador e assim obtém SP AÇÃO DE CONTROLE PLANTA SAÍDA MV 124 UNICESUMAR a comparação entre o valor desejado e o atual DV O processo de mostrar o valor da saída na entrada do controlador é denominado realimentação ou feedback conforme mostrado no diagrama da Figura 15 Figura 15 Controle em malha fechada Fonte o autor AÇÃO DE CONTROLE PLANTA SAÍDA MV SP PV DV SENSOR FEEDBACK Você teve até aqui uma noção básica de como os sistemas de controle interagem com o processo industrial Em seguida iremos abordar as tecnologias de controle capazes de operacionalizar isso no ambiente real Agora você terá contato com o tipo de controlador mais utilizado na indústria o Controlador Ló gicoProgramável CLP Você também aprofundará seu estudo sobre a tecnologia mais utilizada na conversão de instruções que são provenientes de um desenho feito no computador em coordenadas numéricas Esta tecnologia é muito utilizada para a automatização de processos de fabricação inicial mente na indústria metalúrgica e atualmente em diversas áreas onde a execução de formas baseadas em Desenho Assistido por computador CAD é necessária o Comando Numérico Computadorizado CNC Confira a seguir 125 UNIDADE 4 Os Controladores Lógicos Programáveis ou CLPs já foram citados na Unidade 1 deste livro de maneira introdutória e abrangente Nesta unidade abordaremos este tipo de controlador em termos de aplicação e recursos envolvidos Acompanhe Um CLP é um dispositivo capaz de controlar um processo industrial com base em instruções dadas por um programa localizado em sua me mória Este programa é executado por um mi croprocessador ou um microcontrolador e uti liza para isto memória capaz de realizar ciclos de escrita e leitura em velocidade elevadíssima FRANCHI CAMARGO 2008 Os dados a serem processados pelo CLP de pendem de interfaceamento com o meio ex terno o que consiste em condicionar sinais de entradas e saídas para que dados provenientes de sensores por exemplo possam ser convertidos em dados compatíveis com o formato elétrico do mi croprocessador que os processará e da memória que os armazenará Pensando nisso apresentaremos a seguir a estrutura de hardware e software envolvida na utilização de um CLP na prática A partir dessa etapa de nosso livro serão apre sentados os itens de hardware do CLP Para me lhor entendimento devemos diferenciar os dois mais comuns formatos de CLPs atualmente ofe recidos no mercado Bases compactas Bases modulares As bases compactas reúnem em uma só estrutura ou gabinete os recursos mínimos para atuar em automações de pequeno e médio porte Este tipo de base normalmente já é composto por fonte de alimentação CPU interfaces de entradas e saídas digitais e interfaces de comunicação padrão RS 232USB ou Ethernet Geralmente as bases compactas são uma solu ção mais econômica para aplicações de controle de processos em pequenas e médias escalas devi do ao número de entradas e saídas IOs que ofe recem e o fato de seus cartões ou módulos serem fixos dentro do gabinete sem a possibilidade de troca rápida interrompendo todo o processo caso seja necessário substituir um módulo As bases compactas também podem permitir expansões para alguns cartões adicionais porém o número de expansões é bastante limitado se comparado às bases modulares A Figura 16 mostra um exemplo de base compacta Figura 16 CLP em base compacta equipado com fonte de alimentação CPU entradas e saídas digitais e comunicação As bases modulares são indicadas para a aplicação em automações de médio e grande porte pois cada módulo é individual e pode ser inserido ou retirado individualmente permitindo expansão da capacidade de IOs a qualquer momento den tro de limites finitos de cada fabricante e modelo de CLP A Figura 17 mostra um exemplo de CLP em base modular em que cada cartão ou módu lo é independente dos demais salvo pela CPU que reconhece os cartões e os habilita Nesta configuração é possível retirar ou inserir cartões sem a necessidade de desligar o CLP facilitando a manutenção 126 UNICESUMAR Figura 17 CLP em base modular cada módulo é indepen dente e pode ser inserido ou retirado sem a necessidade de desligar o CLP É bastante comum em CLPs modulares o uso da tecnologia Hot swap ou inserção a quente que consiste em inserir ou retirar um componente de um sistema sem a necessidade de desligálo ou reiniciálo Este recurso facilita as manutenções e as troca de cartões já em operação pois a falha em um módulo pode não implicar na parada total da máquina para substituição apenas o cartão com defeito é retirado e outro em bom estado é inserido em seu lugar O sistema o reconhece sem maiores intervenções estabelecendo o funciona mento normal Figura 18 Tecnologia hot swap aplicada em unidades de discos rígidos inserção e retirada sem a necessidade de parada do processo Esse recurso é semelhante ao processo de inserir o pendrive no computador ou retirálo O siste ma operacional simplesmente o reconhece ou o desconecta sem a necessidade de qualquer outra intervenção Para que isso seja possível os conec tores dos dispositivos com o recurso hot swap são projetados com uma tecnologia que faz com que a alimentação do dispositivo seja inserida sempre antes da comunicação assim os terminais são mais curtos para os sinais de dados e maiores para os condutores de potência Primeiramente para que um CLP possa fun cionar é preciso que ele esteja alimentado com os potenciais adequados Isso significa converter a rede de alimentação de 127 V ou 220 V para ten sões que possam atender às demandas dos com ponentes eletrônicos do CLP os quais atuam em torno de 33 V e 5 V Para esta função o CLP tem uma fonte de alimentação que pode ser interna em CLPs de bases compactas ou externa em bases expansíveis Normalmente os CLPs sem fonte de alimen tação operam com a tensão nominal de 24 Vcc e portanto a fonte de alimentação converte a tensão da rede de 100 a 240 Vca em 24 Vcc As fontes de alimentação utilizadas para ali mentar CLPs costumam ser classificadas como fontes de alimentação chaveadas as quais são utilizadas nos computadores nos aparelhos de TV modernos em carregadores de baterias de laptops e de celulares Este tipo de fonte mostrado na Figura 19 apresenta as características de com pactação ocupa pouco espaço alta densidade de potência e custo reduzido e também tem algumas desvantagens emite ruído conduzido e radiado EMI ou Electromagnetic Interference que pode interferir no funcionamento de outros equipa mentos próximos ou alimentados pela mesma fase da rede além disso como não possui isola ção é muito sensível a descargas eletrostáticas podendo ser até mesmo a descarga atmosférica 127 UNIDADE 4 Para que o CLP modular possa interagir entre os seus cartões de interfaces e controladores é necessária uma estrutura capaz de interligar cada cartão em um barramento de comunicação e ali mentação É para atender a esta demanda que os CLPs possuem um rack equipado dos encaixes para receber os módulos ou cartões A Figura 20 mostra um cartão interface sendo inserido no rack de um CLP Figura 19 Fonte de alimentação Figura 20 Inserção de cartão no rack do CLP A CPU do CLP é a sigla para Unidade Central de Processa mento e consiste em um módu lo capaz de processar todos os dados do CLP Neste módulo há componentes como micropro cessador ou microcontrolador memórias RAM flash entre outras Real Time Clock RTC ou Relógio de Tempo Real e de mais componentes de interface com o meio externo A Figura 21 mostra um CLP com vários cartões entre eles duas CPUs que são os módulos com chaves inseridas Um CLP pode ter várias CPUs em um mesmo rack permitindo que o programa seja dividido em mais de uma unidade de processamento ou que o mesmo programa esteja rodando ao mesmo tempo em duas CPUs por exemplo A vantagem desta última é que se uma CPU apresentar falha a outra entra e assume a operação instantaneamente Essa técnica é conhecida como hot standby e remete ao termo redundância a quente quando uma unidade deixa de funcionar por falha outra unidade assume o seu lugar sem que haja prejuízos ao processo Vamos agora entender como é estruturada a uni dade central de processamento de um CLP É na CPU que o programa de controle é armazenado Programa de controle é aquele desenvolvido em um computador e posteriormente gravado na CPU do CLP Em alguns modelos esse programa é gravado em uma memória flash como a de um pendrive Nesta situação se o CLP for desligado da fonte de alimentação elétrica o programa con tinua na memória Figura 21 CPU do CLP pode haver mais de uma CPU em um mesmo CLP 128 UNICESUMAR Em CLPs mais modernos o programa é gravado direto na memória RAM para permitir edições nas linhas de programação enquanto o programa é executado sem ter que parar o processo Para que o programa não se perca quando o CLP estiver desconectado da alimentação a CPU possui uma bateria que mantém a memória RAM sempre alimentada Normalmente estas baterias têm autonomia para operar sem substituição durante anos Além dos itens já citados o CLP utiliza módulos capazes de interagir com o mundo externo são os cartões que recebem dados de sensores e de demais elementos do processo e enviam sinais de controle para atuadores e dispositivos diversos As interfaces de entradas e saídas do CLP são conhecidas como interfaces de IO ou cartões de IO e geralmente podem ser encontradas nos seguintes formatos Entradas digitais Saídas digitais Entradas analógicas Saídas analógicas As entradas digitais são as portas de entradas para os elementos digitais que podem ser sensores de proximidade contatos de relé contatos de fim de curso botões chaves em geral e sensores com saída em frequência A ideia por trás do termo digital deve sempre remeter à natureza do sinal que entra no CLP podendo assumir apenas dois estados ligado ou desligado Assim a entrada digital vai atender a essas situações Normalmente as entradas digitais entendem que um sinal está presente com o padrão elétrico de 24 V ou seja o dispositivo conectado à entrada deve enviar 0 V ou 24 V quando detectar ou não um objeto e permitindo a inversão se necessário pois internamente ao cartão de entradas digitais há um circuito capaz de receber 0 V ou 24 V e viceversa o qual sempre entenderá que houve uma mudança de estado na entrada permitindo com isso o uso de sensores com saídas negativas e positivas Também há alguns modelos de CLPs que permitem padrões elétricos de 100 a 240 V em corrente alternada nas entradas digitais é comum em relés inteligentes que são uma variação mais simples de CLPs porém o uso com sensores neste tipo de potencial não é convencional visto que a maioria dos sensores industriais opera na faixa de 10 V a 36 V em corrente contínua É importante citar que há CLPs que diferenciam entradas digitais rápidas de outras não rápidas para a utilização em aplicações com sensores que operam em altas frequências como encoders incrementais e sensores de nível com saída pulsante As saídas digitais são os módulos capazes de acionar dispositivos que atuam no sistema liga desliga salvo os casos de saídas rápidas com modulação por largura de pulso do inglês Pulse Width Modulation PWM Os dispositivos acionados pelas saídas digitais costumam ser bobinas de relés solenoides lâmpadas de sinalização e bobinas de contatores Na maioria dos casos as saídas digitais são oferecidas em dois formatos Saídas digitais com relé Saídas digitais com transistor As saídas digitais com relé são compostas de um circuito que conta com relés para acionar os dis positivos externos 129 UNIDADE 4 Os relés são elementos eletromecânicos que possuem uma parte móvel e outra parte fixa e quando energizados produzem o movimento da parte móvel alterando o estado de contatos que permitem o acionamento de cargas ou de dispositivos no formato ligadesliga A Figura 22 mostra os relés nas seguintes situações em a o seu uso se dá no acionamento de dis positivos em b está o componente relé que normalmente é montado em placa de circuito impresso e em c a imagem mostra a formação de arco voltaico no instante em que o relé está comutando cargas Figura 22 Relés eletromecânicos a acopladores a relé b relé e c contatos do relé arco elétrico Essa tecnologia é justificada quando o acionamento do dispositivo não ocorre com frequências elevadas pois a velocidade de comutação do relé eletromecânico não é elevada e também em áreas onde não há a presença de gases inflamáveis pois os contatos do relé produzem arco voltaico o que contribui para a redução da vida útil do dispositivo A vantagem do uso de relés está na capacidade de comutação de cargas de correntes elevadas e isolação elétrica pois atuam com potenciais de referências isoladas uns dos outros na mesma placa e com correntes da ordem de alguns ampères e tensões elevadas As saídas digitais com transistor têm o objetivo de acionar cargas com resposta rápida em baixa tensão em corrente contínua e em baixas correntes da ordem de miliampères A sua vantagem é a velocidade que permite operar com sinais de altas frequências por exemplo o controle utilizando modulação de largura de pulso PWM As saídas digitais que utilizam transistores não permitem que o sinal comutado seja de potencial livre ou seja não permite que o usuário atribua o potencial a ser comutado à sua livre escolha deve utilizar o formato oferecido pelo cartão que normalmente é de 24 V ou seja quando acionada a saí da há 24 V em seu terminal em relação ao terminal de referência de modo que se o dispositivo a ser acionado por essa saída for de 220 V o projetista deverá utilizar um acoplador intermediário para a tensão de 220 V ser comutada a partir deste Assim como as variáveis digitais também precisamos das variáveis analógicas para operar com proces sos de controle em que o comportamento sofre variações no domínio do tempo As entradas analógicas têm como objetivo receber os sinais oriundos de sensores analógicos ou de dispositivos que enviam sinais analógicos referentes a algum parâmetro de funcionamento como o sinal proporcional de 0 a 10 V de um inversor de frequência correspondendo à sua frequência mínima e máxima respectivamente A B C 130 UNICESUMAR No caso dos sensores analógicos os sinais correspondem às suas grandezas e medidas como nível pressão vazão e temperatura Os padrões elétricos utilizados por esses cartões são tensão ou corrente sen do que uma entrada analógica de tensão opera entre 0 e 10 V e uma entrada analógica de corrente opera entre 4 e 20 mA correspondendo à grandeza do sensor de seu mínimo até o seu máximo mensurável Assim de acordo com a Figura 23 quando um sensor de nível que opera de seu valor mínimo 0 mm até seu valor máximo 5000 mm 50m com sinal de corrente de 4 a 20 mA podemos afirmar que quando o nível estiver em 0 mm mínimo o sinal enviado pelo sensor ao CLP será de 4 mA e quando o nível estiver em 5000 mm máximo o sensor de nível enviará 20 mA ao CLP em sua entrada analógica A mesma ideia se aplica ao sinal de 0 a 10 V Figura 23 Comparação dos padrões elétricos e percentual da grandeza medida Fonte o autor Máximo Mínimo 4 0 10 20 mA V Por sua vez as saídas analógi cas são utilizadas para acionar elementos que operam segundo sinais analógicos Essas saídas têm funcionamento proporcio nal a esses sinais por exemplo uma válvula proporcional que realiza a sua abertura de 0 a 100 de acordo com um sinal elétrico de 4 a 20 mA A Figura 24 mostra exem plos de válvulas comandadas por saídas analógicas que en Figura 24 Válvulas proporcionais e servoválvulas abertura de 0 a 100 de acordo com o sinal elétrico proporcional As saídas analógicas normalmente acionam dispositivos com base em cálculos matemáticos realizados na CPU do CLP Por exemplo uma ação de controle Proporcional Integral Derivativo PID em que a CPU analisa o sinal de entrada de um ou mais sensores e em função dos valores informados nas respectivas entradas analógicas variáveis de processo são realizadas comparações com valores de viam sinais de 4 a 20 mA para que estas possam abrir ou fechar em uma relação de abertura propor cional à faixa de sinal 131 UNIDADE 4 referência setpoint e o desvio DV é introduzido em uma equação com constantes definidas para a estabilização do sistema de controle acionado pela saída analógica Agora veremos um exemplo de aplicação em que é possível notar a interação dos termos vistos até aqui em nosso estudo Dado o processo de controle ilustrado a seguir em que a água fria adentra o tanque onde ocorrerá o seu aquecimento por meio de um reator que recebe vapor à temperatura de 350 C considere que a água entra no reator com temperatura inicial ambiente TAMB e deve sair com temperatura To TAMBΔT ou seja ΔT é a variação de temperatura que o reator aplica quando eleva a temperatura de TAMB para a temperatura de saída To Para que a temperatura na saída seja controlada e atinja o valor desejado há um sensor instalado na saída do processo que realiza a leitura do valor da temperatura e o informa ao CLP por meio de uma entrada analógica Dentro da CPU do CLP este sinal é adicionado a uma equação que calcula qual o valor da saída analógica para que desta forma a válvula proporcional a ela conectada seja aberta ou fechada na proporção necessária para o vapor circular pela serpentina do reator e aquecer a água conforme a temperatura desejada na saída por exemplo a 80 ºC Figura 25 Processo de controle de temperatura O termo significa a condições de No exemplo lêse a condições de 350 C Fonte o autor Um exemplo de equação de ação de controle PID utilizado em processos de controle de temperatura segundo Teixeira e Campos 2006 p 29 é o seguinte CONDENSADO REATOR TANQUE DE AQUECIMENTO VÁLVULA PROPORCIONAL VAPOR 350 C SAÍDA ANALÓGICA CLP ENTRADA ANALÓGICA SENSOR DE TEMPERATURA SAÍDA ÁGUA AQUECIDA ENTRADA ÁGUA FRIA Sinal de 4 a 20 mA proporcional ao de abertura válvula Sinal de 4 a 20 mA proporcional à temperatura PID TT ΔT AMB TT AMB 132 UNICESUMAR O uso de CLPs em um processo industrial pode ser de grande vantagem dadas as suas capacidades de controle e conecti vidade porém seu custo é elevado e o processo a ser controlado deve justificar tal investimento Logo fazse necessário analisar a necessidade para definição da tecnologia mais adequada a cada caso Os cartões de comunicação podem ser de diferen tes tipos em um mesmo CLP dado que permite a integração de uma base de controle a diversos tipos de equipamentos e tecnologias diferentes Esta pos sibilidade não era permitida a até pouco tempo e para cada tipo de barramento era preciso utilizar uma arquitetura de controle específica Isso mudou pois atualmente a indústria de equipamentos de automação desenvolveu tecnologias que permitem a conectividade de diversos barramentos em um só controlador técnica denominada arquitetura distribuída conforme ilustrado na Figura 26 Figura 26 Arquitetura distribuída diversos barramentos de rede de dados conectados ao mesmo CLP integração de alto nível na indústria Fonte o autor INTERFACES DE DADOS CARTÕES DE REDE CLP EM ARQUITETURA DISTRIBUÍDA FONTE CPU ASi DEVICENET CAN PROFIBUS DP PROFIBUS PA MODBUS ETHERNET PROFINET ut KP et KP e T dtKPTD u0 1 t1 det dt Note que a Equação apresenta o termo et ele é o desvio entre o valor mensurado variável de pro cesso que no caso da Figura 25 é a temperatura da água na saída e o valor desejado setpoint que por exemplo é 80 C O valor do desvio ou erro no tempo et é utilizado pelas ações de controle Proporcional Integral e Derivativo dentro de uma mesma equação e a saída ut é o sinal que vai para a saída analógica após conversões internas A válvula atua abrindo ou fechando na velocidade desejada e no percentual adequado para que a temperatura da água na saída permaneça sempre em 80 C Você acabou de ter a oportunidade de acompanhar um processo real sendo automatizado com base nos dados fornecidos por sensores entradas e atuando sobre válvula saída com conexão via entradas e saídas analógicas do CLP Agora trataremos do acesso aos dados via redes de comunicação Como você viu até aqui os cartões do CLP apresentam funcionalidades específicas No caso dos cartões de comunicação do CLP observamos a capacidade de se comunicar com outros dispositivos por meio de tecnologias de redes ou por ligações ponto a ponto Este recurso é de fundamental im portância pois possibilita a conectividade em altas densidades de dados assim como já estudado na Unidade 3 deste livro 133 UNIDADE 4 Ilhas de automação são células de produção que não estão conectadas à base de dados da indústria Embora possam apresentar resultados satisfatórios não há como mensurar o quanto esses resultados atendem às metas da corporação e qual é o timing de cada etapa para que o profissional de Engenharia possa inferir sobre ações de melhoria Na programação de CLPs existe uma norma que define as regras para as linguagens de programação é a IEC 611313 da Comissão Eletrotécnica Internacional International Electro Technical Comission IEC Em 1992 a IEC publicou a IEC 1131 que estabelece as normas para CLPs e em suas diversas versões ganhou o prefixo 6 sendo denominada de IEC 611313 Fonte adaptado de Franchi e Camargo 2008 Os cartões de comunicação mais comuns em CLPs são redes industriais DeviceNet PROFIBUS PA e DP MODBUS CAN Ethernet industrial PROFINET ASi e rede Ethernet IP A ideia por trás de se integrar dados é denominada Visibilidade do Sistema ou seja quando conec tamos todas as células de uma indústria ao sistema de dados podemos monitorar todos os pontos do processo por meio de indicadores e assim maximizar a tomada de decisões Essa técnica é onerosa e deve ser implantada com planejamento mas a partir do momento que não houver ilhas de automação no processo a indústria está pronta para ser gerida pelos sistemas mais eficientes e produtivos que podemos encontrar no mercado Contudo enquanto houver setores que ainda anotam os seus indicadores em planilhas nunca teremos a visibilidade e a realidade sobre os processos produtivos Os controladores lógicos programáveis têm como objetivo controlar processos industriais utilizando recursos de hardware e software Assim uma arquitetura distribuída permite a interconexão de diversos tipos de dispositivos de diferentes tecnologias de redes industriais compartilhando a mesma CPU e o projeto de controle integrado facilitando a visibilidade do processo Um exemplo disso é um CLP que se conecta a um barramento de rede de classe Devicebus e ao mesmo tempo acessa os dispositivos de uma rede Fieldbus sem a necessidade de um conversor de meio físico externo com cartões instalados diretamente em seu backplane 134 MAPA MENTAL Vamos agora resgatar todos os principais conceitos que aprendemos ao longo desta unidade observando uma lógica dada no mapa conceitual a seguir sobre a arquitetura de um sistema de controle industrial VARIÁVEL NATURAL SENSOR CONVERSOR AD MICROCONTROLADOR MEMÓRIA DE SISTEMA BIOS MEMÓRIA DE PROGRAMA CIRCUITO DE SAÍDA INTERFACE DE SAÍDAS INTERFACE DE COMUNICAÇÃO ATUADOR DISPOSITIVO MANIPULADO CIRCUITO DE CONDICIONAMENTO INTERFACE DE ENTRADAS Observe que o mapa apresenta uma estrutura baseada em sensor controlador e atuador que realizam respectivamente a detecção da variável natural processa os dados e atua nos dispositivos manipulados além de disponibilizar acesso ao computador pessoal 135 Baseado no exemplo do mapa conceitual elabore seu mapa conceitual para um sistema de controle de topologia livre temperatura do arcondicionado nível de um tanque etc desde que contemplados os mesmos itens do mapa sugerido identificando cada um dos elementos representados nos campos Por exemplo no campo sensor sensor de temperatura no campo atuador válvula 1 etc Você pode utilizar a matriz a seguir MAPA MENTAL AGORA É COM VOCÊ 136 1 Um processo industrial necessita implantar um dispositivo programável para controlar as esteiras e as bombas do sistema pneumático da linha de pintura Uma empresa especializada por oferecer serviços na área de Automação Industrial apresentou uma opção de dispositivo programável e justificou a sua indicação com a seguinte afirmação assinale a alternativa correta a Esse processo deve ser automatizado por robôs pois são flexíveis e representam menor custo inicial de investimento frente às demais opções do mercado b A melhor opção para este caso é utilizar CLP para automatizar esse processo pois implica em um dispositivo capaz de integrar dados e ser configurado de acordo com a necessidade podendo inclusive ser conectado por meio de redes de computadores c O uso de FPGA nessa aplicação é a mais assertiva pois oferece suporte a todos os tipos de acio namentos e já vem com plataforma de comunicação embutida em seu core nativo d Os microcontroladores não são recomendados para esse caso pois não podem ser utilizados para acionar motores de bombas e esteiras devido à distorção harmônica produzida e à sua incapacidade de se comunicar em rede e A solução para o projeto é utilizar sensores de proximidade ligados em série com FPGAs pois esses dispositivos são os mais utilizados em indústrias 2 O uso de CLPs requer conhecimento relacionado a itens de hardware e software Com base no conteúdo estudado sobre os CLPs assinale a alternativa correta a São dispositivos dotados de cartões de comunicação entradas e saídas analógicas e digitais porém não permitem mais de um protocolo de comunicação em um mesmo CLP b Não possuem CPU pois o seu core é baseado em um FPGA c Os CLPs podem ser apenas modulares sendo as bases compactas exclusividade dos micro controladores d Os cartões de um CLP permitem entradas e saídas digitais com tensões de 35 mA pois os pa drões elétricos dos sensores se ajustam a este valor e Os CLPs podem ser utilizados em aplicações de redes de comunicação em arquitetura distribuída aumentando o número de dispositivos e de classes de redes possíveis em integração industrial 3 Em processos industriais em que a replicabilidade é fundamental são aplicados equipamentos programáveis que permitem a definição de parâmetros por meio de códigos os quais representam coordenadas a serem reproduzidas como no caso de uma peça a ser usinada Esta tecnologia é denominada CNC Comando Numérico Computadorizado que é altamente aplicável em assinale a alternativa correta a Fábricas de alimentos na extrusão de glucose b Indústrias químicas e aplicações militares c Usinagem de peças em aço e madeira d Áreas classificadas e bens de consumo e Instrumentação industrial CONFIRA SUAS RESPOSTAS 137 1 B O CLP é fabricado para atender aos padrões de comunicação industriais e suportar os rigores do ambiente instável do chão de fábrica 2 E É necessário o conhecimento das tecnologias de CLP para operar os sistemas e sua manutenção Cada dispositivo é específico e exige imersão e experiência para operar e manter seus sistemas operantes 3 C O CNC é uma tecnologia amplamente aplicada em usinagem de aço e madeira REFERÊNCIAS 138 FRANCHI C M CAMARGO V L A Controladores Lógico Programáveis Sistemas Discretos São Paulo Érica 2008 MICROCHIP PIC16F628A Chandler Microchip 1999 TEIXEIRA H C G CAMPOS M C M M Controles Típicos de Equipamentos e Processos Industriais São Paulo Blucher 2006 TOCCI R J WIDMER N S Sistemas Digitais Princípios e Aplicações São Paulo Pearson 2003 MEU ESPAÇO MEU ESPAÇO 5 OPORTUNIDADES DE APRENDIZAGEM Sensores Industriais e Robótica Me Fábio Augusto Gentilin Nesta unidade você terá a oportunidade de se aprofundar nas ideias que formam o princípio de funcionamento dos principais sensores industriais assuntos que permitirão o entendimento dos conceitos de robótica aplica dos à automação de processos industriais Você sabe como um sensor realiza a detecção de um objeto que passa por uma esteira em um processo de fabricação industrial Sabe também como os robôs industriais são classificados e o que os confere tal denominação Para controlar é preciso ser capaz de mensurar Esta frase me guiou por muito tempo até hoje Imagine que você esteja dirigindo seu carro em uma noite muito escura e chuvosa e que a visibilidade é limitada De repente os faróis se apagam Tudo é escuridão naquele momento O que fazer Será possível continuar acelerando o motor e seguindo em frente sem ver o que está diante do veículo Certamente não Na indústria ocorre a mesma coisa Os sensores industriais são os olhos do processo São os elementos sensores que introduzem os dados necessários para que um controlador lógico programável possa controlar o processo industrial E no que se refere aos processos controlados por robôs Como eles são capazes de operar e realizar as tarefas previstas para suas construções Estes dispositivos podem ser utilizados em processos de soldagem automatizada impressão movimentação de cargas etc Até mesmo nos veículos automatizados existem centrais robóticas que atuam na troca de marchas de acordo com a necessidade otimizando o desempenho e o consumo de combustível Vamos aplicar na prática as ideias que apresentamos até aqui analisando um veículo moderno Não importa a marca ou o fabricante Apenas vamos impor que este tenha injeção eletrônica Em um carro à combustão interna com sistema de injeção eletrônica temos a presença de elementos sensores de temperatura emissão de gases sensor de rotação da roda fônica sensor de porta aberta entre outros Além disso temos elementos atuadores que são controlados em função da combinação dos valores das variáveis informadas pelos sensores e da lógica de programação da central 142 UNICESUMAR Baseado nessas informações iniciais escolha um veículo que tenha acesso e liste cada um dos sen sores que este modelo possui apontando Tipo de variável detectada analógica ou digital exemplo temperatura analógica porta aberta digital Sinal elétrico enviado pelo sensor exemplo 0 a 12 V sinal analógico rede de dados 0 e 12 V sinal digital Função de cada sensor O que acontece com os carros mais antigos que fazem uso de carburador movidos à etanol em dias frios Certamente você deve ter ouvido falar da dificuldade que esses veículos apresentam em manter a aceleração quando são acionados pela manhã devido ao sistema de controle do carburador que não conta com mecanismo adaptativo ou seja que interpreta as influências da temperatura externa A queima do combustível depende da temperatura do ambiente ao qual esse fluido se submete e os sistemas que utilizam carburadores mecânicos não possuem fechamento de malha de controle capaz de se recalibrar para injetar mais ou menos combustível ou permitir maior ou menor entrada de ar em condições em que a temperatura varia Com o advento da eletrônica foi possível introduzir sensores que informam a temperatura ao controlador que calcula a quantidade de combustível necessária de acordo com a temperatura de queima dele Nesta unidade iremos mostrar como funcionam os principais sensores industriais e aprenderemos sobre os conceitos fundamentais de robótica 143 UNIDADE 5 O Comando Numérico Computadorizado CNC é uma tecnologia utilizada para o controle de processos em que as coordenadas de uma máquina são definidas por comandos que podem vir a partir de uma programação manual ou derivada de um projeto Como exemplo temos uma fresadora que executa o corte de uma placa de aço de acordo com o desenho produzido no computador para acoplar as tubulações entre dois reservatórios de fluido em aço inox de uma indústria petrolífera Figura 1 Este desenho é convertido em coordenadas espaciais que repassadas à máquina fresadora produzem o corte da peça com precisão e padronização Figura 1 CNC projeto e execução automatizada a projeto mecânico e b fresadora de madeira A máquina CNC opera com três eixos sendo um para cada dimensão 3D em que há um desloca mento nos eixos X Y e Z de modo a realizar todos os contornos da peça a ser reproduzida dentro dos limites do projeto original Para que a máquina CNC possa operar ela conta com uma interface que recebe o arquivo gerado pelo computador com cada uma das instruções de corte em por exemplo parâmetros limites para os eixos Assim quando a máquina executa um movimento para cortar uma peça ela está ao mesmo tempo monitorando em quais posições os eixos estão e infere sobre eles para deste modo a execução do serviço ser assertiva A interface de dados que re cebe as instruções atua em basi camente três motores cada um acoplado a um eixo da máquina e que combinados realizam os movimentos de contorno da peça em execução O cabeçote de usinagem pode ser uma fresadora ou até mesmo um laser para o corte de chapas de aço com perfeição conforme mostra a Figura 2 Figura 2 Corte a laser CNC A B 144 UNICESUMAR É bastante comum o termo CNC ser utilizado em máquinas como tornos fresadoras e centros de usinagem pois executa trabalhos mecânicos que precisam ser padronizados e replicados em escala Normalmente o processo de produção baseado em CNC depende de um desenho feito no compu tador CAD em três dimensões de tal forma que cada coordenada espacial da figura projetada é compilada para coordenadas numéricas que o controlador da máquina recebe e executa em uma peça do material desejado As máquinas que operam com CNC possuem geralmen te um controlador dedicado e uma interface homemmáqui na IHM que permite ao ope rador realizar comandos mas elas podem ser comandadas pelo computador integrante ao equipamento A Figura 3 mostra um exemplo de torno CNC em operação Figura 3 Torno CNC moderno interface homemmáquina e controles para a programação e a execução da manufatura Observe que na máquina da Figura 3 existe a IHM a qual permite o operador inserir a programação manual ou executar a manufatura de acordo com a programação que provém de um desenho CAD 3D por exemplo As máquinas CNC permitem maior precisão e agilidade ao processo de manufatura garantindo a qualidade e sobretudo a padronização dos produtos levando em conta que a manufatura é flexível ajustandose não a um tipo de produto apenas mas sim possibilitando a fabricação de diversos tipos de produtos na mesma máquina com um simples setup ou ajuste As ferramentas utilizadas em uma máquina CNC são de troca rápida facilitando o intercâmbio e a substituição em caso de manutenção Uma das grandes vantagens produtivas das máquinas CNC sobre as máquinas não automatizadas é a possibilidade de monitorar a produção individual de cada torno centro de usinagem fresadora dentro da indústria dado que em máquinas convencionais seria impossível Nas máquinas CNC é possível introduzir um sistema de gerenciamento de ordens de serviço cujo operador ao ligar a máquina e digitar os seus dados pode acessar e iniciar o trabalho sendo que para cada parada de máquina ele deve selecionar um motivo de indicador para a análise de desempenho do tempo e da causa da parada cujo motivo pode ser operacional início e fim de processo ou falha na ferramenta matériaprima com defeito manutenção da máquina erro do operador etc Certamente ao dispor de recursos sofisticados de automação e controle a máquina CNC é de custo elevado que se justifica caso a produção tiver escala e planejamento pois de nada adianta investir em uma máquina sofisticada que posteriormente não possuirá trabalhos a ser executados e dependerá de um profissional qualificado para a sua operação Uma máquina CNC deve ser adquirida quando a produção é de grande escala e se há a necessidade de padronização de velocidade de resposta e de excelente controle de qualidade 145 UNIDADE 5 Na China a fabricação é dada em escalas gigantescas e as fá bricas contam com dezenas ou até centenas de máquinas CNC Figura 4 em que cada setor de máquinas é programado para produzir uma pequena peça que posteriormente se unirá às outras e formará um só produto final pois é mais vantajoso ter mais máquinas do que programar vá rias vezes os mesmos maquiná rios e executar os seus ajustes se tup para produzir todas as peças que compõem um produto final Figura 4 CNC na indústria fabricação em série de produtos padronizados com rastreabilidade e controle de qualidade Nesta etapa aprendemos sobre tecnologias que integram o ambiente industrial ao controle computa cional A seguir veremos algumas tecnologias de sensores utilizados para a monitoração de variáveis no processo industrial Na indústria há uma infinidade de sensores aplicados a diversas variáveis Abordaremos os sensores de proximidade industriais e suas principais características Os sensores são divididos em capacitivos indutivos e fotoelétricos Os sensores de proximidade recebem esta denominação porque atuam com a detecção de objetos por aproximação assim podem detectar tipos diferentes de materiais podendo ser metais plásticos vidros e líquidos CAMARGO 2014 Os sensores de proximidade industriais normalmente são oferecidos em encapsulamentos e su portam o ambiente industrial em que há a presença de contaminantes água poeira e vibração além de variações de temperatura e demais influências que não devem comprometer o seu funcionamento Os encapsulamentos dos sensores de proximidade são dados conforme a Figura 5 146 UNICESUMAR Figura 5 Encapsulamentos de sensores de proximidade a exemplo de encapsulamento e b sensor fixado em processo de detecção de proximidade Os diâmetros de cada encapsulamento dependem de seu uso Na maioria dos casos podem variar entre os padrões de 4 mm a 51 mm de diâmetro podendo apresentar também outras dimensões para casos especiais e acessórios para aplicações específicas A Figura 6 mostra algumas das opções mais utilizadas por sensores de proximidade na indús tria contemporânea Figura 6 Encapsulamentos de sensores de proximidade Há aplicações que sugerem acessórios ou en capsulamentos especiais para a detecção de ob jetos em condições críticas conforme a Figura 7 Figura 7 Encapsulamentos e acessórios especiais para usos específicos Uma vez que você tem conhecimento de algumas tecnologias de sensores utilizados na indústria agora iremos estudar acerca de suas limitações em termos de imunidade a partículas sólidas e líquidas A característica que define o quanto um sensor é apto a suportar a presença de água e poeira é o grau de proteção Índice de Proteção IP que apresenta o prefixo IP seguido de um número de dois dígitos cujo primeiro dígito se refere à proteção contra objetos sólidos e o segundo dígito se refere à proteção contra a água Assim conforme o exemplo um sensor com o grau de proteção IP 65 é totalmente protegido contra a poeira e os jatos dágua conforme o Quadro 1 A B 147 UNIDADE 5 Quadro 1 Grau de proteção IP 2º DÍGITO GRAU DE PROTEÇÃO CONTRA ÁGUA Não prote gido Protegido contra que das verticais de gotas dágua Prote gido contra quedas verticais de gotas dágua para in clinação máxima de 15 Protegido de água aspergida de um ângulo de 69 Prote gido contra proje ções dágua Protegi do con tra jatos dágua Protegido contra jatos potentes dágua Protegido contra imer são tempo rária Protegido contra sub mersão 0 1 2 3 4 5 6 7 8 1º DÍGITO GRAU DE PROTEÇÃO PARA PARTÍCULAS SÓLIDAS Não protegido 0 IP00 IP01 IP02 Protegido contra objetos sólidos maiores do que 50 mm 1 IP10 IP11 IP12 IP13 Protegido contra objetos sólidos maiores do que 12 mm 2 IP20 IP21 IP22 IP23 Protegido contra objetos sólidos maiores do que 25 mm 3 IP30 IP31 IP32 IP33 IP34 Protegido contra objetos sólidos maiores do que 1 mm 4 IP40 IP41 IP42 IP43 IP44 IP45 IP46 Protegido contra poeira 5 IP54 IP55 IP56 Totalmente prote gido contra poeira 6 IP65 IP66 IP67 IP68 Fonte adaptado de Omegatrafo 2020 online1 148 UNICESUMAR Os sensores capacitivos são baseados no campo elétrico estabelecido entre a face sensora face de de tecção do sensor e o objeto a ser detectado A Figura 8 apresenta o diagrama de blocos de um sensor capacitivo típico no qual é possível identificar os estágios funcionais de sua operação Figura 8 Diagrama de blocos de um sensor capacitivo típico Fonte Balluff Capacitive 2011 p 90 O primeiro estágio do sensor está na face sensora em que há a detecção do objeto No sensor capacitivo há a formação de campo elétrico que se propaga para detectar o objeto ou o fluido conforme mostrado na Figura 9 SENSOR DE CAMPO E ELETRODO OSCILADOR DEMODULADOR TRIGGER DRIVER DE SAÍDA Face sensora Eletrodo do sensor Blindagem Face sensora Campo de alcance do sensor Quando um objeto se aproxima do sensor o estágio oscilador inicia o processo de oscilação que é detectado pelo estágio de modulador Neste estágio há a conversão do sinal oscilante em sinal de detecção o qual no está gio de trigger gatilho possa ser identificado e entregue ao está gio de driver de saída que ampli fica o sinal para envio ao CLP ou ao dispositivo de controle Figura 9 Detecção de objetos no sensor capacitivo Fonte adaptada de Balluff Capacitive 2011 Na Figura 10 podemos observar diferentes encapsulamentos utilizados em sensores capacitivos blindados e não blindados Os sensores blindados mostrados na Figura 10a são utilizados geral mente para detectar objetos sólidos com feixe de detecção direcionado apenas à frente da face sensora podendo também detectar o nível de líquidos dentro de reservatórios não metálicos com parede de até 40 mm de espessura Este tipo de encapsulamento é utilizado para a detecção de peças plásticas papelão materiais híbridos componentes eletrônicos placas de circuito impresso etc 149 UNIDADE 5 Figura 10 Encapsulamentos de sensores capacitivos a blindado e b não blindado Fonte adaptada de Balluff Capacitive 2011 Os sensores capacitivos são amplamente utilizados dada a capacidade de detecção de sua tecnologia Visto isso vamos estudar sobre as demais tecnologias de sensores para detecção de materiais específicos Os sensores indutivos funcionam com a mesma metodologia dos sensores capacitivos porém com a face sensora munida de um indutor pois este sensor detecta objetos metálicos a partir de um campo eletromagnético absorvido pelo corpo a b FACE SENSORA ZONA LIMPA 2d d d d 2d 2Sn d SENSOR DE CAMPO E ELETRODO OSCILADOR DEMODULADOR CIRCUITO DE SINCRONISMO CIRCUITO DE SAÍDA Figura 11 Diagrama de blocos de um sensor indutivo típico Fonte Balluff Capacitive 2011 p 2 Quando o objeto metálico se aproxima da face sensora do sensor este absorve o campo magnético emitido e com isto há alteração na corrente que alimenta a bobina do indutor e emite o campo mag nético Neste momento há o início da oscilação no estágio oscilador posteriormente a demodulação o trigger e a saída são idênticos ao sensor capacitivo Os sensores indutivos são fortemente utilizados para detecção de objetos metálicos em máquinas e equipamentos como a aplicação no monitoramento de movimento de engrenagens acoplada a eixos Pickup hastes de elementos metálicos móveis atuadores pneumáticos movimentos de partes móveis de máquinas operatrizes etc A Figura 12 mostra uma aplicação em que o sensor indutivo é utilizado para monitorar a veloci dade de um eixo em máquina rotativa Esta aplicação é comum em motores de veículos para que haja a sintonia do funcionamento do motor pelo controlador na central de injeção eletrônica Os sensores não blindados por sua vez possuem o feixe de detecção frontal e lateral e são indicados para detectar materiais líquidos e granulados incluindo objetos menos predominante São ampla mente utilizados para a detecção de nível de granulados como açúcar farinha milho óleo e água 150 UNICESUMAR Os sensores indutivos dependem de caracterís ticas dos materiais a serem detectados que não necessariamente temos acesso em todas as con dições que podem ser resolvidas utilizando outra tecnologia que iremos estudar na sequência os sensores fotoelétricos Os sensores fotoelétricos utilizam a luz para detectar objetos e têm um elemento emissor e um receptor de luz São divididos basicamente em três tipos Barreira Retrorreflexivo Difuso n a S Sn2 d a 2a Placa normalizada Figura 12 Sensor indutivo aplicado em controle de rotação de eixo de máquina Fonte Balluff 2011 p 2 A Figura 13 mostra os três tipos de sensores fotoelétricos Figura 13 Sensores de proximidade fotoelétricos A detecção se dá em diversas aplicações em que a luz pode ser aplicada por exemplo a verificação de conteúdo em linhas de envase ou de embalagem nível em garrafas transparentes selagem de embalagens presença e contagem de peças em esteiras de linhas de produção quebra de peças correias brocas etc Este tipo de sensor é especial e utiliza dois elementos Assim os sensores fotoelétricos de barreira apresentam a característica de serem dispostos em dois encapsulamentos em que um é o emissor e o outro o receptor Esta tecnologia é muito útil quando a distância entre o sensor e o objeto a ser detectado é da ordem de metros Um dos elementos é o emissor de luz que emite um feixe de luz alinhado com o outro elemento sensor que é o receptor Enquanto o receptor receber luz significa que não há objeto detectado Quando um objeto interrompe o feixe de luz há a detecção Neste tipo de sensor com elementos emissor e detector separados há a necessidade de alinhamento entre os elementos para ocorrer o funcionamento desejado 151 UNIDADE 5 Para que a luz externa não comprometa o funcionamento da detecção é utilizada a técnica de detecção síncrona que con siste em emitir a luz em uma fre quência definida entre o emissor e o receptor assim o receptor interpreta apenas a luz emitida por seu emissor evitando a in terferência de sinais luminosos advindos de fontes externas Os sensores retrorreflexivos possuem o emissor e o recep tor de luz no mesmo encapsu lamento conforme a Figura 14 Figura 14 Sensor retrorreflexivo tipos de encapsulamentos Fonte adaptada de Balluff Photoelectrics 2011 O funcionamento é o mesmo do sensor de barreira porém em uma única peça ou seja no caso do sensor de proximidade fotoelétrico retrorreflexivo o emissor e o receptor estão no mesmo elemento Dessa forma há filtros polarizadores nas lentes do emissor e do receptor de luz de modo que a detecção seja otimizada pois há objetos que refletem a luz além do uso de um espelho polarizador para elevar o nível de segurança da detecção A Figura 15 mostra o conceito de filtro e espelho polarizadores utilizados nessa tecnologia de sen sores Nesta figura no item a podemos observar a técnica dos filtros com grades de linhas finas para permitir a passagem apenas das luzes que oscilam paralelamente ao plano da grade sendo retidos os que oscilam perpendicularmente a esse plano Figura 15 Métodos de detecção de objetos por sensores fotoelétricos a filtros polarizadores nas lentes do emissor e do receptor b filtros polarizadores com o uso de espelho polarizador ou seja segurança na detecção de objetos Fonte Balluff Photoelectrics 2011 p 8 Na Figura 15b é observada a utilização do espelho polarizador ou refletor para aumentar a segurança da detecção conforme a Figura 16 a b 152 UNICESUMAR Figura 16 Espelhos polarizadores de luz ou refletores Fonte Balluff Photoelectrics 2011 p 45 Os sensores difusos apresentam o mesmo funcionamento dos sensores retrorreflexivos com emissor e receptor no mesmo componente A diferença é que a lente desses sensores apresenta características específicas para operar com a luz difusa Este aspecto implica diretamente na capacidade de detectar objetos em relação à distância sensora à reflexão de luz na superfície do objeto etc Em resumo a diferença entre o sensor retrorreflexivo e o difuso é que o primeiro utiliza um espelho polarizador refletor para detectar o objeto quando a luz é interrompida e o segundo detecta a luz refletida pelo objeto quando este passa pelo sensor dentro dos limites da distância sensora A Figura 17 mostra um diagrama que representa o objeto em movimento e os ângulos formados entre a posição dele e os elementos emissor e receptor Veja que em apenas uma determinada faixa de distância a luz refletida pode retornar ao sensor para ser detectado na janela do receptor Nos processos de automação em que são utilizados sensores fotoelétricos de barreira lumi nosa são necessários alguns cuidados com o tipo de objeto a ser detectado ou seja a sua forma e a sua cor Para ilustrar isso imagine uma esteira de transporte de caixas dentro de uma fábrica em que são depositadas caixas com garrafas envasadas de cer veja Considere que na esteira há sensores de barreira utiliza EMISSOR OBJETOS DE DETECÇÃO RECEPTOR Figura 17 Ângulo formado entre o objeto e o feixe de luz emitido pelo emissor e que deve chegar até o receptor Fonte Balluff Photoelectrics 2011 p 12 dos para detectar e também há o CLP para totalizar a quantidade de caixas que passaram na esteira Considere que as caixas são fechadas assim a luz não atravessa as suas paredes e as caixas não encostam umas nas outras Até este momento a contagem é simples pois a esteira tem velocidade e a caixa tem dimensões constantes quando o sensor detecta a sua passagem conhecendose a velocidade da esteira sabese que após determinado intervalo de tempo uma caixa passou e assim o CLP pode acrescentar mais uma Contudo houve uma mudança nos planos da empresa e a partir de agora serão utilizadas caixas vazadas ou seja com furos nas laterais 153 UNIDADE 5 Com furos nas paredes da caixa a luz passa várias vezes e o sensor envia dados para o CLP que são como várias caixas pas sando Para resolver este proble ma o projetista deve atuar no programa do CLP ou trocar o tipo de sensor optando talvez por uma etiqueta RFID para que não haja mais problemas com tipos diferentes de caixas Vimos até aqui que para automatizar processos de produção o uso de sensores controladores e atuadores se faz constante Agora vamos estudar sobre as limitações dos sensores de proximidade em termos de características de saída Há basicamente dois tipos de sinais que os sensores podem enviar sinais positivos saída PNP e sinais negativos saída NPN denominados de sensores com saída em estado sólido Também há sensores que oferecem saídas a relé as quais cabem ao usuário definir qual sinal lhe atende relé ou estado sólido devido às características elétricas de cada aplicação Os sensores de proximidade possuem normalmente dois condutores para alimentação azul que é o negativo e marrom que é o positivo Em nosso estudo adotaremos as siglas para as cores con forme a sequência BN Marrom BK Preto BU Azul OG Laranja WH Branco O diagrama da Figura 18 mostra as formas de ligação dos sensores 3 4 1 5 1 BN BK BU 4 3 1 BN WH BU 2 3 BK 4 Figura 18 Diagramas de ligação dos sensores de proximidade Fonte Balluff Photoelectrics 2011 p 13 154 UNICESUMAR O uso de sensores de proximidade pode resolver proble mas da indústria no que se refere à detecção de proximi dade de objetos e fluidos Nos casos de áreas classificadas muita atenção na seleção da tecnologia que será utilizada lembrandose sempre que a segurança vem em primeiro lugar em qualquer processo produtivo Até aqui estudamos sobre várias tecnologias que podem operar em sistemas automatizados de alto desempenho como por exemplo na Robótica que é a ação de utilizar robôs para realizar tarefas de humanos com objetivos que podem ser desde atuar em ambientes de risco com elevadas temperaturas manipular cargas elevadas atuar em ambientes com risco de exposição à explosão à contaminação a elementos químicos nocivos à saúde até a reprodução de peças com elevados níveis de qualidade de velocidade de padronização e de replicabilidade assistida por computador A robótica está presente em diversas áreas e contribui para a produtividade de um processo uma vez que utiliza recursos automatizados para a produção em escala e a padronização Atualmente o uso de robôs em processos de fabricação vem aumentando e exige ajustes nas esferas produtivas e de mão de obra Produtiva porque atua diretamente no processamento de materiais e necessita de adequações físicas tanto instrumentais quanto de espaço e segurança e mão de obra porque exige qualificação de quem utiliza este recurso tanto na operação quanto no projeto de manufatura ou na manutenção dos robôs os quais funcionam turno após turno sem intervenção logo zelar pela sua integridade funcional é mandatório As possibilidades associadas ao uso da robótica apontam uma série de vantagens porém para que um robô possa atuar ele deve ser programado e isto exige análise e qualificação dependendo do modelo de robô utilizado Diante disso abordaremos a partir de agora a robótica sob a ótica da Automação Industrial de ma neira ampla e abrangente tratando de pontos imprescindíveis ao entendimento e relativos à utilização desse tipo de tecnologia onde utilizála e quais os seus benefícios e as suas desvantagens para que exista uma referência de aplicação e de necessidade que justifique a implantação de robôs na planta industrial 155 UNIDADE 5 Inicialmente abordaremos alguns termos que são importantes para o entendimento dos conceitos de robótica como o que é um robô Você sabe responder a esta pergunta Com base nessa pergunta qual a diferença entre um guindaste hidráulico que está fixado a um caminhão e eleva grandes cargas para sua carroceria e um robô industrial que também é capaz de elevar grandes cargas e posicionálas em local definido Podemos responder que um robô é uma máquina que executa tarefas com base em instruções de um programa cujo controlador é baseado em computador ou em base computacional O guindaste hidráulico é um sistema de atuadores que realiza tarefas de acordo com os comandos de um ser humano portanto não é um robô enquanto o robô industrial possui um controlador com putadorizado ou seja toma decisões baseado em variáveis de entrada e descreve movimentos dentro das regras impostas por um programa executado por um computador Os robôs são considerados máquinas versáteis pois permitem uma programação que os torna fle xíveis e precisos capazes de realizar tarefas pesadas em pouco tempo e com ótimas repetibilidade padronização e precisão Nesta unidade iremos estudar as interações de suas limitações em termos de funcionalidade Quando nos referimos a robô a primeira pergunta que nos surge é quantos movimentos ele é capaz de realizar Os graus de liberdade de um robô estão diretamente relacionados a este fator e determinam a amplitude de ações que um robô pode realizar e assim a sua aplicabilidade dentro de um processo Para definir esses graus façamos um resgate mental dos conceitos que aprendemos sobre coorde nadas de um ponto no espaço coordenadas X Y e Z Lembrese de que um ponto no espaço possui as três coordenadas Pensando nessa mesma linha um robô que tenha três graus de liberdade consegue posicionar um objeto em qualquer ponto dentro de seu campo de trabalho sem levar em consideração as formas e a orientação do objeto Quando nos referimos à posição tridimensional de um objeto rígido e à sua orientação tridi mensional no espaço devemos ter um robô com três graus de liberdade para a posição do objeto e três outros graus de liberdade para a orientação deste pois o objeto que deseja se movimentar com o robô pode estar rotacionado em qualquer um dos eixos e para que o robô possa selecionar ou mesmo realizar o seu posicionamento conforme a necessidade é necessário que este tenha a capacidade de levar em conta esses três graus de liberdade juntamente com os três graus de liberdade da posição do objeto logo esse robô tem seis graus de liberdade 156 UNICESUMAR Repetibilidade precisão de medição sob um conjunto de condições de repetibilidade Fonte Inmetro 2012 p 37 Observe o objeto rígido posicionado no espaço com as coordenadas de seu centro P X Y Z em relação à origem O do espaço de coordenadas tridimensionais com a orientação P X1 Y1 Z1 dadas na Figura 19 O objeto pode assumir qualquer orientação em seus próprios eixos X Y Z em relação ao mesmo ponto P ou seja as coordenadas X Y Z do objeto são relativas à sua posição P no espaço e não ao plano tridimensional X Y Z Por esse motivo são necessários três graus de liberdade para posicionar a peça no ponto P em re lação ao espaço em que se encontra e outros três graus de liberdade para posicionar a peça de acordo com a sua orientação em relação à sua posição P Y Z X O Y1 X1 X1 X Y Y1 Z1 Z1 Z P Objeto sólido no espaço Figura 19 Orientação de um objeto sólido no espaço tridimensional X Y Z Fonte o autor Com três graus de liberdade para posicionar o objeto e mais três para orientálo há um total de seis graus de liberdade o que permite posicionar o objeto em qualquer ponto e orientação e com isso em qualquer posição do espaço de trabalho do robô Por isso os robôs devem ter seis graus de liberdade para oferecer amplitude de movi mento e atendimento flexível ao posicionamento e à mano bra de objetos no espaço A classificação dos robôs de acordo com a Associação Japonesa de Robótica Indus trial JIRA dáse em seis clas ses conforme mostra a relação a seguir 157 UNIDADE 5 Classe 1 dispositivos de movimentação manual com vários graus de liberdade acionados por operador Classe 2 robô de sequência fixa que con siste em um robô que executa tarefas fixas em etapas imutáveis Classe 3 robô de sequência variável que segue o mesmo princípio da classe 2 com possibilidade de variação das etapas Classe 4 robô de reprodução Consiste em um tipo de robô que inicialmente é ensinado por um humano o qual conduz os seus primeiros movimentos para que as posições percorridas sejam gravadas e depois de concluídas reproduzidas pelo robô automaticamente Classe 5 robô de controle numérico que reproduz uma sequência de movimentos baseado em instruções de um programa Classe 6 robô inteligente que possui a ca pacidade de tomar decisões e de se adaptar ao ambiente em que atua reprograman dose caso seja necessário para atingir os objetivos de sua função De acordo com o Instituto Americano de Robótica RIA Robotic Institute of America são con siderados robôs as classes de 3 a 5 dadas pela JIRA Pela AFR Associação Francesa de Robótica a classificação dos robôs é dada por Tipo A dispositivo de manipulação com controle manual para telerobótica Tipo B dispositivos automáticos de manipulação com ciclos predeterminados Tipo C robô programável com trajetórias contínuas ou ponto a ponto Tipo D igual ao tipo C mas com a capacidade de obter dados do local onde atua As configurações dos robôs são dadas em função dos sistemas de coordenadas que orientam os seus movimentos Assim podemos citar os seguintes tipos Cartesianoretangularpórtico 3P Cilíndrica PRP Esférica P2R Articuladaantropomórfica 3R SCARA Seletive Compliance Assembly Robot Arm ou Braço Robótico para Montagem de Conformidade Seletiva A Figura 20 mostra alguns exemplos de sistemas de coordenadas robóticas de acordo com os movi mentos que os robôs descrevem e os seus eixos 158 UNICESUMAR Figura 20 Exemplo de sistemas de coordenadas robóticas Aprendemos nesta etapa um pouco sobre os robôs e suas limitações A seguir iremos entrar no mundo das aplicações dessa tecnologia Quando o conceito é produção industrial o uso de robôs não pode ser descartado pois a indús tria moderna executa a sua manufatura de maneira enxuta e precisa se alinhar com as tendências internacionais de qualidade Não há espaço para a falta de padrões e o consumidor está cada vez mais exigente Um exemplo disso são a rastreabilidade e movimentação de cargas dentro do setor produ tivo da cervejaria que atua com embalagens frágeis e ao mesmo tempo cargas de elevado peso que inviabilizam a movimentação em altas velocidade pela manipulação humana logo a necessidade dos robôs atuando na viabilização de processos e ganhos de produtividade A velocidade de produção o controle sobre o fluxo de materiais e o alinhamento com as tendências mais modernas de integração da indústria 40 certamente dependem do uso de robôs como uma forma de automatizar os processos da manufatura moderna O fato de um robô substituir a mão de obra humana é uma realidade que tem dois lados o lado da empresa e o lado dos trabalhadores A empresa se preocupa em aumentar a sua produtividade e a qualidade de seus produtos ao mesmo tempo os seus funcionários desejam manter os seus empregos mas nem sempre os objetivos caminham juntos na mesma direção É necessário que a indústria se automatize e elimine todas as suas ilhas de automação somente assim ela poderá ter condições de ser gerida em termos plenos A mão de obra que hoje é operacional e pode potencialmente ser substituída por máquinas robotizadas deve buscar qualificação profis sional para acompanhar as tendências desta nova Revolução Industrial e ocupar postos de trabalho com mais qualidade de vida e melhores salários 159 UNIDADE 5 Devemos lançar um olhar crítico sobre o uso de robôs nos processos industriais e os seus benefí cios avançando com a tecnologia no sentido de melhorar a qualidade de vida das pessoas assim como ocorreu na agroindústria sucroalcooleira A mão de obra antes utilizada para o corte da cana um trabalho extremamente penoso e insalubre para os trabalhadores hoje é quase 100 mecanizada por colhedoras que por sua vez substituem 80 pessoas e neste processo fez com que esses trabalhadores procurassem alternativas mais dignas em termos de qualidade de vida e satisfação pessoal Na próxima unidade deste livro trataremos de assuntos que convergem para o uso das tecnologias abordadas até o momento no sentido de utilizar os dados fornecidos pelos dispositivos de chão de fábrica para convertêlos em informações úteis à gestão do processo A Robótica está presente em quase todos os processos industriais modernos por exemplo na fabricação de automóveis smartphones motores elétricos e alimentos A existência da robótica se justifica quando as tarefas realizadas no processo de manufatura não podem ser realizadas por seres humanos preservando o volume de produção com o controle de qua lidade esperado para atender às expectativas do mercado atual por exemplo a manipulação de peças de um motor que acabaram de ser fundidas e encontramse em altas temperaturas na seleção de peças que saem do estágio de montagem ou pintura no corte de chapas em uma máquina de corte à laser conforme seu desenho ou até mesmo na solda de diversas peças de um carro em ângulos precisos com grande velocidade e precisão A robótica atende a soluções da indústria de medicamentos e também na medicina quando há a necessidade da manipulação de agentes biológicos e pesquisas por vacinas situações nas quais a preservação da vida das pessoas é a prioridade Em todas essas situações o processo produtivo é realizado com qualidade e assertivida de assistidas por computador permitindo o registro e rastrea bilidade de todas as ações que levaram ao produto final 160 UNICESUMAR 161 MAPA MENTAL Vamos agora resgatar todos os principais conceitos que aprendemos ao longo desta unidade observando uma lógica dada no mapa conceitual ENCODER ÓPTICO CARTÃO DE ENTRADAS DIGITAIS RÁPIDAS MEMÓRIA DE SISTEMA BIOS MEMÓRIA DE PROGRAMA DRIVER DE SAÍDA SERVO MECANISMO DO ATUADOR ROBÓTICO INTERFACE DE COMUNICAÇÃO MICROCONTROLADOR Observe que o mapa conceitual apresenta uma estrutura baseada em sensor con trolador e atuador que realizam respectivamente a detecção da variável natural processa os dados e atua nos dispositivos manipulados além de disponibilizar acesso ao computador pessoal Baseado no exemplo elabore um mapa conceitual para um sistema de controle de um atuador robótico baseado em sensor de posicionamento encoder e atuador servomecanismo de um eixo do robô de topologia livre desde que contemplados os mesmos itens do mapa apresentado identificando cada um dos elementos re presentados nos campos Por exemplo no campo encoder óptico encoder do eixo x No campo atuador motor do eixo x etc 162 MAPA MENTAL Utilize o modelo a seguir para montar o seu mapa conceitual AGORA É COM VOCÊ 163 1 Os sensores de proximidade fotoelétricos permitem a detecção de objetos por meio da luz De acordo com o conhecimento relativo aos conceitos destes sensores assinale a alternativa correta a Os sensores fotoelétricos difusos atendem a distâncias mais elevadas pois têm dois elementos separados b A detecção síncrona permite que a luz externa influencie na detecção de um objeto pois a janela de tempo entre a leitura do receptor e o retorno da luz ocorre em tempos iguais c O sensor de barreira é o tipo que dispensa alinhamento pois contempla emissor e receptor na mesma peça d O sensor retrorreflexivo utiliza espelho e lentes polarizadoras de luz para maximizar a segurança na detecção de objetos e Os filtros polarizadores permitem a passagem da luz com ondas perpendiculares às linhas finas de sua grade de filtragem assim impedem a entrada de luz externa que ocorre sempre em paralelo com a sua estrutura filtrante 2 Os robôs industriais permitem flexibilidade e segurança em processos industriais De acordo com o conhecimento de robótica assinale a alternativa correta a Um robô pode ser classificado pelas normas japonesa americana e francesa de maneiras diferen tes utilizando critérios específicos que têm relação com as suas capacidades de realizar tarefas b Um guindaste operado por um ser humano é sempre classificado como um robô c Um robô se distingue dos demais dispositivos por ter a capacidade de falar e realizar operações financeiras sem a necessidade de humanos logo qualquer outro equipamento que não tenha essa capacidade não é um robô d A robótica é utilizada sempre que um processo produtivo requer ações que possam comprome ter a saúde humana pois são sempre treinados para realizar salvamento em caso de acidente e As empresas brasileiras adotaram robôs para atuar em todos os segmentos nos quais o trabalho é insalubre porém esta tecnologia não permite monitoração pois as suas peças móveis não permitem conexão com os fios AGORA É COM VOCÊ 164 3 Em robótica um objeto pode ser movimentado de acordo com a capacidade do atuador que o manipula e também de acordo com seus graus de liberdade Em relação aos graus de liberdade de um robô assinale a alternativa correta a Um robô com três graus de liberdade pode posicionar qualquer objeto sólido em qualquer ponto do espaço independentemente de sua orientação b Os graus de liberdade definem se um robô pode ou não ser utilizado em áreas classificadas c Um robô com seis graus de liberdade permite a posição de um objeto sólido dentro da área de trabalho do robô e assim atende a qualquer orientação que esta venha a ter dentro destes limites d As articulações de um robô definem o número de graus de liberdade sendo que uma articulação vertical conta como um grau de liberdade e uma rotacional corresponde a três graus de liberdade e Um robô do tipo cilíndrico pode ter no máximo dois graus de liberdade CONFIRA SUAS RESPOSTAS 165 1 D O espelho reflete a luz até o fotodetector fazendo com que a detecção seja assertiva quando o objeto interrompe o feixe do foto emissor LED 2 A Internacionalmente há normas que definem como são classificados os Robôs sendo que mesmo com critérios regionais distintos há equivalência em suas ações e capacidade de atendimento às tarefas previstas 3 C Com seis graus de liberdade o robô é capaz de posicionar uma peça em qualquer posição do espaço tridimensional limitado por suas dimensões REFERÊNCIAS 166 BALLUFF CAPACITIVE Capacitive Sensors Neuhausen Germany Balluff 2011 BALLUFF PHOTOELECTRICS Photoelectric Sensors Neuhausen Germany Balluff 2011 BALLUFF BCS Capacitive Sensors New approaches to object and level detection Neuhausen Germany Balluff 2011 CAMARGO V L A Elementos de Automação São Paulo Érica 2014 INMETRO Instituto Nacional de Metrologia Qualidade e Tecnologia Vocabulário Internacional de Me trologia conceitos fundamentais e gerais e termos associados VIM 2012 Rio de Janeiro Inmetro 2012 Disponível em httpwwwinmetrogovbrinovacaopublicacoesvim2012pdf Acesso em 12 mar 2020 Referência Online 1Em httpwwwomegatrafocombrippdf Acesso em 12 mar 2020 MEU ESPAÇO MEU ESPAÇO 6 OPORTUNIDADES DE APRENDIZAGEM Integração Nesta unidade você terá a oportunidade de se inteirar sobre princípios de Sistema Flexível de Manufatura demonstrando como ocorrem os processos de automação flexível juntamente com a integração de dados e a manu fatura assistida por computador que possibilitam e estruturam os pilares da indústria 40 tema desta etapa de nossos estudos Me Fábio Augusto Gentilin 170 UNICESUMAR Você já parou para pensar a respeito das operações necessárias para possibilitar a construção de uma edificação ou para permitir a interação das peças de um veículo e seu funcionamento pleno O que a automação industrial tem a ver com uma construção ou os veículos que utilizamos atual mente Cada produto ou matériaprima fornecido pelo mercado em grande escala exige controle de qua lidade para se equiparar aos padrões do mercado Caso esse atributo seja negligenciado o produto ou serviço oferecido pode estar fadado a ficar sem mercado consumidor pois atualmente em um mercado globalizado os consumidores detêm informações que lhes permitem comparar cada oferta do merca do antes de adquirir o bem de consumo sugerindo uma busca incessante por melhoria e atualizações das opções oferecidas pelas empresas fabricantes e fornecedoras de soluções em todos os segmentos Neste quesito a automação industrial oferece tecnologias que permitem o controle e a visibilidade necessárias à gestão dos processos produtivos pois além de tornar automáticas as funções das máqui nas oferece ferramentas que coletam os dados necessários ao processo de conversão em informações e posteriormente em reconhecimento parâmetros indispensáveis para nortear os rumos de uma manufatura moderna Quando observamos um lote de peças de componentes hidráulicos ou engrenagens por exemplo notamos que entre elas não deve haver diferenças ou seja devem ser fabricadas em escala de produ ção elevada e ao mesmo tempo apresentar características de qualidade que atendam aos padrões que condizem com o produto final conforme a imagem apresentada no ato da venda e que motivou o comprador a adquirir tal bem ou serviço A integração consiste em acessar os dados do processo de fabricação e concentrálos em bases de dados que permitem a análise e sua conversão em informações Este processo envolve o uso de recursos tecnológicos que associados permitem a visibilidade e transparência que possibilitam a condução da manufatura de maneira acessível com ferramentas gestoras poderosas alinhadas com as expectativas do consumidor final que adquire um produto ou serviço no exemplo da construção de uma casa ou compra de um veículo e recebe exatamente o que foi oferecido pois cada componente ou procedimento realizado seguem padrões estabelecidos por tecnologias automatizadas Agora iremos agir diretamente com integração dentro do ambiente em que vivemos ou traba lhamos dando visibilidade a dados que são importantes sob o ponto de vista de sustentabilidade Faça uma relação de todos os equipamentos que possuem alimentação elétrica em sua instalação pode ser na sua casa ou na empresa onde trabalha Utilize o Quadro 1 como exemplo para criar a sua lista Estabeleça a quantidade de itens do mesmo tipo e modelo qual o tempo estimado de uso de cada um qual a potência elétrica consumida por cada equipamento individualmente e o tempo médio de utilização por mês de cada um conforme o exemplo dado na Quadro 1 171 UNIDADE 6 Quadro 1 Relação de equipamentos na instalação elétrica Item Qtde Modelo Descrição Potência elétrica unitária kW Potência elétrica total kW Tempo de uso mensal h Consumo de energia kWh 1 17 LED bulbo Lâmpada LED 30 W 003 051 90 459 2 2 Refrigerador TF55 00498 00996 720 71712 3 1 Forno de Microondas NNST25JW 07 07 720 3585 4 Fonte o autor O consumo de energia por equipamentos elétricos e eletrônicos pode representar boa parte do or çamento em uma residência ou indústria por este motivo há a preocupação com o seu consumo de maneira adequada Você se lembra das lâmpadas incandescentes que eram utilizadas até poucos anos atrás em resi dências e indústrias Elas convertem apenas 4 da energia elétrica consumida em luz Os demais 96 são convertidos em calor Você sabe quanta energia cada um de seus equipamentos realmente consome para funcionar É muito importante entender o quanto cada equipamento consome de energia para definir se ele justifica sua existência ou se deve ser reparado ou mesmo substituído para que a energia seja utilizada com mais responsabilidade 172 UNICESUMAR Ao longo de nossa jornada tivemos a oportunidade de estudar vários assuntos que convergem para esta parte do estudo no mundo da automação fazendo o uso de tecnologias que vão desde simples sensores até controladores programáveis que podem manter um processo industrial ativo e conectado para controle acessível na maioria dos processos de fabricação lembrando que depois desse estágio o computador acessa todos os dados que serão amostrados e armazenados para registro e consulta futura Você já acessou um site de compras para escolher aquele objeto de seus sonhos e lá havia uma quan tidade disponível Como será que o site recebe atualizações de seu estoque enquanto ele é acessado simultaneamente por centenas ou até milhares de pessoas ao mesmo tempo A resposta está no termo integração que consiste em disponibilizar todos os dados do processo para bases computacionais que podem convertêlos em informações podem registrálos e manter seu histórico guardado para fins de rastreabilidade e o mais importante permitem a tomada de decisões estratégicas em tempo real diminuindo o desperdício e os gargalos de produção Nos processos industriais de manufatura existe um termo que atribui dada característica marcante e se faz de extrema importância para distinguir a capacidade de adaptação a diferentes tipos de produtos o que torna a empresa capaz de se ajustar a diferentes tipos de produtos e de necessidades do mercado Conhecido como FMS Flexible Manufacturing System cuja tradução é Sistema Flexível de Manufatura ele se refere a um sistema que tem a capacidade de se adaptar às diferentes condições de manufatura de maneira prevista ou inesperada de acordo com as necessidades materiais ou de produto CORRÊA et al 2007 Quando um sistema de manufatura é flexível é possível realizar manobras que permitem a fa bricação de novos produtos utilizando a mesma linha de produção desde que alguns ajustes sejam feitos no processo ou nas máquinas envolvidas alterando o posicionamento ou a sequência do fluxo de produção Este tipo de sistema flexível de manufatura é classificado como machine flexibility que é a capacidade de as máquinas se adequarem às mudanças na produção como é o caso de uma montadora de veículos que pode assumir diferentes modelos de carros na mesma linha desde que os equipamentos sejam reconfigurados A Figura 1 apresenta um exemplo de FMS em que uma mesma linha de produção permite a montagem de mais de um modelo de motor com apenas alguns ajustes Figura 1 Sistema Flexível de Manu fatura linha de montagem de motores que admite diferentes tipos de motores na mesma linha 173 UNIDADE 6 Nos casos em que a manufatura é dada em volume elevado podemos contar com um sistema capaz de realizar as ações envolvidas por muitas máquinas que são dedicadas a executar apenas determinado processo como no caso da fabricação de uma determinada peça usinada de um motor em que vários tornos de CNC podem ser programados para realizar a produção da mesma peça ao mesmo tempo dado o volume necessário deste item Também é característica dos Sistemas Flexíveis de Manufatura a capacidade de assumir variações no volume de produção A Figura 2 mostra a arquitetura das tec nologias de manufatura PROJETO CONTROLE MANUSEIO GERENCIAMENTO CAD CAM INTEGRADOS MRPERP INTEGRADOS FMS CADCAM CIE CIM INTEGRADOS INTEGRADOS SISTEMAS BASEADOS EM COMPUTADOR FORNECEDORES E CONSUMIDORES TECNOLOGIAS DE MANUFATURA Projeto auxiliado por computador Manufatura auxiliada por computador Veículos guiados e robótica Carregamento programação e monitoração Figura 2 Tecnologias de manufatura Fonte o autor Perceba que há uma relação comum entre os estágios de projeto controle manuseio e gerenciamento quando se referem ao uso de tecnologias baseadas em computadores Note que cada um desses está gios passa por alguma etapa computadorizada para posteriormente avançar em direção aos estágios seguintes CAD CAM MRP ERP etc 174 UNICESUMAR Perceba também que a relação entre fornecedores e clientes deve existir para que os sistemas ERP Planejamento das Necessidades da Empresa tradução de ERP Enterprise Resource Planning possam atuar de maneira autônoma e programada Quando abordamos os Sistemas Flexíveis de Manufatura devemos entender que esse termo se estende por três eixos Velocidade para realizar mudanças de conversão Capacidade de reação em termos de volume de produção Habilidade do processo em produzir mais de um tipo de produto ao mesmo tempo Em relação à velocidade para realizar mudanças devemos entender que em um FMS para uma mes ma linha de produção realizar a manufatura de mais de um tipo de produto alguns ajustes precisam ser realizados para permitir tal manobra o que leva tempo É significativo o quão rápido ou lento é o processo de troca de configuração de linha ou seja de mudanças para iniciar a produção de um produto diferente na mesma linha e isto deve ser levado em consideração para que não haja prejuízos ao processo produtivo BRITO 2000 Quanto à capacidade de reação à mudança em termos de volume de produção devemos observar que quando se deseja iniciar uma produção em volume elevado várias preocupações passam a surgir em relação ao volume de resíduos à troca de ferramentas etc pois em grande escala detalhes como o sobreaquecimento de peças por exemplo não ocorrem em poucas peças produzidas e quando au mentamos o volume de produção esse fator passa a integrar variáveis preocupantes dentro do processo Os sistemas flexíveis são conhecidos por atuar em CIM ou Manufatura Integrada por Computador que consiste em controlar completamente o processo de manufatura por meio de computadores interliga dos por redes acessando os dados em seus diversos níveis hierárquicos e convertendoos em informações DIRETORIA RECONHECIMENTO GERÊNCIA ADMINISTRATIVA INFORMAÇÕES CHÃO DE FÁBRICA DADOS DO PROCESSO Em um FMS é importante avaliar se o processo permite que mais de um tipo de pro duto seja produzido na mesma linha pois isto define ações em paralelo e significa economia significativa de tempo Estes as pectos representam pontos de atenção a serem contemplados em nosso estudo que a partir deste momento passará a tratar os FMS dentro do contexto da integração industrial e para isto recordemos alguns conceitos dados na Figura 3 Figura 3 Hierarquia de uma manufatura na cadeia de valor Fonte o autor 175 UNIDADE 6 A Figura 3 mostra a relação dos setores dentro de uma manufatura sob o ponto de vista da cadeia de valor desde os dados do processo que são produzidos na base passando pelos sistemas gestores que realizam a conversão dos dados em informações até o topo em que ocorre o reconhecimento das informações produzidas em uma planta industrial Perceba que há uma relação de dependência entre esses estágios de modo que o topo tomará deci sões estratégicas de acordo com as informações fornecidas pelos sistemas gestores baseados por sua vez em bancos de dados alimentados pelos dados do processo que advêm da base Assim as decisões e os rumos da empresa serão tão assertivos quanto fiéis forem os dados do processo por isso a preo cupação com a automação de qualidade Quando traduzimos a relação hierárquica dada na Figura 3 devemos decodificar essas informa ções em termos de sistemas para o diagrama da Figura 4 Neste caso observe que temos na base as tecnologias utilizadas para a coleta e o processamento dos dados do processo representadas pelos dispositivos programáveis CLP CNC IHM os bancos de dados responsáveis por armazenar os dados do processo PIMS ou Sistema de Gerenciamento de Informações da Planta do inglês Manufacturing Execution Systems e os sistemas que os convertem em informações No topo da pirâ mide encontrase o sistema denominado MES ou Sistema de Execução de Manufatura do inglês Manufacturing Execution Systems MES Manufacturing Execution Systems PIMS Plant Information Management CLP IHM CNC Figura 4 Tecnologias utilizadas na cadeia de valor Fonte o autor Quando os dispositivos programáveis coletam e convertem dados que são enviados por meio de redes esses dados são armazenados em disco e posteriormente organizados em bancos de dados es pecializados para cada função de interesse como os dados referentes ao tempo de máquina operante ou de máquina parada que são importantes para o banco de dados que trabalha com a manutenção enquanto o número de peças conforme e de peças não conforme produzidas interessa diretamente ao banco de dados de controle de qualidade Assim de acordo com a necessidade esses bancos acessam os dados recebidos e armazenados em disco e os organizam para produzir indicadores que auxiliam nas tarefas de gestão estratégica e em ações de qualidade 176 UNICESUMAR Ao se deparar com o planejamento da execução da manufatura o profissional qualificado da indústria deve contar com informações corretas a respeito do processo para alimentar a sua base e decidir os recursos necessários para o seu planejamento Para este fim existe o MES que consiste em um sistema definido apenas para executar a manufatura com base nas informações do processo Os níveis de assertividade de um processo composto pela estrutura mostrada permitem a gestão de decisões estratégicas e precisas as quais direcionam o fluxo de recursos da manufatura de forma que não haja dúvidas sobre os rumos a seguir em termos de investimento e de timing das ações de qualidade MANUTENÇÃO FINANCEIRO COMPRAS COMERCIAL ESTOQUE CONTROLE DE QUALIDADE PD PRODUÇÃO DADOS GERAIS DO PROCESSO Nos FMS há um termo denominado Flexibilidade de Produto que consiste na habilidade de inserir mudanças nos projetos dos produtos oferecidos por uma empresa Nesta etapa de nosso estudo introduziremos alguns conceitos que são fundamentais para decidir ou não pela automação de um processo industrial Devemos avaliar primeiramente o seguinte A Figura 5 mostra a rela ção apresentada entre os da dos armazenados em disco e os sistemas especializados em acessálos e filtrálos para pro mover a conversão dos dados em informações Neste proces so perceba que foram elencados alguns exemplos de bancos de dados ou módulos que acessam a mesma fonte dados gerais do processo O conjunto desses bancos de dados que realiza esse processo de conversão é denominado de PIMS Figura 5 Interação entre os bancos de dados especializados e os dados gerais armazenados em disco Fonte o autor 177 UNIDADE 6 No processo a ser automatizado é fundamental identificar Qual é o tipo de sistema automático que será utilizado Qual é a melhor estratégia de automação em termos de técni cas para a realização de manobras e de trocas de ferramentas por exemplo Qual é a relação do nível de automação e o seu desempenho Dentro dessa análise devemos avaliar Quais as especificidades das operações de automação A capacidade de integração de operações de automação A capacidade de combinação de operações operações si multâneas A capacidade de redução do tempo dedicado à montagem de peças e à troca de ferramentas Controle sobre o processo Capacidade de permitir a movimentação dos materiais Existência de base de dados do processo bancos de dados relacionais do processo Alinhado com os pontos supracitados devemos entender que há uma dependência entre a capacidade de produção e o volume a ser produzido a quantidade de itens que cada produto apresenta a capacidade de padronização da manufatura desse item e a sazonalidade de sua demanda Além desta análise ao pensar em um sistema automático devemos considerar que quando há um erro no processo ao automatizálo podemos multiplicar esse erro pelo número de peças produzidas pois a demanda pode ser grande Podemos também priorizar a velocidade e ao mesmo tempo en trarmos em regime de erro Há casos em que automatizamos as operações complicadas enquanto executamos com perfeição operações que não têm importância Estas preocupações surgem para que evitemos o aumento da produtividade de erros Quando o assunto é automatizar pense sempre em simplificar o processo Para isto devemos pri meiro eliminar possíveis problemas que existam dentro dos processos e isto compreende eliminar ilhas de automação e preparar investimentos para a aquisição da melhor solução voltada à automatização do processo Uma vez que sejam analisados estes pontos podemos introduzir os conceitos de Sistemas Flexíveis de Automação e a partir dessa etapa abordaremos os principais conceitos de Sistemas de Automação Flexível e os diferenciaremos dos Sistemas de Automação Rígida A Automação Flexível ou Programável remete àqueles sistemas de automação que permitem alte rações em termos dos dispositivos que automatizam o processo permitindo que o sistema automático seja flexível para admitir alterações em sua programação de acordo com a necessidade dos produtos a serem manufaturados podendo assim manufaturar vários tipos de produtos utilizando a mesma planta automatizada COSTA CAULLIRAUX 1995 178 UNICESUMAR Um exemplo de Sistema de Automação Flexível é a máquina CNC que ao alterar apenas a progra mação pode executar a usinagem de inúmeros tipos de trabalhos diferentes na mesma máquina A Figura 6 mostra o exemplo de um torno CNC executando a usinagem de uma peça de acordo com a sua programação proveniente de um desenho CAD Na Automação Flexível a sequência de operações é definida por um programa e pelas suas instruções que resultam na fabricação de determinada peça por exemplo Este tipo de automação Programável é indicado para executar vários tipos diferentes de produtos em escala reduzida mas pode assumir casos em maior volume As suas principais características são Pode ser reprogramado para admitir novos projetos Adequado a pequenos e médios volumes de produção Permite a alteração de seus parâmetros de acordo com as necessidades do produto Apresenta custo inicial elevado pois utiliza tecnologias programáveis que requerem recursos de alto custo Os processos automatizados com Sistemas de Au tomação Rígida não permitem alterações ope ram apenas para um determinado tipo de ação limitado a dimensões e a recursos fixos Como exemplo podemos citar uma máquina de caixas de papel em que as dimensões e os detalhes da caixa determinaram a construção e a configuração da máquina de modo que não há como executar outro modelo diferente do previsto inicialmente Figura 7 Figura 6 Torno CNC executando usinagem de peça Automação Flexível Neste tipo de automação a sequência de opera ções é dada em função da peça a ser fabricada ou da configuração do equipamento em questão Este tipo de automação apresenta as seguintes características Adequada a grandes volumes de produção Possui elevado custo inicial de implanta ção pois requer o uso de equipamentos es pecíficos que fatalmente só terão utilidade para a fabricação de um tipo de produto Tem a capacidade de realizar um grande número de operações simultâneas Apresenta operações básicas Não possibilita alterações com facilidade Figura 7 Máquina de fabricar caixas de papel dimensões fixas Automação Rígida 179 UNIDADE 6 Na Automação Programável é possível alterar os detalhes do projeto e ajustar as suas dimensões de modo a se adequar às necessidades do mercado em situações em que as características específicas são solicitadas pelos usuários sem grandes intervenções no processo Quando um FMS possui Automação Flexível é possível identificar as características As estações de trabalho são programáveis de modo a permitir acesso remoto a seus parâmetros por meio de redes de computadores e dispositivos redes industriais A flexibilidade permite que o processo seja mais eficiente pois o fluxo de materiais pode ser assistido permitindo a monitoração de perdas e de desperdícios As configurações de máquina são práticas e rápidas diminuindo o tempo para a execução da manufatura Essas características permitem que o FMS diminua os custos de produção pois realiza a aquisição dos dados do processo permitindo assim a visualização dos indicadores de produção em tempo real e a tomada de decisões estratégicas Ocorre por exemplo quando a meta de produção de determinado produto não atinge o seu objetivo em determinado horário Observe a Figura 8 em que a produção de determinado produto teve início às 8h e a meta de pro dução até o fim do dia 18h é de 1000 peças Quantidade de peças produzidas Tempo em horas Produção de peças real Meta de produção de peças Projeção de produção 1200 1000 800 600 400 200 0 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 PRODUÇÃO DE PEÇAS Figura 8 Gráfico de produção no tempo monitoração permite atingir a meta Fonte o autor Perceba que uma hora depois a quantidade de produtos feitos era menor do que a meta e este indicador continuou a se estender pelas próximas três horas projetando para o fim do dia uma quantidade de produção estimada em 858 unidades Contudo em um FMS automatizado o supervisor do processo identificou que haviam faltado dois funcionários daquela linha de produção por motivo de doença e no turno da tarde após às 12h reposicionou operadores de outros setores para ocupar os postos dos funcionários que faltaram e assim a meta voltou a ser atingida Ao final do turno a produção foi realizada com sucesso 180 UNICESUMAR Sempre que estiver diante de um proces so de fabricação fique sempre atento a todas as variáveis disponíveis uma vez que quanto mais dados tiver acesso me lhor será sua visibilidade do processo e melhor serão os resultados em torno das metas estabelecidas O fato é que se os dados de produção não fos sem plotados na tela do supervisor de produção certamente a empresa ao final do dia teria que pagar horas extras aos funcionários para que a produção fosse atingida e esta ação corresponde a um desperdício que pode ser evitado desde que haja acesso aos dados e às ações estratégicas como resposta imediata Estudaremos agora os conceitos de Integração de Processos e CIM Manufatura Integrada por Com putador Com estes temas seremos capazes de entender como é possível que uma indústria integre os seus processos em execução de manufatura e dados de processo em sistemas computacionais voltados à gestão da produção Também serão abordados assuntos relacionados à indústria 40 Nesta unidade conceituamos CIM de modo a introduzir a sua filosofia de controle sobre um processo de manufatura Aqui trataremos de seus objetivos e recursos utilizados para que os seus resultados sejam atingidos Primeiramente partimos do princípio da definição do termo integração que neste contexto nos remete a acessar e a concentrar todos os dados do processo em uma base de dados independentemente de suas origens ou naturezas desde que sejam provenientes de elementos do processo como sensores atuadores controladores etc BALBINOT BRUSAMARELLO 2011 Quando temos acesso a todos os dados e os concentramos em uma base que alimenta os bancos de dados específicos já citados anteriormente podemos utilizar esses dados para os objetivos do controle de processo baseado em computador Os sistemas supervisórios industriais citados na Unidade 3 deste livro remeteram a uma estrutura baseada em um painel de controle gráfico o qual conhecemos como IHM Entretanto o conceito de siste ma supervisório se estende a uma aplicação no PC em uma sala de controle e pode ter múltiplas páginas que permitem ao usuário acessar os alarmes o processo as configurações os gráficos de tendências etc 181 UNIDADE 6 Figura 9 Sala de controle industrial com sistema supervisório Os sistemas de supervisão ou supervisórios industriais podem ser do tipo SCADA Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados em que ocorre a integração de todos os dados diretamente da en tidade de campo que acessa os dispositivos industriais o CLP Denominamos de TAG cada variável na memória do CLP sobre as quais o sistema supervisório atua realizando a leitura de seu valor ou impondo valores conforme a necessidade Quando uma CIM possui um sistema super visório com geração de relatórios é possível re gistrar cada evento do processo e até realizar a ponte com o sistema historiador que mantém o histórico de todas as variáveis envolvidas para permitir o acesso aos registros de produção e pre ver quantidades e aquisições futuras A Figura 9 apresenta uma sala de controle industrial com as telas de sistemas supervisório monitoradas o tempo todo por uma equipe que pode intervir a qualquer momento e direcionar ações à equipe de campo 182 UNICESUMAR Figura 10 CIM Controle total do processo Fonte o autor Perceba que desde os dispositivos de campo atuantes no processo industrial até os sistemas gestores deve haver conectividade e aplicações que rodam nos diferentes níveis No chão de fábrica os com putadores são utilizados para programar os controladores e os dispositivos de rede industrial além de possuírem sistemas supervisórios para monitorar o processo Neste caso normalmente os computa dores ficam em uma sala de controle e monitoração remota ao processo DISPOSITIVOS INDUSTRIAIS CONTROLE DE MOVIMENTO DISPOSITIVOS DE SAÍDA SENSORES E CHAVES DISPOSITIVOS DE ENTRADA SERVIDOR SERVIDOR SISTEMAS GESTORES SALA DE CONTROLE PIMS CHÃO DE FÁBRICA CLP 1 CLP 2 SCADA LADDER REDE DE COMPUTADORES REDE INDUSTRIAL BANCO DE DADOS MES SINALIZAÇÃO IHM CLIENTES ERP A B C FORNECEDORES O fluxo de dados entre o sistema supervisório que está na sala de controle e o CLP que está no campo no processo industrial é fornecido pela rede de dados da empresa de modo transparente conforme já abordamos anteriormente Após o CLP todas as comunicações ocorrem sobre a mesma rede e os níveis hierárquicos acessam os dados de acordo com os seus níveis de acesso e interesse conforme o diagrama da Figura 10 183 UNIDADE 6 Quando subimos para o nível de gestão do processo em que os dados são convertidos em infor mações utilizamse servidores de dados e bancos de dados específicos de acordo com a necessidade de cada módulo da manufatura que compõe o sistema PIMS As informações produzidas a partir dos dados do processo são disponibilizadas para o próximo nível que atua na execução da manufatura e também é denominado MES Nesse nível existe a comunicação com os sistemas ERP os quais permitem a gestão do fluxo de materiais matériasprimas recursos etc e de clientes além de interligar toda a base diretamente à Internet pela nuvem O MES fornece todas as informações necessárias para os sistemas gestores orientarem os líderes da empresa possibilitando a visualização e a tomada de decisões estratégicas como o direcionamento de investimentos e de planejamentos futuros de produção a estimativa de produção atual a aquisição de matériaprima a contratação de mão de obra e de demanda de energia o financiamento de maquinário a venda a mercado futuro etc Quando uma indústria deseja ter visibilidade transparente e controle total sobre a sua produção ela precisa contar com tecnologias que possibilitem este acesso à informação O processo para levantamento dos recursos tecnológicos necessários é denominado PDAI ou Plano Diretor de Automação Integrada O PDAI se inicia no levantamento de TAGs do processo desde o mais simples sensor até o di mensionamento do sistema gestor mais sofisticado o qual oferece as informações para a diretoria ou a presidência da corporação As empresas atuantes no segmento de PDAI contam com profissionais que dominam os conhecimentos de processo em termos de dispositivos recursos de integração e redes aplicativos gestores e bancos de dados sistemas supervisórios enfim toda a base de software e hardware necessária para que haja visibilidade e controle do processo A indústria moderna depende de alinhamento com as tendências atuais e futuras No Brasil temos poucas empresas que já se alinharam com a indústria 40 dado o nível de exigência tecnológica envolvido e o custo significativo de cada recurso Este assunto é de extrema importância e será abordado na sequência Assistimos à evolução da indústria ao longo dos anos desde o seu marco inicial ou seja a primeira Revolução Industrial em 1784 por meio do advento da máquina a vapor na Inglaterra O segundo momento ocorreu em 1870 na era do Fordismo com a fabricação em massa de veículos e a eletrificação Por sua vez a terceira Revolução Industrial ocorreu com a era da eletrônica e da automação graças à participação massiva dos computadores em 1969 SCHMIDT et al 2015 A Figura 11 apresenta um diagrama que relaciona os principais momentos da evolução industrial desde a primeira Revolução indústria 10 até os dias de hoje indústria 40 Figura 11 Evolução histórica da indústria Indústria 10 Indústria 20 Indústria 30 Indústria 40 184 UNICESUMAR Atualmente estamos passando por uma quarta Revolução Industrial aquela que envolve não apenas a automação mas sim o conceito de processos autônomos O que isto quer dizer afinal Autônomo no sentido de ter autonomia para tomar decisões de acordo com os indicadores ar mazenados em bases de dados históricos ou de alinhamento com as manifestações dinâmicas de um mercado em constante mudança ou seja que se readapta a cada dia para exigir a customização de suas soluções GILCHRIST 2016 Se fizermos um estudo paralelo do início da década de 80 até o final da década de 90 observaremos que os modelos de carros não mudavam com tanta frequência permanecendo praticamente os mesmos durante anos Mais recentemente um modelo de carro é lançado e pode trocar de versão quatro ou cinco vezes além de ter a sua fabricação interrompida sair de linha em menos de 10 anos O mercado contemporâneo saiu da era estática e passou à era dinâmica Poucos nichos do mercado ainda permanecem conservadores No ramo de tecnologia por exemplo o que hoje é tendência em poucos anos será ultrapassado Esta afirmação é a leitura que fazemos do momento em que o mercado se posiciona em torno do públicoalvo de seu produto e não o produto posicionado nas limitações da indústria da época como era até a terceira Revolução Industrial Há algumas décadas a indústria se adaptava de acordo com as suas características e tendências locais Com a ascensão da era da informação as necessidades locais passaram a ser as necessidades globais assim um produto que antes atendia a uma esfera de público passou a não mais atender às expecta tivas pois esse público agora tem novas opiniões sobre as suas próprias escolhas e tem a liberdade de se posicionar frente ao mercado manifestando as suas observações e fazendo com que ele atenda às necessidades de maneira cada vez mais customizada A preocupação é se realmente precisamos desta tecnologia e de um modelo tão flexível a ponto de ser alterado com certa frequência por conta da livre competição do mercado mundial e das inovações sugeridas por um público cada vez mais exigente Em termos de tecnologia para que uma empresa se ajuste ao perfil da indústria 40 em primeiro lugar é necessário que haja alinhamento de seus processos e que todos os dados sejam disponibilizados ao sistema gestor conforme vimos até agora nos conceitos de CIM As tecnologias mais emergentes que convergem com a indústria 40 são mostradas na Figura 12 185 UNIDADE 6 Figura 12 Arquitetura da indústria 40 baseada em tecnologias aplicadas Fonte o autor Ao analisar a Figura 12 observamos que todo o processo de adequação ao perfil da tendência da quarta Revolução Industrial indústria 40 ocorre por conta da digitalização e da integração de dados Lem brese não se pode controlar o que não se pode mensurar Logo para que cada uma das tecnologias mostradas na Figura 12 possa ser útil é necessário que elas sejam compatibilizadas digitalizadas e integradas na base da empresa de maneira confiável e fiel A indústria 40 é a definição do atual momento em que vivemos no que se refere às tendências da manufatura Atualmente o públicoalvo não se define macroscopicamente pelas tendências de uma única região do mundo As barreiras que separavam os consumidores de seu mercado foram sobrepos tas e o número de opções é praticamente infinito gerando possibilidades incontáveis e produtos que precisam se ajustar a cada dia em um ritmo impossível de gerenciar apenas com a mão de obra humana Os dispositivos autônomos vieram para ficar e a adaptação a esta realidade é dever de quem deseja permanecer no mercado pelos próximos anos Na esfera profissional devemos estar à frente de todas as tendências e com parecer crítico do que podemos utilizar do que precisamos utilizar e do que real mente tem algum benefício para a nossa sociedade enquanto profissionais que devem selecionar as melhores tecnologias para conduzir a produção deste país Realidade aumentada Computação na nuvem Dispositivos móveis Interação de perfl multinível Algoritmos de análise de Big Data Sensores inteligentes Impressão 3D Autenticação e detecção de fraude IHM avançado Tecnologias de localização Plataformas de internet das coisas DIGITALIZAÇÃO DE PRODUTOS E SERVIÇOS OFERECIDOS INDÚSTRIA 40 DIGITALIZAÇÃO E INTEGRAÇÃO DAS CADEIAS DE VALOR MODELOS DE NEGÓCIOS DIGITAIS E ACESSO COSTUMIZADO C O M P A TI BI LI Z A Ç Ã O E A N Á LI S E D E D A D O S C O M P A TI BI LI Z A Ç Ã O E A N Á LI S E D E D A D O S 186 UNICESUMAR Na China há serviços de logística automatizada por robôs que recebem as encomendas as entregam em um centro de distribuição e as encaminham automaticamente aos seus destinos com base em seus dados impressos na etiqueta de identificação Seria impossível passar por esse assunto sem mencionar o termo Internet das Coisas ou no inglês IoT Internet of Things Esta certamente está cada vez mais presente em nosso dia a dia e remete aos recursos de conectividade que cada dispositivo pode ter para produzir dados e abastecer uma base remota como uma geladeira que conectada à Internet pode disponibilizar suas variáveis e os parâ metros ao acesso remoto Afinal para que precisamos de conectividade em nossos eletrodomésticos Qual a vantagem disso Uma geladeira é sem dúvidas um bom exemplo de dispositivo que não se desconecta facilmente da rede elétrica mesmo enquanto estamos dormindo ou trabalhando ou até nos divertindo a geladeira está sempre ligada e conservando os nossos alimentos Este equipamento consome energia em quantidade significativa e enquanto está nova pode ser que o seu funcionamento esteja consumindo pouco porém após alguns anos o valor do consumo de energia desse equipamento pode não ser mais o mesmo inclusive a tendência é que ele consuma mais energia para realizar o mesmo trabalho pois vão surgindo desgastes vazamentos na vedação etc Será que sabemos o quanto cada um de nossos eletrodomésticos custa para ser utilizado Para fins de gestão de um processo em uma empresa precisamos que os dados do consumo de energia elétrica de nossa geladeira estejam disponíveis ao acesso pois sem eles não saberíamos o quanto um equi pamento consome de energia e o quanto ele deveria consumir Este exemplo é apenas um entre muitos que a Internet das Coisas permite A capacidade de interagir com o mundo externo como o acesso às câmeras instaladas em nossa casa quando estamos viajando direto na tela de um smartphone ou o consumo de energia de uma máquina são dados importantes para que um profissional qualificado possa propor soluções estratégicas baseadas em indicadores Não apenas a medição está entre os recursos de IoT Também existem os comandos que podemos produzir por meio destes dispositivos conectados como é o caso da demótica que se traduz na auto mação residencial em que um conjunto de tecnologias é utilizado para tornar acessíveis as instalações de uma edificação Assim o usuário pode configurar por meio de seu dispositivo móvel a temperatura que deseja em sua casa mesmo estando no aeroporto ou que determinada janela esteja aberta ou fechada apenas com um toque na tela de seu smartphone Estes fantásticos recursos que antes não existiam hoje estão ao alcance e devem ser incluídos em nosso dia a dia rapidamente sempre facilitando as nossas vidas mas exigindo adaptação e aprendizado para que sejam utilizados para os fins que foram concebidos 187 MAPA MENTAL Veja quantas informações obtivemos até essa etapa Agora iremos organizar os principais conceitos de maneira sistemática para analisar toda a estrutura de nossa unidade por meio de uma aplicação prática em um processo de manufatura inte grada por computador na figura a seguir RECEBIMENTO E ESTOQUE DE MATÉRIAPRIMA ENTREGA DE MATÉRIAPRIMA REMESSA PARA CLIENTE FINAL PROCESSO DE FABRICAÇÃO CONTROLE DE QUALIDADE DADOS NA NUVEM INTERNET ESTOQUE DE PRODUTO FINAL TESTE FINAL INDÚSTRIA 40 Observe que na figura cada estágio da manufatura entrega dados para um único campo Indústria 40 e deste estágio o acesso a todos os indicadores do processo estão disponibilizados na nuvem por meio da internet 188 MAPA MENTAL Neste momento você estudante deverá preencher seu mapa conceitual com os nomes das tecnologias envolvidas em cada uma das etapas desde o recebimento de matériaprima até o estoque de produto final conforme os termos estudados até este momento ENTREGA DE MATÉRIAPRIMA REMESSA PARA CLIENTE FINAL DADOS NA NUVEM INTERNET INDÚSTRIA 40 AGORA É COM VOCÊ 189 1 Em uma manufatura com CIM é correto afirmar que a Os dados do processo ficam restritos a cada setor b As informações da gestão independem dos dados do chão de fábrica c A gestão de recursos depende da monitoração sazonal dos dados do processo d A conversão de dados em informações é seguida do processo de reconhecimento e A CIM não permite que um sistema automatizado utilize MES 2 Nos processos de manufatura modernos são utilizados sistemas sofisticados que permitem a gestão de recursos e a execução da manufatura a partir da conversão de dados em informações O MES é definido como sendo uma ferramenta aplicada em assinale a alternativa correta a Gerenciar a execução da manufatura com base nos indicadores de desempenho e ter controle sobre o chão de fábrica uma vez que se comunica diretamente com os CLPs b Gerenciar a execução da manufatura utilizando os dados do processo e a conexão com ERP c Sistema de gerenciamento dos dados da planta d Sistema supervisório gestor e Ferramenta administrativa capaz de emitir telas de alarmes e tendências para monitorar o pro cesso industrial com determinismo 3 O PIMS é um sistema que atua com dados em uma estrutura centralizadora e permite acessos de acordo com os interesses de cada setor Com base nestas informações assinale a alternativa correta a O objetivo do PIMS é gerenciar as informações da planta com base em bancos de dados rela cionais b As empresas que utilizam PIMS normalmente são pequenas e apresentam baixo volume de produção c Os sistemas supervisórios substituem totalmente os sistemas PIMS d O PIMS não opera em empresas com redes industriais pois acessa dados apenas de compu tadores e O sistema MES não acessa os dados do PIMS pois as informações não são compartilhadas na cadeia vertical de valor AGORA É COM VOCÊ 190 4 Quando os sistemas de manufatura utilizam técnicas de integração em que o computador assume parte fundamental no sentido de supervisionar processos é possível que os sistemas flexíveis se tornem mais eficientes e produtivos Com base no estudo de FMS e CIM é correto afirmar que a Os FMS permitem que a CIM viabilize a manufatura de produtos mais padronizados e sensíveis ao mercado pois podem passar por alterações na mesma planta b Um processo com CIM é de baixo custo e de fácil implantação pois não exige qualificação es pecífica c Um FMS é viável sempre que a produção é dada em grandes volumes e não são necessárias alterações no produto d Um FMS permite alterações a qualquer momento tornando o produto sensível às necessidades do mercado e por isso se ajusta à produção em grandes escalas com baixo custo de produção e Em uma CIM o principal objetivo é vender mais no menor intervalo de tempo 5 Quando nos referimos à quarta Revolução Industrial podemos imaginar várias tecnologias sen do aplicadas em processos tornandoos mais produtivos Contudo de maneira mais precisa estamos afirmando que a A humanidade está prestes a ter um colapso total pois não há mais controle sobre as máquinas b A Revolução Industrial se refere ao movimento dos computadores que se tornaram autônomos e tomam decisões sem a intervenção humana invadindo servidores de indústrias e roubando dados c É o momento em que a indústria se tornou autônoma assim as máquinas podem tomar decisões em torno de seus limites operacionais realizando tarefas cada vez mais otimizadas d Máquinas automáticas poderão se conectar à Internet e se comunicar de modo autônomo de acordo com sua vontade e Não é possível acessar dados via Internet das Coisas pois na quarta Revolução Industrial as máquinas se comunicam apenas entre elas mesmas 6 A tecnologia IoT na indústria 40 é fundamental para a conectividade dos diferentes níveis hie rárquicos de uma manufatura De acordo com esta afirmação assinale a alternativa correta a Os dados são convertidos em informações graças a IoT pois sem este recurso não há como realizar esta conversão b Na indústria 40 não há pessoas trabalhando apenas máquinas autônomas pois elas são total mente capazes de realizar todas as operações c As tecnologias de IoT não se aplicam em processos com CIM pois o controle do processo está em um CLP d A indústria 40 admite apenas o sistema MES pois este recurso não se comunica com o ERP e O sistema MES está alinhado com a indústria 40 que prevê a autonomia às máquinas e processos aliados à conectividade disponibilizada pelo PIMS CONFIRA SUAS RESPOSTAS 191 1 D Apenas após a conversão de dados em informações é que é possível realizar o reconhecimento 2 B O MES é a ferramenta de gestão de execução da manufatura 3 A O PIMS é o sistema de gestão de informações da planta 4 A Para padronizar a manufatura de produtos com qualidade e replicabilidade adequadas ao mercado moderno um FMS utiliza CIM que alinha o uso de ferramentas de software dedicadas a cada estágio da produção 5 C A quarta revolução industrial atual é aquela em que os processos atingem autonomia para a manufatura 6 E As ferramentas MES e PIMS são utilizadas em alinhamento com a indústria 40 pois produzem indicadores necessários à gestão de processos de acordo com a demanda da indústria moderna REFERÊNCIAS 192 BALBINOT A BRUSAMARELLO V J Instrumentação e Fundamentos de Medidas 2 ed Rio de Janeiro LTC 2011 Volume 2 BRITO R G F A Planejamento de programação e controle da produção São Paulo IMAM 2000 CORRÊA H L et al Planejamento programação e controle da produção MRP IIERP conceitos uso e implantação base para SAP Oracle applications e outros softwares integrados de gestão São Paulo Atlas 2007 COSTA L S S CAULLIRAUX H Manufatura integrada por computador Sistemas integrados de produ ção estratégia organização tecnologia e recursos humanos Rio de Janeiro Campus 1995 GILCHRIST A Industry 40 The Industrial Internet of Things Bangken Thailand Apress 2016 SCHMIDT R et al Industry 40 Potentials for Creating Smart Products Empirical Research Results In ABRAMOWICZ W Automated Equation Formulation for Causal Loop Diagrams Poznan Poland Springer 2015 p 1627 MEU ESPAÇO MEU ESPAÇO 7 OPORTUNIDADES DE APRENDIZAGEM Introdução à programação do CLP Me Fábio Augusto Gentilin Nesta unidade você terá a oportunidade de conhecer algumas técnicas básicas e prérequisitos de hardware e software necessários para introduzir a programação em controladores lógicos programáveis com imersão em operações lógicas Esta etapa de nosso estudo permitirá que você possa estruturar a lógica de seu programa e realizar simulações no ambiente de testes do próprio controlador Você sabe como uma máquina pode realizar tarefas de maneira automática sem a intervenção humana para tomar decisões Como funciona a máquina de café expresso por exemplo que você seleciona o tipo de bebida e ela simplesmente executa o comando automaticamente liberando apenas aquele sabor selecionado na quantidade correta A indústria moderna conta com dispositivos de tecnologias poderosas voltadas ao controle de pro cessos industriais que agregam flexibilidade acessibilidade e controle dos processos como em uma indústria de cosméticos farmacêutica montadora de veículos fábrica de bebidas e alimentos etc A quantidade de opções de produtos disponíveis e suas variantes fazem com que as indústrias te nham que se adequar na gestão de cada característica para o mesmo produto o que demanda alterações significativas na linha de produção e na capacidade de atendimento da mão de obra Um exemplo é uma fábrica de cadeiras que fabrica 10 tipos diferentes de cadeiras sendo que cada uma pode assumir até 15 cores diferentes ou 8 tipos de estofamento de acordo com a escolha do cliente A gestão dos recursos para a fabricação de cadeiras depende de alinhamento entre o produto a ser fabricado e as tecnologias disponíveis no parque fabril Um caso interessante na indústria de alimentos ocorre em abatedouros de aves em que a classificação da ave abatida depende de seu peso que é mensurado automaticamente em sua esteira transportadora nória ainda em movimento e de acordo com seu tipo é depositado em um setor específico para ser processado por meio de um atuador pneumático A mesma ideia é utilizada nos aeroportos ou centrais de correios automatizadas em que as malas ou caixas identificadas por etiquetas especiais são transportadas por meio de esteiras automáticas que possuem sensores ao longo de sua extensão capazes de identificar cada objeto e com base em seu tipo atuam em cancelas com derivações que o direcionam de acordo com seu destino Figura 1 automaticamente sem a necessidade de uma intervenção humana 196 UNICESUMAR Relacione cada dispositivo que você tenha em sua casa ou trabalho que permita configuração por software programa Pode ser máquina de lavar timer de iluminação máquina de café automática O que você tiver por perto Altere as configurações de cada dispositivo de modo que haja alterações em seu funcionamento Feito isso classifiqueos em ordem de dificuldade de programação do mais difícil para o mais fácil e pontue o que mais dificultou ou facilitou o processo de programação por exemplo ausência de um mostrador poucos botões para navegar nos menus botões pequenos etc Tudo isso é importante para nosso aprendizado pois faz com que você pense a respeito das dificuldades que uma máquina pode ter em ser programada e o quanto isso é impactante para quem irá utilizála O que é mais difícil Entender uma máquina que já está programada por alguém cuja documentação do software não foi fornecida ou programar uma máquina do zero Tudo isso depende do tipo de máquina tipo de processo a ser automatizado e disponibilidade de recursos de acesso ao equipamento Uma máquina programada por outro profissional se tiver conectividade e acesso à memória de programa possibilita que a lógica embarcada em sua estrutura seja analisada e rapidamente domina da Um programa novo depende de conhecimento para definir as tecnologias de hardware que serão necessárias em função do número e do tipo das entradas e saídas e suas características Certamente o tempo para resolver um problema é majoritário sobre o projeto da solução de um problema e que quanto mais dominamos a tecnologia para programar uma máquina mais rápido o problema será resolvido Figura 1 Esteiras transportadoras de rolos automatizados derivações automáticas Afinal o que possibilita essas ações Já vimos em estudos nas unidades anteriores que temos uma es trutura baseada em sensores controladores e atua dores estes que operam em conjunto e harmonia para que o resultado desejado seja atingido Então com base nessa estrutura é que vamos estudar como ocorre essa interação em nível de programação Você já deve ter programado o alarme de um relógio digital para disparar em um horário es pecífico não é mesmo Como será que ocorre a lógica dessa ação dentro do dispositivo Exis te uma interação entre software e hardware O software é parte que precisamos programar mas é necessário que exista hardware para embarcar o software logo cada dispositivo que temos ao nosso redor que utiliza essa arquitetura detém aspectos semelhantes que iremos estudar Desta forma a nossa atividade é a seguinte 197 UNIDADE 7 Para iniciarmos nossos estudos sobre lógica e ambiente de programação em automação industrial vamos recorrer aos nossos estudos anteriores e recordar dois pontos importantes CLP e sua estrutura de hardware Entradas e Saídas e os diferentes tipos Caso tenha dúvidas sobre esses termos sugiro a você que revise os termos na Unidade 4 em que es tudamos esses assuntos O primeiro passo para a lógica é pensar em como o problema deve ser resolvido Há diversas manei ras para resolver o mesmo problema e há soluções mais rápidas e soluções mais lentas mas que tendem a atender ao mesmo objetivo logo não se preocupe neste momento com a quantidade de linhas que seu programa possa ter tenha foco na solução do problema e posteriormente atue na sua otimização Uma vez que há um problema e nos propomos a solucionálo com recursos de automação industrial precisamos de infraestrutura de hardware e de software Em um controlador o que diferencia a programação em termos de lógica é a quantidade de código de máquina produzido que pode ser decisivo em algumas tecnologias por conta do espaço ocupado em memória e o tempo de execução de um programa sugerindo que o algoritmo seja otimizado para diminuir o tempo de processamento Inicialmente reconheça a seguinte estrutura de ligações de um CLP com entradas e saídas digitais e uma fonte de alimentação dado na Figura 2 Cartão de entradas digitais Cartão de saídas digitais CPU Lamp 1 L1 V1 24V T S1 Snc1 Sno1 T1 t CLP Figura 2 CLP Diagrama em blocos Fonte o autor Perceba que tanto a CPU quanto os cartões de entradas e saídas precisam ser alimentados pela fonte de 24 V em que Os cartões de entrada e saída utilizam 24 V para estabelecer a referência de operação Vamos começar por instruções simples e logo depois vamos avançar para estruturas mais elaboradas assim abordaremos as instruções lógicas fundamentais NÃO OU e E 198 UNICESUMAR Façamos uma analogia dos diagramas elétricos de ligação dos componentes de uma instalação para entender melhor como ocorre a relação entre a ação humana de pressionar um botão e seu funcio namento lembrando que temos basicamente dois tipos de contatos Normalmente aberto Normalmente fechado Acompanhe na Figura 3 Figura 3 Contatos e suas representações e ações em botões de pulso Fonte adaptada de Schneider Electric 2016 p 153 Perceba que há duas linhas identificadas o Botão de pressão nor malmente aberto NO do inglês Normally Open e Botão de pressão normalmente fechado NC do inglês Normally Closed coincidindo com o diagrama elétrico de um exemplo do botão associado em série com uma lâmpada em ambos os casos para regime de repouso e regime de operação uso Observe que sempre que o contato BP1 está fechado NO ou NC o estado transferido para a carga lâmpada é igual a 1 e sem pre que o contato estiver aberto o nível lógico enviado à carga é 0 Vamos analisar agora o processo dado o comportamento está tico em repouso e dinâmico em operação dos contatos para a lógica NÃO temos a seguinte representação L1 l1 0 l1 0 l1 1 l1 1 BP1 EM REPOUSO DIAGRAMA ELÉTRICO DIAGRAMA ELÉTRICO Símbolo do módulo lógico Botão de pressão normalmente aberto Botão de pressão normalmente fechado Símbolo do módulo lógico EM USO OPERAÇÃO L1 BP1 L1 BP1 L1 BP1 199 UNIDADE 7 Seja x uma variável de entrada do CLP Se X 0 X 1 Ou seja Considere um interruptor denominado x Note que na Figura 4 o contato está aberto e esta é a notação para a variável x Agora para representarmos X a notação da mesma variável recebe uma barra acima de seu nome identificando seu estado oposto que neste caso da Figura 5 corresponde a um contato normalmente fechado exatamente o oposto de Assim podemos fazer as seguintes relações X i R1 FONTE L1 Figura 6 Circuito da lógica NÃO Fonte adaptada de Capuano e Idoeta 1997 Figura 4 Contato normalmente aberto Fonte o autor X Figura 5 Contato normalmente fechado Fonte o autor X Quadro 1 Lógica NÃO x X 0 1 1 0 Fonte adaptado de Capuano e Idoeta 1997 A leitura que você deve fazer acerca do Quadro 1 é se x recebe 0 X será igual a 1 se x recebe 1 X será igual a 0 Sempre X será o oposto de x pois tratamse de elementos pertencentes a sistemas Dicotômicos ou seja com dois estados opostos definidos DAGHLIAN 1995 Em um circuito elétrico podemos reconhecer a lógica NÃO a partir do estado de um contato como no exemplo do interruptor x que tem seu oposto X e que teria o efeito do circuito da Figura 6 200 UNICESUMAR Observe que quando x é igual a 0 seu contato não sofre alteração permanecendo aberto enquanto isso a lâmpada L1 está acesa pois recebe corrente elétrica i por meio do resistor R1 Quando escrevemos 1 em x seu contato sofre alteração de estado e passa a fechar fazendo com que a corrente i deixe de passar pela lâmpada e passe pelo caminho mais fácil o contato de X Durante essa condição a lâmpada L1 apaga e permanece apagada Note que quando escrevemos 0 em x a lâmpada acende e quando escrevemos 1 em x a lâmpada apaga o que nos leva a concluir que essa lógica produz como resultado em sua saída sempre o oposto do estado lógico escrito em sua entrada A representação de um contato não é dada pela notação barrado em que X significa o contrário de x e em programação de CLP um contato barrado é representado por um interruptor normalmente fechado conforme dado na Figura 7 Figura 7 Contato normalmente fechado representação da lógica NÃO Fonte o autor Quando digitalizamos processos utilizando lógica combinacional assumindo estados lógicos 0 e 1 o estado lógico 0 remete a um contato normalmente fechado assim como o estado lógico 1 remete ao contato normalmente aberto conforme o exemplo dado na Unidade 2 deste livro Quadro 2 Quadro 2 Digitalização de um processo de controle de nível Possibilidade Entradas Saída Vazio Médio Cheio Válvula 1 0 0 0 1 2 0 0 1 X 3 0 1 0 X 4 0 1 1 X 5 1 0 0 1 6 1 0 1 X 7 1 1 0 1 8 1 1 1 0 Fonte o autor Ao analisar a possibilidade 5 notamos que ela corresponde à lógica 1 E 0 E 0 1 201 UNIDADE 7 Que traduzido em diagrama de contatos fica Figura 8 Diagrama de contatos lógica de acionamento da válvula Fonte o autor Veja na Figura 8 que quando a sentença referente à entrada é igual a 1 o contato é normalmente aberto e quando a sentença é igual a 0 o contato é normalmente fechado O exemplo apresentado remete a outra lógica muito importante para nosso estudo a lógica E que se refere à associação dos contatos para obtenção do resultado desejado no caso é acionar a válvula A leitura que você deve fazer é no sentido de interpretar que quando uma sentença x E outra sen tença y se combinam somente assim poderemos ter o resultado desejado Isso nos permite afirmar que apenas uma sentença não satisfaz a condição mas sim as duas simultaneamente A lógica E dada no exemplo 1 E 0 E 0 informa que quando as variáveis de entrada assumem tal condição 1 E 0 E 0 a válvula entrará em operação 1 logo temos um caso em que há três variáveis de entrada Vazio Médio e Cheio e uma de saída Válvula Isso nos permite afirmar que a condição de validade do acionamento da válvula depende de uma associação em série das variáveis de entrada para satisfazerem a possibilidade 5 do Quadro 2 Note que a lógica E é a liga entre uma variável e a outra de entrada conforme a Figura 9 Vazio Médio Cheio Válvula Figura 9 Lógica E associação em série dos contatos Fonte o autor Vazio Médio Cheio Válvula E E associação em série dos contatos Ainda ao analisar o Quadro 2 vemos que há mais de uma possibilidade que permite o acionamento da válvula ou seja há mais combinações de sen tenças de entradas que resultam em 1 na válvula São as possibilidades 1 0 E 0 E 0 1 5 1 E 0 E 0 1 7 1 E 1 E 0 1 Nesse caso concluímos que deve haver uma lógica tal que a válvula será acionada OU por meio da possibilidade 1 OU por meio da possibilidade 5 OU por meio da possibilidade 7 Em termos de diagrama de contatos teremos a seguinte representação 202 UNICESUMAR Figura 10 Lógica OU Sentenças em paralelo Fonte o autor Com base nas instruções lógicas NÃO E e OU podemos resolver a maioria dos problemas de auto mação em termos de programação de controladores Para testar nossas ideias iremos introduzir o conceito de programação em uma plataforma que permi te a simulação de programas que você poderá instalar no seu computador e realizar seus próprios testes é a ferramenta Zelio Soft da empresa Schneider Electric SCHNEIDER ELECTRIC 2020 online1 Este programa permite a programação de controladores da família Zelio Logic que são extre mamente robustos e acessíveis em termos de programação pois apresentam uma interface amigável e intuitiva além de permitir a programação em duas linguagens Ladder e FBD Function Blocks Diagram que são os blocos de funções com instruções em SFC Sequential Function Charts ou diagrama de blocos funcionais adequados também à programação GRAFCET que se estrutura em instruções como First Scan primeira varredura por exemplo FRANCHI 2008 Vazio Médio Cheio Vazio Médio Cheio Vazio Médio Cheio Válvula OU OU associação em paralelo das linhas de sentenças Além desses atributos a ferra menta Zelio Soft permite a Edição Monitoração Simulação O projeto de controle se resume no programa do CLP que você pode desenvolver e testar em seu computador sem nenhum custo e sem a necessidade de ter o controlador físico conectado ao computador para executar a aplicação desenvolvida Figura 11 Tela para download da Ferramenta Zelio Soft Fonte Schneider Electric 2020 online1 203 UNIDADE 7 Siga as instruções para download do Zelio Soft disponíveis no link Você será direcionado para um site com opções de download em que deve selecionar a opção dada na Figura 11 Clique na opção SOFTWARE DE PROGRAMAÇÃO e aguarde o Download Para instalar o programa execute o arquivo que acabou de baixar normalmente Após instalado execute o programa para ver a tela Figura 12 Tela inicial do programa Zelio Soft 2 Fonte o autor Quando o programa é executado você pode escolher a ação que gostaria de realizar com o programa sendo as opções Registrar agora caso queira se registrar no site do fabricante opcional Criar um novo programa opção utiliza da para criar um novo programa para con troladores Zelio Logic famílias SR2 e SR3 Abrir um programa existente utilize esta opção caso queira abrir um progra ma preexistente para edição por exemplo Abrir um programa utilizado recente mente utilize esta opção para abrir um programa recentemente aberto Transferir um programa a partir de um módulo com essa opção será pos sível transferir um programa que esteja completamente editado para o módulo controlador Zelio Logic famílias SR2 e SR3 Modo monitoração esta opção permite que você acesse o controlador e monitore o programa que está em sua memória po dendo interagir com ele Sair caso queira sair selecione esta opção Para nossos experimentos iremos clicar na opção Criar um novo programa e a tela deve ser exibida 204 UNICESUMAR Figura 13 Tela de seleção de módulos Zelio Logic Fonte o autor Os controladores contemplados por este programa podem ser verificados nas opções da tela dada pela Figura 13 em que temos acesso aos modelos das famílias SR2 e SR3 contempla dos Clique em qualquer mo delo para ver a descrição e fun cionalidades de cada modelo na tela abaixo dos modelos Perceba que as característi cas de cada controlador se dão em termos de Alimentação exibe a alimentação elétrica de cada modelo podendo ser alimentados em cor rente contínua normalmente em 12 V 24 V ou 48 V a maioria opera em 24 V ou em corrente alternada variando de 100 V a 240 V Entradas Digitais exibe o número de entradas digitais que o modelo selecionado oferece Entradas mistas DIGAnalógicas exibe o número de entradas mistas digitais e analógicas que o modelo selecionado oferece Saídas Digitais exibe o número de saídas digitais que o modelo selecionado oferece Ecrãteclado informa se o modelo contempla ou não uma tela com mostrador digital LCD e um teclado para navegação e configuração Relógio indica a existência de um RTC Relógio de Tempo Real que permite a programação de eventos temporais Idioma informa quais as linguagens de programação disponíveis para cada modelo podendo ser LD Ladder ou FBD Diagrama de Blocos de Funções Referência exibe o código de referência para cada modelo 205 UNIDADE 7 Para nossos testes iremos clicar no modelo SR2B201FU que possui as características conforme a Figura 14 Figura 14 Seleção do modelo SR2B201FU Fonte o autor Alimentação corrente alternada 100 V a 240 V Entradas Digitais 12 entradas digitais 100 V a 240 V Entradas mistas DIG Analógicas não possui Saídas Digitais 8 saí das digitais à relé Ecrãteclado possui mostrador LCD e teclado Relógio possui relógio interno Idioma permite a edi ção de programas em linguagem LD Ladder ou FBD Diagrama de Blocos de Funções Referência SR2B 201FU É muito importante selecionar um controlador que atenda ao propósito da automação à qual se pretende aplicar o equipa mento sempre levando em con sideração o número de entradas e saídas dele e demais recursos envolvidos no projeto Uma vez selecionado o mo delo clique em Avançar para ver a próxima tela Figura 15 Figura 15 Tela de configurações de hardware Fonte o autor 206 UNICESUMAR Nesta tela da Figura 15 você pode ver os dados da seleção atual com a imagem do controlador físico e a possibilidade de extensões que este modelo oferece Nesta tela não iremos adicionar nenhum recurso uma vez que este modelo já se encontra adequado ao nosso estudo pois as aplicações serão simuladas e não físicas lembrando que este modelo se encontra limitado a 120 linhas e número finito de contatores temporizadores e bits de memória internos Clicando em Avançar você deve ter acesso à próxima tela Figura 16 em que é possível selecionar a linguagem de programação do controlador escolhido Figura 16 Tela de seleção da linguagem de programação Fonte o autor Veja na Figura 16 as opções de linguagens de programação Ladder linguagem em formato de contatos e bobinas semelhante aos diagramas elétricos que conhecemos FBD linguagem com blocos de funções que são símbolos representa tivos de funcionalidades lógicas do controlador Iremos introduzir neste momento a linguagem Ladder e posteriormente iremos mostrar como ocorre seu equivalente na linguagem FBD portanto selecione a opção Ladder e clique em Avançar para que a tela de edição do ambiente Zelio Soft seja exibida Figura 17 207 UNIDADE 7 Figura 17 Tela de edição do ambiente Zelio Soft Fonte o autor Na Figura 17 você pode ver a tela em que iremos começar a programar nosso controlador Vamos então reconhecer cada modo de operação do ambiente olhando para o canto superior direito da tela conforme mostrado na Figura 18 Figura 18 Painel de navegação do Zelio Soft Fonte o autor Cada um dos modos de operação possui os acessos dados na sequência título do modo atual edição botão de acesso ao modo de Edição botão de acesso ao modo de Simulação botão de acesso ao modo de Monitoração ícone da Schneider que entra em movimento rotacional durante a simulação do programa Agora vamos conhecer os recursos que o ambiente possui em termos de funcionalidades olhando para o rodapé da tela do canto inferior da esquerda para a direita Figura 19 Painel de funcionalidades do ambiente de programação Fonte o autor 208 UNICESUMAR Cada funcionalidade do ambiente de programação em Ladder é dado conforme a sequência acesso às entradas digitais do controlador acesso às teclas Zx do controlador disponíveis no painel frontal acesso aos bits de memória interna do controlador relés auxiliares acesso às saídas digitais do controlador acesso aos temporizadores do controlador acesso aos contadores do controlador acesso aos comparadores do controlador acesso aos relógios do controlador acesso às mensagens de texto do controlador configuráveis acesso à retroiluminação do visor acesso ao horário de verãoinverno Cada funcionalidade tem suas especificações e limitações conforme informado pelo menu Ajuda do ambiente Zelio Soft 2 SCHNEIDER ELECTRIC 2016 As entradas digitais DIG são exclusivamente utilizadas como contato no programa Elas estão atreladas aos bornes de acesso externo do contro lador ou seja é exatamente onde os sensores ou contatos de entrada são interligados fisicamente no controlador e depende de potencial elétrico para mudar de estado É importante citar que quando o controlador é alimentado em 24 V normalmente suas entradas digitais operam com este potencial porém quando ele é alimentado em full range 100 Vca a 240 Vca as entradas digitais operam nesta faixa de potencial Quando um dispositivo de entrada botão de pressão interruptor detector etc sofre variação de estado lógico a entrada digital informa esse evento por meio de sua transição de bit que corresponde ao canal de entrada ou seja se um contato estiver ligado na entrada 1 do CLP quando este for pres sionado um bit de memória na CPU do CLP muda de estado identificando o evento de transição na entrada específica Veja na Figura 20 um exemplo de um botão BP1 ligado na entrada digital do controlador e seu diagrama elétrico para um modelo alimentado em fonte full range 100 Vca a 240 Vca 209 UNIDADE 7 O número de entradas dis poníveis corresponde ao nú mero de conexões das entradas a ele associada sendo identi ficadas de 1 a 9 e para valores acima de 9 com letras de A a R exceto para as letras I M e O de acordo com o módulo lógico e a possível extensão As teclas Zx são as teclas de navegação do painel do con trolador e comportamse como as entradas físicas I entradas DIG em que x é um índice que varia de 1 a 4 Z1 Z2 Z3 e Z4 conforme podemos obser var na Figura 21 Figura 20 Instalação típica de uma entrada e de uma saída digital no contro lador Zelio Logic Fonte Schneider Electric 2007 p 152 L1 Fusível 2 BP1 Fusível 1 L N 100 240 V CA 50 60 Hz Figura 21 Disposição das teclas Zx Fonte adaptada de Schneider Electric 2007 p 1 TECLAS Zx A única diferença é que elas não correspondem aos terminais de ligação do módulo lógico mas aos quatro botões cinza do painel frontal São muito úteis quando o usuário necessita in troduzir acesso ou intervenção na lógica do programa direta mente em seu painel e operam exclusivamente como contatos digitais SCHNEIDER ELEC TRIC 2016 210 UNICESUMAR Os Relés auxiliares são marcados com M ou N e comportamse como Saídas digitais Q porém não possuem um contato de saída físico São utilizados como variáveis internas O número máximo de relés auxiliares depende da versão do firmware e se há ou não um módulo SR2COM01 inclusa na configuração Existem 28 relés auxiliares M numerados de M1 a M9 e em seguida de MA a MV excluindose MI MM e MO Caso nenhuma interface de comunicação SR2COM01 for selecionada na configuração existem 28 relés auxiliares N numerados de N1 a N9 e em seguida de NA a NV excluindose NI NM e NO SCHNEIDER ELECTRIC 2016 É possível utilizar os relés auxiliares no programa tanto como bobina quanto como contato sem restrições Permitem memorizar um estado que será utilizado sob a forma do contato associado As saídas digitais ou discretas correspondem às saídas do módulo lógico ligadas aos atuadores Essas saídas são numeradas de Q1 a Q9 e depois de QA a QG de acordo com a referência do módulo lógico e as extensões ligadas As saídas digitais podem ser utilizadas com um elemento de bobina para acionar ou de contato leitura O uso de temporizadores permite atrasar prolongar e comandar as ações durante um determinado período de tempo É possível parametrizar estes períodos de tempo por meio de um ou dois valores de préseleção de acordo com os tipos de temporizador Para a família de controladores Zelio existem 11 tipos de temporizadores A ativo controle mantido a ativo inícioparada por impulso C em espera B passagem ativação comando impulso calibrado na fase ascendente da entrada de comando W temporização depois do impulso impulso calibrado na fase descendente da entrada de comando D intermitência simétrica controle mantido sincronamente PD intermitência simétrica inícioparada por impulso T totalizador de trabalho AC AC combinação de A e C L indicador intermitente comando mantido assincrona mente l indicador intermitente inícioparada por impulso Em blocos de funções o controlador Zelio possui 28 ou 16 blocos de função temporizadora de acordo com a configuração de hardware do modelo Eles são numerados de 1 a 9 e de A a V I M e O não são usados NOTA o número máximo de temporizadores também depende da versão do firmware do controlador SCHNEIDER ELECTRIC 2007 211 UNIDADE 7 Cada bloco tem uma entrada de reposição a zero uma entrada de comando e uma saída permitindo saber se a temporização está terminada Iremos abordar cada tipo de temporizador em nossa próxima unidade com implementação de testes em cada modalidade Ao utilizar contadores é possível contar os impulsos de forma crescente ou decrescente seja de um evento externo sensor por exemplo ou de um evento interno do programa número de vezes que alguma contagem atinge seu limite por exemplo O módulo lógico possui 28 ou 16 de acordo com a configuração de hardware do modelo Eles são numerados de 1 a 9 e de A a V I M e O não são usados NOTA o número máximo de contadores também depende da versão do firmware A função Contadores pode ser reinicializada a zero ou com o valor de préseleção conforme o parâ metro escolhido durante a utilização A utilização em contato permite saber se O valor predefinido tiver sido atingido contagem progressiva ATÉ O valor 0 é atingido modo Contagem decrescente FROM Há também funções que auxiliam nas tomadas de decisões como os comparadores de contadores pois esta função permite comparar o valor de dois contadores ou de um contador e um valor constante Outro recurso interessantíssimo do controlador Zelio é a função invernoverão em que a saída desta função permanece no estado Desligado durante toda a duração do horário de inverno e passa para o estado Ligado durante toda a duração do horário de verão SCHNEIDER ELECTRIC 2007 Por predefinição não existe mudança do horário de verãoinverno Essa função deve ser ativada no software de programação ou no painel frontal do módulo lógico Para ativar esta função no software de programação o aluno deve proceder da seguinte forma abra a janela Configuração do programa menu Editar Configuração do programa Logo depois sele cione a guia Formato da data e na sequência selecione a caixa Ativar alteração do horário de verão inverno utilizando uma das áreas geográficas predefinidas defina as datas das mudanças de horário ou configurando manualmente a data mêsdomingo A função Relógios permite validar intervalos de horários durante os quais será possível executar ações O módulo lógico possui 8 blocos de função Relógios numerados de 1 a 8 Cada um tem quatro intervalos de programação e funciona como um programador semanal Os blocos de função Relógios são utilizados como contatos Existe uma função TEXTO que é utilizada para exibir texto uma data hora e valores numéricos no visor LCD em vez dos estados de entradassaídas Um único bloco de função TEXTO é utilizado para definir o conteúdo de todo o visor LCD O conteúdo pode ser uma combinação de Texto com no máximo 72 caracteres Valores numéricos correspondentes à saída de uma função utilizada no aplicativo por exemplo um contador 212 UNICESUMAR Esses valores podem incluir uma vírgula decimal data hora ou valor de calibração da função Relógios Os módulos lógicos incluem 16 blocos de TEXTO numerados de 1 a 9 e de A a G Esses blocos de função são utilizados como bobinas O número máximo de variáveis que podem ser exibidas por bloco de TEXTO é 4 Até 16 blocos de TEXTO de TX1 a TXG podem ser utilizados simultaneamente em um programa mas apenas o bloco ativado é exibido Se vários blocos forem ativados o bloco com o maior número será exibido Para alternar o visor da tela de TEXTO para a tela ENTRADASSAÍDAS pressione a tecla Shift e em seguida pressione a tecla MenuOK A saída Retroiluminação do visor LCD permite monitorar por programa a iluminação do visor LCD Nos modos PARAR e EXECUTAR o visor LCD fica iluminado por 30 segundos quando a chave é pressionada no painel frontal Com esta base de conhecimento podemos avançar ao uso do aplicativo Zelio para implementar um simples exemplo e avançar na programação propriamente dita que teremos na Unidade 8 Vamos agora partir do ponto que chegamos na Figura 17 em que havíamos inicializado o programa Zelio Soft criamos um novo programa selecionamos o controlador SR2B201FU e a linguagem de programação Ladder Agora você deve salvar essa configuração com um nome em uma pasta específica para o salvamento de seus programas Sugiro que você adicione uma pasta em seu disco rígido do tipo CPROGRAMASZELIO ou se tiver uma partição do tipo D faça isso lá D PROGRAMASZELIO Agora clique em Fichei ro Guardar como para salvar e digite um nome para seu programa por exemplo Programa1 Depois disso clique em Salvar A tela de salvamento deve ser conforme a Figura 22 Figura 22 Salvando o programa de controle do Zelio Fonte o autor 213 UNIDADE 7 Agora podemos ver que estamos no modo de edição e é aqui que iremos introduzir um pequeno pro grama que liga ou desliga um motor Para ligar o motor precisaremos de dois botões de pulso sendo um botão LIGA e outro botão DESLIGA Além dos botões ligados eletricamente nas entradas digi tais teremos uma saída digital ligada à bobina de um contator de um motor elétrico que quando ativa saída aciona o contator e por consequência o motor daí iremos chamar esta saída de MOTOR1 No primeiro passo vamos reconhecer os componentes necessários para este programa 2 Entradas digitais botão LIGA e botão DESLIGA 1 saída digital MOTOR1 A representação dos componentes em Ladder respeita uma simbologia que aqui iremos implementar No caso de dispositivos conectados nas entradas digitais ou bits internos de memória podemos utilizar o símbolo Figura 23 Figura 23 Símbolo de contato vinculado à entrada digital diagrama de contatos Fonte o autor Em que Ix representa a entrada I input entrada acompanhada do índice numérico pois o con trolador pode ter diversas entradas e o número identifica cada uma juntamente de seu pseudônimo Por exemplo I1 LIGA Contudo o símbolo para entradas digitais e contatos internos bits mais usual e utilizado na pro gramação de CLPs em linguagem Ladder é este Ix Figura 24 Contato aberto em linguagem Ladder Fonte o autor Note o uso da letra maiúscula para o termo I denotando contato aberto Quando o mesmo contato é do tipo fechado ou barrado será representado pelo símbolo dado na Figura 25 em que é utilizada a letra minúscula em i representando o estado fechado ix Figura 25 Contato fechado em linguagem Ladder Fonte o autor As definições de nomenclatura e representações consideram os símbolos em regime de estado inicial ou seja sem imputação de valores iniciais em repouso Ix 214 UNICESUMAR No caso de dispositivos conectados nas saídas digitais do controlador para este modelo foi convencionado o uso da letra Q para saídas assim podemos ter Qx em que Q remete a uma saída física conectável ao dispositivo atuador por exemplo um contator uma lâmpada uma válvula etc Iremos utilizar o símbolo dado na Figura 26 O termo x remete ao índice da saída por exemplo Q6 motor da esteira 2 Figura 26 Símbolo da bobina em linguagem Ladder dispositivo de saída Fonte o autor Em resumo podemos ver os símbolos em um quadro que relaciona o diagrama de contatos com os respectivos símbolos Qx Figura 27 Quadro resumo contatos e bobinas em Ladder comparação com símbolo em diagrama de contatos Fonte o autor As saídas Q do controlador Zelio Logic determinam a quantidade numérica de itens a serem acionados No caso do controlador SR2B201FU temos 8 saídas à relé que podem operar nos modos Modo contator ativo no estado ou seja se a linha estiver ativa a saída será acionada se estiver inativa a saída estará desligada Modo Biestável com um pulso a saída é ligada e com outro pulso a saída é desligada Modo set S e reset R neste modo a mesma saída terá uma bobina set S e uma bobina reset R Para todo set deve haver um reset Qx Ix Ix Ix ix Qx Diagrama de contatos Contato aberto Contato fechado Bobina Diagrama Ladder 215 UNIDADE 7 Para testar nossos símbolos Ladder vamos implementar nosso primeiro programa no ambiente Zelio Soft Primeira mente com o programa devi damente salvo iremos nomear as entradas e saídas de nosso controlador Clique no símbolo do conta to I no canto inferior esquer do da tela A relação de entra das disponíveis deve expandir e você poderá nomear as entradas I1 e I2 conforme a Figura 28 no campo de comentário Uma saída não deve ser repetida no programa pois se isso ocorrer mais de uma sentença poderia solicitar que uma mesma saída fosse ligada e ao mesmo tempo outra que esta fosse desligada Quando mais de uma sentença desejam atuar na mesma saída utilizamse contatos de memória interna Figura 28 Nomeando as entradas do controlador Fonte o autor Note que há 12 entradas varian do de I1 a IC nós iremos utilizar apenas as entradas 1 e 2 Para editar o nome da saída digital clicamos no botão da bobina Q e inserimos o comentário MOTOR na saída Q1 confor me a Figura 29 Figura 29 Nomeando as saídas do controlador Fonte o autor 216 UNICESUMAR Feito isso vamos montar nosso programa na tela mas antes devemos reconhecer cada parte da tela de edição Veja na Figura 30 que há 5 colunas de contatos e uma coluna de bobinas Figura 30 Tela de edição do programa Fonte o autor Além disso há uma coluna para comentários em que podemos comentar o que ocorre em cada linha do programa A regra aqui é contatos só podem ser inseri dos na região de contatos e bo binas só devem ser inseridas na região de bobinas a menos que pretenda utilizar uma bobina como um contato auxiliar que estudaremos mais adiante Vamos agora arrastar nossas entradas I1 e I2 para as posições das colunas de contato 1 e con tato 2 e linhas 001 e 002 respec tivamente conforme Figura 31 A dica é clicar no nome da entrada e arrastar até a posição indicada e então soltar o contato clicando no envelope para exibir o nome da entrada TAG Uma vez posicionados os contatos iremos agora inserir a saída Q1 clicando no símbolo S da respectiva saída e arrastandoo até a posição bobina da linha 001 Depois disso arraste a letra R para a linha 002 na mesma coluna conforme mostrado na Figura 32 Figura 31 Inserção das entradas no programa Fonte o autor Figura 32 Inserção da saída no programa Fonte o autor Agora precisamos ligar as entradas nas saídas clicando nas linhas horizontais dentro das células entre os contatos e as bobinas e uma linha irá surgir conforme Figura 33 217 UNIDADE 7 Figura 33 Formação de linhas de interligação no programa Fonte o autor Clique em cada linha das células entre os contatos e as bobinas para interligálas e obter a configuração dada na Figura 34 Figura 34 Ligações entre os contatos e a bobina concluídas Fonte o autor Agora podemos inserir um comentário em cada linha de programa Clique no campo comentário da linha 001 e insira a frase LIGA MOTOR No mesmo campo da linha 002 escreva DESLIGA MOTOR Depois clique em salvar Deve ficar assim Figura 35 Figura 35 Comentando o programa Fonte o autor 218 UNICESUMAR Dica se clicar na linha e arrastar para a direita por exemplo a linha se forma do ponto onde o cursor do mouse apontar naquela linha até a bobina em questão O que fizemos até agora se resume em editar o programa por este motivo estamos no modo de edição Agora iremos para o modo de simulação em que poderemos testar nosso programa Clique no ícone para acessar o modo de simulação Perceba que aparecem alguns recursos novos que ainda não havíamos visto por exemplo Mostrarocultar as entradas este recurso permite que as entradas sejam estimuladas toda em um único painel de botões facilitando a gestão dos testes Mostrarocultar as saídas este re curso exibe as saídas em um único painel de lâmpadas facilitando a visibilidade da ativação durante os testes Ao clicar nesses botões os painéis devem ser exibidos conforme a Figura 36 Figura 36 Painéis de controle para entradas e saídas visibilidade facilitada para os testes Fonte o autor Programas de automação industrial podem ter milhares de linhas distribuídas em funções periféricas com interação de contatos bobinas temporizadores contadores ou blocos de funções matemáticas com códigos embarcados e de difícil visualização Como você faria para organizar seu programa e tornálo de fácil manutenção para qualquer programador que venha a operálo Agora podemos iniciar os testes colocando o programa em modo de RUN Para isso devemos clicar no botão localizado no canto superior direito da tela Note que quando o programa está rodando o símbolo entra em movimento de rotação 219 UNIDADE 7 Uma vez rodando o programa vamos testar seu funcionamento Clique apenas no botão LIGA no painel de entradas ou diretamente sobre o contato na linha de programa e solte o botão para ver o que acontece com a saída MOTOR Figura 37 Figura 37 Ligando o motor Fonte o autor Note que quando clicamos e soltamos o botão do mouse neste modo Set e Reset o motor liga e fica ligado lâmpada acesa indicando que a saída está ativa pois para este teste o botão é com retenção ou seja uma vez pressionado ele fica pressionado Para soltar deve clicar mais uma vez assim o botão volta ao estado de repouso inicial Veja a Figura 38 Figura 38 Liberando o contato retentivo Fonte o autor Note que mesmo depois de liberar o contato a lâmpada permanece ligada pois a estrutura que a aciona é do tipo Set uma vez setada deve ser resetada para desligar Ora então vamos testar o botão DESLIGA que faz exatamente isso Figura 39 220 UNICESUMAR Figura 39 Desligando o motor Fonte o autor Veja agora que o motor está desligado lâmpada apagada e o botão retentivo DESLIGA está acionado Nesse caso o que aconteceria se clicarmos no botão LIGA com o DESLIGA pressionado Quem teria a prioridade Vamos testar O que aconteceu Os dois botões ligados e a lâmpada permaneceu apagada Por quê Na estrutura Set e Reset a prioridade é para o Reset assim sempre que utilizar acionamento de saídas com Set sempre prever um Reset lembrandose que a lógica que ativa o Reset terá a prioridade Para ligar novamente precisamos apenas desativar o botão desliga e ligar o botão liga Iremos ver mais formas de acionar a saída em nossa próxima unidade em que você irá testar suas ideias utilizando essa ferramenta fantástica que é o Zelio Soft Figura 40 Teste de prioridade botão desliga tem prioridade sobre o botão liga Fonte o autor 221 UNIDADE 7 222 UNICESUMAR A programação de CLPs é um recurso que agrega flexibilida de ao projeto de automação e controle e serve aos propósitos de aplicações simples e com plexas permitindo a interação entre itens de hardware que enviam seus dados ao disposi tivo de controle de modo que possam processar e realizar a tomada de decisões que se ex pressa por meio dos atuadores em ambiente industrial 223 MAPA MENTAL O desafio é desenvolver lógica que somente quando o botão 1 E o botão 2 estejam pressionados E a chapa esteja em sua posição correta condição informada por um sensor posicionado na máquina o atuador da dobradeira entre em operação Preencha o seu próprio mapa em seu estágio correspondente com as informações necessárias para a solução do problema Por exemplo no estágio 1 qual o pro blema a ser resolvido No estágio 2 quantas entradas e saídas e seus tipos serão necessárias Utilize este raciocínio para os demais 1 2 3 4 5 Chegamos ao momento de nossa avaliação Aqui você irá resgatar os principais conhecimentos obtidos nessa etapa de seus estudos e poderá refletir sobre o que aprendeu por meio de uma estrutura organizacional denominada Mapa Conceitual No mapa conceitual apresentado podemos ver um panorama do ciclo de solução de problemas em uma situação de projeto de controle com CLP por estágios de 1 a 5 Veja que tudo começa na identificação do problema passa por uma etapa de levantamento de prérequisitos de hardware e software e somente depois dessa eta pa é que entramos com a lógica a ser utilizada para a programação do controlador O desenvolvimento do programa vem em um estágio em que podemos inserir a lógica e posteriormente testála Para essa atividade preencher cada quadro com os dados para solução do problema Máquina dobradeira automática esta máquina exige que o operador pressione dois botões ao mesmo tempo para que seu atuador realize a dobra em chapas de metal para garantir que ambas as mãos estejam em posição segura durante sua operação 1 PROBLEMA DE AUTOMAÇÃO A SER RESOLVIDO 2 PRÉREQUISITOS DE HARDWARE E SOFTWARE 3 LÓGICA PARA SOLUCIONAR O PROBLEMA 4 DESENVOLVIMENTO DO PROGRAMA EM LINGUAGEM DE CLP LADDER 5 TESTES COM O PROGRAMA NO SIMULADOR AGORA É COM VOCÊ 224 1 Um vagão de carvão deve sair carregado de sua origem a 150 metros dentro de uma mina e será descarregado na zona de descarga por meio de sensores indutivos atuadores e botões de comando conforme a figura VAGÃO M DESCARGA DESLIGA PAINEL DE CONTROLE DA ORIGEM RETORNA DESLIGA PAINEL DE CONTROLE DA DESCARGA Sensor de INÍCIO MOTOR do vagão Sensor de FIM Origem do carvão dentro da mina Zona de descarga Processo de controle de vagão em mina de carvão Fonte o autor Se o vagão estiver na posição INÍCIO e o botão DESCARGA for pressionado o motor do vagão então é acionado para a direita em direção à zona de descarga Quando o vagão chega na zona de descarga o motor é desligado por meio da detecção realizada pelo sensor de FIM Se pressionado o botão RETORNA o motor do vagão é acionado no sentido da mina origem e desliga o motor quando encontra o sensor de INÍCIO Dado o processo descrito assinale a alternativa correta a O vagão só poderá retornar à origem se o comando RETORNA for pressionado e o vagão estiver vazio b O motor do vagão deve ser acionado em dois sentidos sendo um para avançar à zona de des carga e outro para retornar à origem c Os sensores posicionados no INÍCIO e no FIM do curso do vagão são analógicos d O peso do vagão influencia no seu deslocamento uma vez que os sensores são de massa metálica e O vagão segue em direção à zona de descarga com lógica OU entre o sensor de INÍCIO e o botão de DESCARGA AGORA É COM VOCÊ 225 2 Dado um processo de controle de elevadores quando um andar é selecionado o elevador deve se deslocar até o referido pavimento detectado por um sensor de andar e parar automaticamente Somente após a sua parada total é que a porta deve ser aberta Dado à descrição do processo assinale a alternativa correta a Neste caso existe uma lógica NÃO entre o sensor de andar e a porta do elevador realizando o controle de abertura da porta b Há uma lógica OU entre o sensor de andar e a porta do elevador realizando o controle de abertura da porta c A lógica E entre o sensor de andar e a porta do elevador existe para garantir que ao parar no andar E a porta estiver aberta o CLP possa acionar o motor do elevador d Há lógica E entre o sensor de andar e a porta do elevador para garantir que ao parar no andar selecionado E a porta estiver fechada o CLP possa acionar o motor da porta para que seja aberta e Para o elevador existe uma lógica NÃO combinada com a lógica OU entre o sensor de andar e a porta do elevador realizando o controle de abertura 3 Em uma fábrica de rações um operador aciona o motor do triturador pressionando o botão liga e desliga o motor por meio de um botão desliga com prioridade para o desliga O motor só entra em operação se a tampa de proteção estiver fechada detectado por um sensor de tampa fechada e se o motor estiver ligado e a tampa se abrir o motor deve desligar imediatamente Caso o botão liga seja pressionado com a tampa aberta uma lâmpada vermelha deverá acender informando que houve falha no acionamento Sobre o funcionamento do triturador assinale a alternativa correta a Há uma lógica NÃO entre o sensor da tampa aberta e a lâmpada vermelha b O motor é acionado se pressionados os botões liga e desliga simultaneamente c O sensor de tampa realiza lógica OU com o botão LIGA d Se o motor estiver ligado e a tampa se abrir o motor deve desligar pois há lógica OU entre o botão e o sensor de tampa aberta e O motor do triturador não entra em operação se pressionados juntos os botões LIGA e DESLIGA pois há lógica OU entre eles e a bobina da saída digital que aciona o motor CONFIRA SUAS RESPOSTAS 226 1 B Para avanço a ligação do motor ocorre de tal forma que o sentido de giro ocorra na direção da descarga No retorno para produzir movimento contrário é necessário ligar o motor com inversão de sentido e giro 2 D O elevador precisa estar no andar desejado E estar parado E somente nessa ocasião acionar a abertura da porta que deve estar fechada para se deslocar 3 A Quando o sensor de tampa está em nível lógico 1 a lâmpada está desligada indicando que a tampa está fechada REFERÊNCIAS 227 CAPUANO F G IDOETA I V Elementos de Eletrônica Digital 26 ed São Paulo Érica 1997 DAGHLIAN J Lógica e Álgebra De Boole 4 ed São Paulo Atlas 1995 FRANCHI C M Controladores Lógicos Programáveis São Paulo Érica 2008 SCHNEIDER ELECTRIC Ajuda do Zelio Soft 2 França RueilMalmaison 2016 SCHNEIDER ELECTRIC Zelio Logic 2 Módulo lógico Manual do utilizador SR2MAN01FR por V43 França RueilMalmaison 2007 Disponível em httpwwwruntalcombrpdfSR2manualpdf Acesso em 30 jun 2020 REFERÊNCIA ONLINE 1Em httpswwwsecombrptproductrange542zeliosofttabstop Acesso em 29 jun 2020 MEU ESPAÇO 8 OPORTUNIDADES DE APRENDIZAGEM Programação de CLP Aplicada Me Fábio Augusto Gentilin A partir desta unidade já temos ferramentas para avançar na programação de um CLP sabemos sobre os requisitos básicos de hardware e software e iremos praticar em exemplos reais nossas habilidades nesta unidade bastante imersiva Você terá a oportunidade de aprender a programar com técnicas básicas porém eficientes em ambiente de programação com linguagem Ladder Nesta etapa de nosso estudo iremos testar ideias no ambiente de simulações práticas Zelio Soft com situações próximas do ambiente profissional de automação industrial 230 UNICESUMAR Você já deve ter observado em um posto de combustíveis enquanto um veículo é abastecido por uma bomba automática que quando o valor desejado está prestes a ser atingido a vazão de combustível diminui drasticamente e finaliza exatamente no valor predefinido Você sabe como isso é possível Em uma fábrica de detergente em que várias embalagens devem ser envasadas com volume es pecífico de produto em grandes quantidades de embalagens com ciclos de alta velocidade como é possível que todas as embalagens sejam envasadas tampadas rotuladas e contadas ao final do processo mantendose o registro de cada uma das etapas Em processos contínuos ou por batelada descontínuos as tecnologias de automação utilizam recursos que atuam diretamente na contagem e na temporização de eventos estes que podem ser por exemplo o tempo de envase de um produto ou a quantidade de itens que passaram por uma esteira respectivamente Para utilizar essas técnicas é necessário dominar o conhecimento de temporizadores e contadores disponíveis nos ambientes de programação de CLP A temporização permite que você estabeleça lógica que estabeleça o tempo para ligar ou desligar dispositivos como motores válvulas ou lâmpadas ou ainda assim tempos intermediários intermi tentes que podem ser cíclicos com intervalos de liga e desliga que fazem uma lâmpada de sinalização acender e apagar repetidamente Na Figura 1 podemos observar o exemplo de uma válvula com atuador pneumático em que a vazão de fluido pode ser manipulada pelo tempo de abertura de seu atuador Figura 1 Válvula industrial o tempo de abertura pode definir o volume de fluido que é transferido por meio da tubulação Os contadores são capazes de registrar a quantidade de itens ou de eventos por exemplo de acordo com o sinal informado por um sensor de proximidade fotoelétrico instalado em uma esteira de uma indústria farmacêutica ou de um encoder incremental acoplado ao eixo de uma máquina utilizado para detectar quantas rotações por minuto o eixo realiza A Figura 2 mostra dois exemplos de tecnologias de automação industrial utilizadas para contagem de peças e de eventos 231 UNIDADE 8 Na Figura 2a um sensor fotoelétrico é utiliza do para contar a quantidade de medicamentos em esteira da indústria farmacêutica na Figura 2b é observado um encoder rotativo utilizado para determinar a velocidade do eixo de uma máquina acionada por motor ambos os senso res atuam em conjunto com o CLP para contar quantidades e eventos Chegamos ao momento de experimentar o as sunto de que estamos tratando Vamos fazer uma análise acerca da abrangência da temporização e da contagem em nosso cotidiano interpretando o funcionamento de alguns eletrodomésticos co muns nas casas da maioria das pessoas Aparelho de Microondas Máquina de lavar roupas Esses dois exemplos de equipamentos utilizam programação temporizada e em alguns casos po dem realizar contagens de ciclos que por exemplo servem para que um processo se repita ou seja mais rápido como no caso da programação da máquina de lavar que pode repetir um ciclo para determinado tipo de roupas baseado na contagem de eventos do mesmo tipo Descreva como ocorre o processo de tempori zação para o aquecimento de um prato no Micro ondas levantando os prérequisitos de entradas e saídas que o equipamento deve ter para realizar esta tarefa Por exemplo Dispositivos de entrada teclado sensor de porta fechada etc Dispositivos de saída motor do prato rota tivo lâmpada válvula Magnetron etc Realize o mesmo exercício para a máquina de la var roupas que tenha acesso em sua casa indepen dentemente da tecnologia digital ou analógica A temporização pode determinar o tempo em que um motor é acionado após determinado co mando ou até mesmo o volume de um determi nado fluido como no caso da água que abastece o cesto de uma máquina de lavar Por meio da temporização cada etapa de funcio namento de um ciclo de lavagem em uma lavadora automática pode ser configurada e assim atender a diferentes tipos de roupas a serem lavadas A contagem pode ser útil quando o número rotações do eixo do motor da máquina de lavar ou do prato do Microondas é monitorado para que o controle da velocidade de giro seja realizado em uma malha fechada de controle Figura 2 Contagem de peças e eventos A B 232 UNICESUMAR Os temporizadores permitem que eventos ocorram de acordo com um tempo preestabelecido seja para iniciar ligar ou finalizar desligar algo A Figura 3 mostra exemplos de temporizadores timers que são dedicados a essa função Figura 3 Temporizadores a modelo para montagem em painel b Modelo para montagem em tomada residencial A programação de CLPs com a utilização de temporizadores e contadores é fundamental quando dese jamos controlar o acionamento de dispositivos externos ou até mesmo quando desejamos estabelecer lógica que depende da contagem de eventos ou do tempo entre eles FRANCHI 2008 O conceito de temporizador é bastante simples e deve ser explanado aqui para que pos samos entender o que ocorre na programação Considere a imagem da Figura 4 um tem porizador utilizado para o acio namento programado de uma válvula em um programa de CLP em linguagem Ladder com diagrama de contatos COMANDO TEMPO1 VÁLVULA1 T1 T1 Q1 I1 Figura 4 Temporizador conceitual Fonte o autor Note que há na primeira linha um contato denominado comando que está vinculado à entrada digital 1 I1 Este por sua vez está interligado ao temporizador T1 intitulado de TEMPO1 Na segunda linha observamos um contato com o mesmo título do temporizador T1 ligado à bobina da saída digital Q1 denominada de VALVULA1 A lógica que deve entender é a seguinte quando o contato COMANDO mudar de estado aberto para fechado o temporizador TEMPO1 será acionado e o ciclo de temporização terá início imediato Como consequência disso de acordo com o tipo de temporizador o contato vinculado ao tempori zador T1 muda de estado fazendo com que a saída à qual está vinculado seja acionada ou desligada Iremos a partir desse estágio apresentar os principais temporizadores e contadores utilizados pela plataforma Zelio Soft Para acompanhar o raciocínio crie um novo programa com o título TEMPO RIZADORES conforme instruções da Unidade 7 A B 233 UNIDADE 8 Na barra de menus inferior podemos observar a presença de um ícone que representa os tem porizadores já anunciados na unidade anterior de nosso livro Ao clicar neste ícone te mos acesso aos temporizadores disponíveis para o modelo de controlador que estamos utili zando em nosso exemplo Note que há 28 temporiza dores disponíveis com os ter Figura 5 Temporizadores no ambiente Zelio Soft Fonte o autor mos Tx em que x é o índice que varia de 1 até 28 e cada um deles possui um respectivo campo T e um R que representam respectivamente o contato de saída e o Reset do temporizador além do campo de comentário que pode auxiliar na documentação do projeto Iremos agora conhecer o funcionamento dos temporizadores inserindo em um exemplo um temporizador para acionar uma saída digital de nosso controlador Para este teste realize as seguintes inserções Nomear uma entrada digital com o título BOTÃOLIGA Nomear uma entrada digital com o título BOTÃODESLIGA Nomear uma saída digital com o título LÂMPADA1 Nomear um temporizador com o título TEMPO1 O nosso programa tem três linhas sendo dado conforme a Figura 6 Figura 6 Programa de teste para temporizadores Fonte o autor Para inserir o temporizador clique na letra T do temporizador que nomeou e arraste até a posição da coluna da bobina na linha 001 e solte Faça o mesmo para o correspondente R do mesmo tem porizador na linha 003 Para inserir os componentes da segunda linha clique no termo T1 e arraste até a posição de contato da coluna 1 depois clique na opção de Q1 e arraste até a posição bobina da linha 003 Interligue todos conforme a Figura 6 234 UNICESUMAR Agora vamos configurar a temporização de acordo com o tipo disponível por este controlador clicando duas vezes sobre o temporizador inserido TEMPO1 A tela de opções deve aparecer Figura 7 Tela de configurações para temporizadores Fonte o autor Perceba que na Figura 7 temos 11 tipos de temporizadores que precisamos conhecer antes de realizar nossos testes SCHNEIDER ELECTRIC 2016 A ativo controle mantido a ativo inícioparada por impulso C em espera B passagem ativação comando impulso calibrado na fase ascendente da entrada de comando W temporização depois do impulso impulso calibrado na fase descendente da entrada de comando D intermitência simétrica controle mantido sincronamente PD intermitência simétrica inícioparada por impulso T totalizador de trabalho AC AC combinação de A e C L indicador intermitente comando mantido assincrona mente l indicador intermitente inícioparada por impulso Vamos então nesse momen to analisar cada tipo de tem porizador associandoos com exemplos práticos de uso e posteriormente iremos testá los um a um para entender seu funcionamento No tipo A ativo contro le mantido o tempo é para ligar algo ou seja utilizamos este temporizador quando de sejamos ligar algum dispositi vo ou ação após um comando comando este que deve ser mantido enquanto ocorre a temporização assim há um tempo para ligar ou iniciar a ação desejada Para este tipo de temporizador temos a seguinte configuração 235 UNIDADE 8 t TTx Tx Primeiro vamos interpretar as variáveis de nosso temporiza dor que serão as mesmas para os demais tipos TTx representa o temporizador assim no nosso exemplo o temporizador TT1 possui um comando e um con tato T1 que utilizaremos para comutar a saída denominada de Figura 8 Diagrama de funcionamento do temporizador tipo A Fonte adaptada de Schneider Electric 2016 LÂMPADA1 conforme exemplo dado na Figura 4 A letra t representa o tempo ou seja a temporização do evento Em outras palavras é o intervalo de tempo que uma ação deve aguardar para ocorrer De acordo com o diagrama da Figura 8 quando o comando dado em TT1 ocorrer e enquanto este comando for mantido a temporização de tempo t será iniciada e ao final deste tempo o contato T1 mudará de estado Se o comando TT1 mudar de estado no caso abrir na borda de descida o contato T1 volta ao seu estado de repouso Se for restabelecido o comando novamente o ciclo se repete Caso ocorra a retirada do comando durante a temporização antes do tempo t ter sido concluído este é reiniciado zerado e recomeça após novo comando do zero Podemos concluir que este tipo de temporizador atua com comando e interrompe sua temporiza ção desligando a saída com a retirada do comando logo depende apenas do sinal de comando para atuar e desligar t TTx Tx O comando em TT1 foi acionado O comando em TT1 é aberto borda de descida Contato de T1 voltando ao estado de repouso com a ausência de comando em TT1 Contato de T1 sendo comutado após o tempo t Temporização com tempo t para LIGAR Contato de T1 em estado de repouso Figura 9 Diagrama de temporização tipo A tempo para ligar desabilitar o comando para interromper a temporização Fonte o autor No tipo a ativo inícioparada por impulso a temporização ocorre quando aplicamos um impulso no comando do temporizador assim podemos utilizar uma condição baseada em um botão de pulso por exemplo para iniciar a temporização 236 UNICESUMAR Ao final do tempo t o contato T1 é acionado e permanece neste estado até que a borda de subida do impulso Reset ocorra conforme observado na Figura 10 Isso equivale a pressionar um botão de pulso No ato do fechamento ocorre a borda de subida Contato de T1 voltando ao estado de repouso com Reset Atuação do Reset borda de subida Contato de T1 sendo comutado após o tempo t Temporização com tempo t Contato de T1 em estado de repouso t TTx Tx RTx O comando em TT1 foi acionado borda de subida O comando em TT1 é aberto Figura 10 Diagrama de temporização tipo a tempo para ligar reset para interromper a temporização Fonte o autor Podemos concluir que no tipo a o comando aciona a temporização em forma de impulso na borda de subida do comando e o contato T1 é comutado após o tempo t que pode ser interrompido a qualquer momento com impulso no Reset do temporizador Assim uma vez acionado o contato ou enquanto ocorre a temporização se aplicado um impulso em Reset o contato é desligado No temporizador do tipo C em espera o tempo é parar desligar algo ou seja no mesmo instante em que ocorre o comando de TT1 é acionado o contato T1 Após retirado o comando em sua borda de descida iniciase a temporização de tempo t TTx Tx O comando em TT1 foi acionado O comando em TT1 é aberto borda de descida Contato de T1 voltando ao estado de repouso com a ausência de comando e após transcorrido o tempo t Contato de T1 sendo comutado juntamente com o comando em TT1 Temporização com tempo t Contato de T1 em estado de repouso t Figura 11 Diagrama de temporização tipo C tempo para desligar por ausência do comando mantido Fonte o autor 237 UNIDADE 8 Este tipo de temporizador é utilizado quando desejamos desligar algo após a retirada do comando como um sistema de arrefecimento por exemplo que mesmo após seu desligamento deve continuar a resfriar uma superfície por tempo estabelecido ou sistema de iluminação que podemos desligar e somente após determinado tempo ocorre o desligamento programado Semelhante ao tipo C há o tipo B passagem ativação comando impulso calibrado na fase ascendente da entrada de comando Neste tipo de temporizador que prevê também um tempo para desligar algo o comando ocorre quando um impulso é aplicado em TT1 sem retenção momento no qual ocorre a comutação do contato do temporizador T1 Na mesma borda de subida do impulso ocorre o início da temporização que ao seu término abre o contato T1 conforme mostrado na Figura 12 TTx Tx O comando em TT1 foi acionado borda de subida O comando em TT1 é aberto Contato de T1 voltando ao estado de repouso após transcorrido o tempo t Contato de T1 sendo comutado juntamente com a borda de subida do comando Temporização com tempo t Contato de T1 em estado de repouso t Figura 12 Diagrama de temporização tipo B tempo para desligar por ausência do comando com impulso Fonte o autor Este tipo de temporizador é interessante quando desejamos acionar uma carga com um impulso por exemplo um pressionar em um botão de pulso e após tempo predefinido ser desligada Há um temporizador denominado de tipo W temporização depois do impulso impulso ca librado na fase descendente da entrada de comando que consiste em temporizar um evento na borda de descida do comando ou seja quando aplicado o comando no temporizador nada acontece Apenas depois de liberado o comando na borda de descida é que o contato T1 é acionado e a temporização iniciada conforme mostrado na Figura 13 238 UNICESUMAR Figura 13 Diagrama de temporização tipo W tempo para desligar por ausência na borda de descida Fonte o autor Entre o tipo B e o tipo W podemos realizar o acionamento de uma saída do CLP por exemplo com um impulso de comando pois ambos atuam no tempo para desligar porém no tipo W a temporização ocorre apenas depois que o comando foi dado e retirado na borda de descida A principal diferença é que o tempo só passa a contar quando o comando é retirado TTx Tx O comando em TT1 foi acionado borda de subida O comando em TT1 é aberto borda de descida Contato de T1 voltando ao estado de repouso após transcorrido o tempo t Contato de T1 sendo comutado na borda de descida do comando Temporização com tempo t Contato de T1 em estado de repouso t Você já se deparou com uma situação em que deveria caminhar uma longa distância em uma planta industrial sem iluminação por falta de instalação elétrica que permita o desligamento das lâmpadas por meio de um interruptor no ponto final de um longo corredor por exemplo Em situações como essa é necessário acionar a iluminação e contar com seu desligamento automático temporizado Quando pensamos em situações em que precisamos ligar e desligar algo de maneira cíclica ou repetitiva com os mesmos tempos para ligar e desligar enquanto um comando é dado e mantido temos o tipo D intermitência simétrica controle mantido sincronamente Figura 14 239 UNIDADE 8 Este tipo de temporizador é utilizado para acionar cargas como sinalização por exem plo quando observamos uma lâmpada que acende e apaga repetidamente em uma situa ção de alarme como em torres de sinalização de operação em máquinas industriais A Figura 16 mostra um pro cesso de mistura de tintas em que eventos de temporização são comuns em diversos tipos estudados até o momento em que ciclos de acionamento de válvulas e motores com sentido de giro reversíveis em tempos simétricos são necessários TTx Tx O comando em TT1 foi acionado borda de subida O comando em TT1 é aberto borda de descida Contato de T1 voltando ao estado de repouso na ausência de comando borda de descida Contato de T1 sendo comutado na borda de subida do comando Temporização com tempo t simétrica para ligado e desligado Contato de T1 em estado de repouso t t t t t t t t Figura 14 Diagrama de temporização tipo D tempo para ligar e desligar simétrico astável Fonte o autor Figura 15 Torre de sinalização de operação em máquina industrial acionamento astável em caso de alerta 240 UNICESUMAR A Figura 17 apresenta os grá ficos de operação do LM555 em que o sinal retangular re presenta a saída em regime de operação astável e o sinal com curva exponencial representa a constante RC Resistor Capaci tor do circuito As aplicações de controle baseadas em CLP utilizam soft ware para definir os tempos em nível alto e em nível baixo tem po ligado e tempo desligado O termo utilizado para definir o comportamento oscilatório de liga e desliga envolvido no tem porizador do tipo D é denomi nado comportamento astável que denota não estabilidade em um único estado pois implica em um estado ligado durante intervalo de tempo e em outro estado durante o mesmo inter valo de tempo Figura 16 Máquina de mistura de tintas aplicação prática de temporização de eventos Em alguns casos osciladores astáveis podem assumir tempos diferentes para o período em nível alto e baixo de acordo com a necessidade Este conceito é muito comum na eletrônica explorado profundamente com o uso de circuitos integrados dedicados como no caso do famoso LM555 que rendeu muitas publicações em torno de suas várias aplicações e possibilidades quase infinitas Figura 17 LM555 operação astável tempos configuráveis em nível alto e baixo Fonte Texas Instruments 2000 p 10 241 UNIDADE 8 No ambiente Zelio Soft temos ainda o temporizador tipo PD intermitência simétrica início parada por impulso que a exemplo do tipo D possui sinal astável na saída contato T1 mas com acionamento por meio da borda de subida de um impulso de comando e finaliza a oscilação com a borda de subida do reset TTx Tx RTx O comando em TT1 foi acionado borda de subida O comando em TT1 é aberto borda de descida Borda de subida do Reset Contato de T1 voltando ao estado de repouso após reset borda de subida Contato de T1 sendo comutado na borda de subida do comando Temporização com tempo t simétrica para ligado e desligado Contato de T1 em estado de repouso Reset do temporizador t t t t t t t t Figura 18 Diagrama de temporização tipo PD tempo para ligar e desligar simétrico astável com reset Fonte o autor Este temporizador apresenta operação semelhante ao já mencionado no tipo D com a diferença de que neste modo de operação PD o início da temporização ocorre na borda de subida do comando que atua com um impulso e finaliza seu ciclo com o reset A necessidade de imple mentar temporizadores ocorre também quando nos depara mos com situações mais elabo radas com recursos de soma de tempos por exemplo para o temporizador atuar quando um determinado total de tem po for atingido podendo ser a somatória de tempos de uma máquina operando ao longo de um período contratado por um usuário ou conforme o caso de máquinas CNC que devem pas Figura 19 Máquina CNC Manutenção preventiva e programada lubrificação e revisão obrigatórias sar por ciclos de manutenção obrigatórias ao final de determinado tempo de uso totalizado Figura 19 Também podemos utilizar este recurso quando precisamos implementar ciclos de limpeza funções especiais ou degelo com o pressionamento de botões por um intervalo de tempo por exemplo Podemos implementar esses exemplos com a utilização do temporizador do tipo T totalizador de trabalho que opera conforme o diagrama da Figura 20 242 UNICESUMAR TTx Tx RTx O comando em TT1 pode ser fracionado em pequenos tempos t1 t2 t3 O tempo t é igual à somatória dos tempos individuais t1 t2 t3 t t1 t2 t3 Borda de subida do Reset Contato de T1 voltando ao estado de repouso após reset borda de subida Contato de T1 sendo comutado após o tempo t atingir o valor total Tempos parciais t1 t2 e t3 Contato de T1 em estado de repouso Reset do temporizador t t1 t2 t3 t t3 t2 t1 Figura 20 Diagrama de temporização tipo PD tempo para ligar depende do tempo total de comando somatória de tempos parciais Fonte o autor No caso do temporizador tipo T o comando é dependente da somatória de tempos parciais t1 t2 e t3 ou simplesmente do comando mantido até o tempo t ser atingido botão comando pressionado até o tempo t ser totalizado assim tt1t2t3 Observe que o reset faz com que a temporização t seja reiniciada logo se após um reset o coman do for restabelecido o tempo t deverá ser novamente obtido para que o contato T1 mude de estado Quando a automação requer um temporizador que permita acionar e desligar algo com tempo para ligar e tempo para desligar no mesmo temporizador a solução é utilizar o temporizador do tipo AC AC combinação de A e C Figura 21 TTx Tx O comando em TT1 foi acionado borda de subida O comando em TT1 é aberto borda de descida Contato de T1 voltando ao estado de repouso com a ausência de comando em TT1 e do tempo tB Contato de T1 sendo comutado após o tempo tA Temporização com tempo t para LIGAR iniciada na borda de subida do comando Temporização com tempo tB para DESLIGAR Contato de T1 em estado de repouso tA tB Figura 21 Diagrama de temporização tipo ACAC tempo para ligar e tempo para desligar depende do comando Fonte o autor 243 UNIDADE 8 Neste temporizador podemos observar que há a união dos dois tipos já estudados tipos A e C e pode ser utilizado para impor tempo para ligar tA uma carga ou evento após tempo a partir de um comando e na ausência do comando tempo para desligálo tB Para a temporização de eventos com oscilação astável em tempos de nível alto e baixo distintos liga e desliga independentes temos o temporizador do tipo L indicador intermitente comando mantido assincronamente que opera com tempos assimétricos entre os níveis altos e baixos ligados e desligados do contato T1 TTx Tx O comando em TT1 foi acionado borda de subida O comando em TT1 é aberto borda de descida Contato de T1 voltando ao estado de repouso na ausência de comando borda de descida Contato de T1 sendo comutado na borda de subida do comando Temporização com tempo tA e tB assimétricos para ligado e desligado Contato de T1 em estado de repouso tA tA tA tB tB tB Figura 22 Diagrama de temporização tipo L operação astável com tempos assimétricos independentes Fonte o autor Neste tipo de temporizador podemos configurar em um só elemento os tempos para uma máquina ficar ligada ou desligada por meio das variáveis tA e tB respectivamente Finalmente vamos conhecer o último tipo de temporizador de nosso ambiente de programação o tipo 1 indicador intermitente inícioparada por impulso Figura 23 TTx Tx RTx O comando em TT1 foi acionado borda de subida O comando em TT1 é aberto borda de descida Borda de subida do Reset Contato de T1 voltando ao estado de repouso após reset borda de subida Contato de T1 sendo comutado na borda de subida do comando Temporização com tempos tA e tB assimétricos para ligado e desligado Contato de T1 em estado de repouso Reset do temporizador tA tA tA tB tB tB Figura 23 Diagrama de temporização tipo 1 operação astável com tempos assimétricos independentes comando por impulso Fonte o autor 244 UNICESUMAR Este tipo de temporizador é utilizado conforme o tipo PD porém utiliza o comando via impulso e possui tempos independentes assimétricos para ligar e desligar algo por meio do contato de T1 Voltemos então para nosso programa e ob servemos a configuração dos tempos Atenção no termo Duração mostrado em todos os tipos de temporizadores que deve ser preenchido com o valor numérico do respectivo tempo desejado para ligar ou desligar uma carga ou evento Nos casos onde há tempos independentes irá aparecer um termo para cada variável tA e tB Observe a unidade de medida do tempo que é dada nas variantes de segundos minutos e horas sendo s segundos com duas casas para segundos e duas casas para milissegundos 0000 S segundos com três casas para segundos e uma casa para milissegundos 0000 MS minutos e segundos com campo para minutos e segundos de temporização 0000 HM horas e minutos campos para horas e minutos de temporização 0000 H horas campos para horas de temporização 0000 Figura 24 Painel de blocos funcionais Fonte o autor Este recurso permite que você acompanhe o status da temporização de cada temporizador de seu programa e será utilizado também para os contadores uma vez que são todos classificados como Blocos Funcionais Clicando em você tem acesso às configurações de aceleração e aos limites da simulação Este recur so não será utilizado em nossas aulas mas caso você entenda útil poderá fazer uso para suas simulações Vamos para um exemplo em nosso programa Configure seu temporizador TT1 com o tipo ACAC com a unidade S e os tempos tA0050 e tB0030 Agora entre no modo de simulação Note que te mos duas figuras MostrarOcultar os blocos funcionais MostrarOcultar o controlador de ace leração de simulação Clicando em você vai ter acesso aos parâme tros de cada temporizador de seu programa como a sua função temporizador sua etiqueta de iden tificação T1 seu tipo AC trabalho em espera sua préseleção da temporização T1A0050 S e T1B 0030 S o valor atual da temporização T1A 000 S e T1B 0000 S estado de bloqueio e comentário TEMPO1 245 UNIDADE 8 Figura 25 Painel de configurações de aceleração e limites de simulação Fonte o autor No seu caso caroa alunoa o seu programa deve estar com o aspecto da Figura 26 Clique em RUN e depois no BOTÃOLIGA Figura 26 Simulação do programa de temporização tempo para ligar completo Fonte o autor Veja que a temporização deve ser observada na célula correspondente do campo valor atual da tem porização de T1A da Figura 24 Acompanhe o incremento do tempo T1A que varia de 0000 S até 0050 S que é o tempo para ligar Ao final deste tempo a lâmpada em Q1 LÂMPADA1 deve acender conforme mostrado na Figura 26 Depois de acesa a lâmpada clique novamente no botão de I1 BOTÃOLIGA e acompanhe o tempo para desligar em valor atual da temporização de T1B que varia de 0000 S até 0030 S Ao final deste tempo a lâmpada em Q1 LÂMPADA1 deve apagar conforme mostrado na Figura 27 246 UNICESUMAR Figura 27 Simulação do programa de temporização tempo para desligar completo Fonte o autor Agora que você já aprendeu sobre os 11 tipos de temporizadores do ambiente Zelio Soft vamos estudar os contadores que tratam de estruturas capazes de totalizar eventos ou quantidades de acordo com estímulos de entrada Os estímulos podem ser de sensores que detectam eventos por exemplo objetos sobre uma esteira giros do eixo de uma máquina ou mesmo quantas vezes um motor foi ligado Este recurso é importante para programas de controle de automação e as opções do ambiente Zelio Soft serão introduzidas nesse momento em nossos estudos Vamos conhecer o conceito de contagem mas antes devemos entender que para contar uma quan tidade precisamos definir alguns pontos Valor a atingir é o valor que desejamos em nossa contagem ou seja nosso contador irá contar a quantidade de vezes que o contato mudou de estado e quando atingir um certo valor defi nido por nós há uma mudança de estado em um contato do contador pois o controlador irá comparar sempre o valor a atingir valor desejado com o valor atual Valor acumulado ou atual é o valor da contagem atual e representa a quantidade de vezes que o contato do estímulo de entrada mudou de estado É sempre necessário definir o valor a atingir antes de iniciar a contagem pois se não haverá igualdade entre o valor inicial zero e o valor a atingir e o contato do contador irá acionar direto ao iniciar a execução do programa Incremento e decremento do contador é a direção da contagem Podemos ter contagens incrementais e decrementais ou seja somando valores ou subtraindo valores respectivamente Isso é muito útil para determinar o sentido de giro de máquinas direções de deslocamento de objetos etc 247 UNIDADE 8 Vamos analisar a imagem da Figura 28 IMPULSO CONTADOR LÂMPADA CONTADOR CONTADOR CONTADOR RC1 DC1 CC1 C1 RESET DIREÇÃO DA CONTAGEM Q1 I1 I2 I3 Figura 28 Contador conceitual Fonte o autor Veja que na primeira linha temos um contato IMPULSO botão ligado na entrada digital I1 ligado a um elemento denominado CONTADOR que por sua vez tem o código CC1 Este símbolo representa o contador em estado incremental ou seja quando ele receber impulsos da chave I1 irá aumentar o valor acumulado da contagem Caso a chave ligada na entrada digital I2 DIREÇÃO DA CONTAGEM estiver fechada a conta gem será decremental ou seja o valor acumulado no contador será subtraído de uma unidade sempre que a chave IMPULSO mudar de estado Este recurso é possível a partir do uso da opção DC1 que representa a direção da contagem do contador CC1 Há também uma linha com o RESET do contador com uma chave ligada na entrada 3 do contro lador que está associada ao contador na opção RC1 que significa Reset do Contador CC1 Quando a chave RESET estiver fechada o valor acumulado no contador é reiniciado zerado Na última linha observamos o contato C1 do contador CC1 atuando quando a contagem atinge a igualdade entre o valor a atingir e o valor acumulado que no nosso caso é sinalizado pela LÂMPADA Para começar a implementar este conceito na prática iremos utilizar um novo programa no ambiente Zelio Soft clique em Ficheiro depois em Novo e escolha o mesmo controlador utilizado SR2B201FU Salve o projeto como CONTADORES 248 UNICESUMAR Ao clicar no ícone no menu inferior da tela observamos as opções Figura 29 Contadores no ambiente Zelio Soft Fonte o autor Observe na Figura 29 que há 28 contadores dis poníveis para este modelo de controlador e as opções para cada um deles são C1 é o contato do contador Quando a contagem alcançar o valor a atingir este contato mudará de estado podendo acio nar uma carga ou evento C é uma bobina que indica a contagem do contador No caso do nosso programa CC1 é o contador D é uma bobina que impõe a direção da contagem do contador Se estiver ativa será decremental e se estiver inativa a contagem é incremental R reset do contador É essa bobina que reinicia o valor acumulado do contador quando está ativa COMENTÁRIO é o campo que permite a inserção do comentário que identifica o contador por exemplo CONT1 Para iniciar os testes vamos criar as seguintes va riáveis em nosso programa Entradas digitais I1 PULSO I2 INCDEC I3 RESET Saídas digitais Q1 LÂMPADA1 Contadores C1 CONT1 Para montar o programa inicialmente arraste os itens de entradas e saídas conforme já realizado nos temporizadores para as devidas posições LÂMPADA1 é no formato contator No caso do contador clique e arraste os itens C D e R de C1 para a posição bobina con forme mostrado na Figura 30 249 UNIDADE 8 Figura 30 Programa de teste de contadores Fonte o autor Clique no símbolo da bobina CC1 e altere o valor a atingir para 5 de acordo com a Figura 31 Figura 31 Alterando o valor a atingir na contagem Fonte o autor 250 UNICESUMAR Clique na opção de simulação do Zelio Soft O aspecto do programa deve ser este dado na Figura 32 Figura 32 Simulação do programa de contador Fonte o autor Veja que agora os Blocos funcionais mostrados são os contadores no nosso caso 1 contador Ao clicar em RUN observamos que a lâmpada está apagada pois o valor a atingir 5 impulsos inicialmente é maior do que o valor acumulado atual 0 impulsos Quando acionamos o contato PULSO observamos que se inicia a contagem Clique repetidamente neste contato para ver o incremento do valor atual até atingir 5 impulsos Nesse momento a lâmpada deve acender pois o contato C1 mudou de estado Se continuar a incrementar valores superiores ao valor a atingir a lâmpada continuará acesa Se agora com o valor acumulado maior do que zero você clica no contato INCDEC ao clicar em PULSO o valor acumulado deverá ser decrementado O contato RESET se pressionado reinicia o contador igualando a zero o valor acumulado atual Os temporizadores e contadores que estudamos até aqui podem ser utilizados para realizar a au tomatização de processos industriais tais como a abertura de válvulas de envase em fábricas de pro dutos como detergentes tintas refrigerantes etc Além disso pode contar a quantidade desses produtos registrando quantas embalagens foram envasadas 251 MAPA MENTAL Para a memorizar o conteúdo desta unidade vamos praticar o que aprendemos com este mapa conceitual CONTADOR CONTADOR INCREMENTAL CONTADOR DECREMENTAL TEMPO PARA LIGAR TEMPO PARA DESLIGAR TEMPORIZADOR SENSOR SENSOR AÇÃO TEMPORIZADA Agora você deve realizar o preenchimento de um caso prático que imagine a utili zação dos temporizadores e contadores inserindo nos campos do mapa conceitual a seguir com os nomes das estruturas por exemplo onde há sensor indicar qual o tipo de sensor capacitivo indutivo etc temporizador qual o tipo contador qual o tipo e qual a ação a ser executada de temporização Informar o título do processo a ser automatizado e qual o seu objetivo por exemplo título misturador de tintas Objetivo misturar tintas com temporização e contagem da quantidade de latas envasadas AGORA É COM VOCÊ 252 1 Uma etapa de uma máquina de envase de refrigerante utiliza temporização que inicia quando um sensor indica a posição da embalagem em deslocamento por esteira para iniciar a liberação do líquido dentro da garrafa processo que ao final de 5 segundos deve ser desligado Assinale a alternativa correta para automatizar esta etapa com o uso de temporizadores considerando que a esteira pode ter apenas uma garrafa e deve realizar o envase a O temporizador é do tipo astável pois enche a garrafa e possui tempo para receber a próxima b O temporizador é do tipo tempo para desligar com retenção do comando pois o início se dá pelo sensor de posição c O tempo para ligar é o mais adequado pois há intervalo de tempo entre a detecção e a ação de envase d O temporizador é do tipo tempo para desligar com impulso de comando pois o início se dá pelo sensor de posição e deixa de existir com o movimento da garrafa em envase e O tempo para desligar com retenção no comando é o tipo de temporizador que irá resolver o problema pois é mais seguro 2 O processo de temporização da questão 1 utiliza um sensor que identifica as garrafas que fo ram devidamente envasadas para desviálas à esteira da máquina que insere a tampa de cada garrafa Quando uma garrafa não está devidamente envasada um segundo sensor detecta sua presença e decrementa do total produzido desviando cada garrafa não conforme para outra esteira de inspeção Sobre essa etapa do processo de automação assinale a alternativa correta a O sensor de contagem de garrafas envasadas incrementa o número de garrafas e o sensor de contagem de garrafas não conforme decrementa esta quantidade no mesmo contador b Serão necessários dois contadores para resolver este problema um para incrementar e outro para decrementar a quantidade de garrafas c Deve ser utilizado um contador do tipo astável para que a contagem seja realizada de maneira precisa d O incremento de garrafas ocorre quando a bobina da direção da contagem está em nível alto ou seja acionado e Para contar as garrafas deve ser utilizado um contador incremental e um temporizador do tipo AC pois há tempo de ligar e desligar no processo AGORA É COM VOCÊ 253 3 Um processo de mistura de tintas com três ingredientes utiliza três válvulas de entrada de pro dutos e uma válvula de saída todas do tipo solenoide ligadesliga no misturador que entra em operação ao pressionar o botão de impulso liga em que cada válvula de entrada aberta tem vazão de 1 litro por minuto e a válvula de saída tem vazão de 3 litros por minuto Ao final do processo de mistura que leva 45 minutos há um tempo de 1 minuto de estabilização Após este ciclo ocorre a abertura da válvula de saída pressionandose o botão descarga Sobre a automação deste processo assinale a alternativa correta a Para este processo é utilizado temporizador do tipo tempo para desligar com comando retentivo com o envase da lata de tinta de 18 litros em tempo de 9 minutos b Para este processo é utilizado temporizador do tipo tempo para ligar com retenção do comando com o envase da lata de tinta de 18 litros em tempo de 3 minutos c As válvulas de entrada têm capacidade de introduzir juntas 10 litros de tinta se abertas durante 5 minutos d A saída do misturador é temporizada por um temporizador do tipo T e Para este processo é utilizado temporizador do tipo tempo para ligar com impulso de comando com o envase da lata de tinta de 18 litros em tempo de 6 minutos CONFIRA SUAS RESPOSTAS 254 1 D O sensor de posição indica a posição da garrafa que passa pela posição do sensor e um impulso é a única instrução de comando que permite o acionamento da válvula de envase da máquina 2 A O sensor de garrafas conforme é responsável pelo incremento enquanto que o sensor de garrafas não conforme decrementa o valor acumulado atual do mesmo contador 3 E O processo tem início com comando por botão de pulso e dada a vazão da válvula de saída de 3 litros por minuto com 6 minutos totalizase 18 litros REFERÊNCIAS 255 FRANCHI C M Controladores Lógicos Programáveis São Paulo Erica 2008 SCHNEIDER ELECTRIC Ajuda do Zelio Soft 2 França RueilMalmaison 2016 TEXAS INSTRUMENTS LM555 Timer LM555 Timer datasheet SNAS548D Dallas Texas Estados Unidos da América 2000 Disponível em httpswwwticomlitdssymlinklm555pdfts1592776642560ref urlhttps253A252F252Fwwwgooglecom252F Acesso em 30 jun 2020 MEU ESPAÇO 9 OPORTUNIDADES DE APRENDIZAGEM Solução de Problemas Com CLP Me Fábio Augusto Gentilin Chegamos em nossa última unidade em que iremos estudar a progra mação de CLP com os conhecimentos até agora adquiridos Nessa etapa de nosso estudo você terá a oportunidade de resolver problemas com o uso de programas de CLP baseado na linguagem Ladder com contadores temporizadores e situaçõesproblema reais com simulação no ambiente Zelio Soft 258 UNICESUMAR Quando você abre aquele saboroso chocolate e está prestes a dar a primeira mordida está certo de que a experiência de sabor será certa graças aos rigorosos padrões do fabricante Contudo você sabe quantas operações de manufatura estão por trás de uma pequena barra de chocolate E como seria possível produzir embalar e transportar essa delícia preservando o mesmo sabor e a mesma textura dadas no ato de sua fabricação Figura 1 Chocolate Muitas operações de manu fatura para garantir a qualidade do produto final Os processos de manufatura automatizados contam com máquinas e processos complexos para pro duzir itens simples e baratos Esta parece uma relação de desequilíbrio porém é justamente assim que funciona Elementos de máquinas dedicados especialmente desenhados e fabricados para acomodar o produto a ser manufaturado como no caso do chocolate devem ser precisos delicados e ao mesmo tempo robustos para suportar longos ciclos de operação e limpeza com baixa manutenção Cilindros pneumáticos relés acopladores sensores de proximidade chaves fim de curso tudo isso é utilizado na automação da manufatura de alimentos tais como o chocolate que mencionamos Cada elemento mecânico ou elétrico deve entrar em sintonia com o programa do CLP que comanda cada ação da manufatura Quando um botão liga é pressionado a adição dos ingredientes tem início A mistura e o aqueci mento dos componentes produzem o conteúdo da embalagem que dá água na boca o chocolate que agora será aplicado em moldes e esteiras até chegar ao destino da embaladeira que envolve em uma primeira embalagem o sólido tão saboroso 259 UNIDADE 9 REALIDADE AUMENTADA Máquina de mistura de tintas automática A partir daí cada produto embalado é depositado em uma caixa para envio ao mercado processo que envolve estocagem em área de envio e posterior encaminhamento ao transporte Perceba que há vários processos desde a mistura de matériapri ma até o envio do produto final ao mercado para que possamos ter acesso ao sabor tão desejado Cada processo pode ser monitorado e cada movimento de atuadores contabilizado para estabelecer a vida útil de cada dispositivo e o controle da manutenção sobre a máquina Agora podemos fazer uma análise de um processo real que todos os dias precisamos realizar pode ser um exemplo de preparo de refeição ou produção de alimentos para comércio manuais Você deve eleger um processo identificálo e propor os prére quisitos de hardware para automatizálo lembrandose sempre das necessidades de software para controlálo apresentando cada ope ração desde o início até o fim de sua produção Vamos ao exemplo Até mesmo robôs são admitidos em processos mais sofisticados em que o manuseio do delicado alimento é realizado por manipuladores sensíveis e com resposta precisa sempre assim como mos trado na Figura 2 Figura 2 Processo de fabricação de chocolates robotizado automação de alto nível 260 UNICESUMAR Processo fabricação de pão O início do processo ocorre quando for pressionado o botão liga Nesse instante temos o acionamento do forno para préaquecimento e a mistura dos ingredientes em uma máquina que homogeneíza a massa em um tempo de 20 minutos Após este tempo a massa é transportada por uma esteira até um cilindro que a traciona por gravidade até a outra extremidade devidamente identificado por sensor de detecção capacitivo que registra a passagem da massa pelo estágio Após devidamente cilindrada a massa é transportada por outra esteira até o estágio de acondicio namento em que é enrolada por rolos aceleradores passando na sequência para uma esteira que a encaminha até o forno que aguarda um total de 20 pães enrolados para abrir a porta dianteira e assálos Quando este valor é atingido contagem realizada com o uso de sensores e CLP a esteira de entrada do forno é acionada e apenas os 20 primeiros da fila adentram Ao final de 45 minutos o lote de 20 pães deve estar assado a porta traseira do forno então é aberta e a sua esteira é acionada para conduzir os pães assados até a esteira de embalagem Fi gura 3 e por fim ao cesto de produtos prontos Neste mo mento a porta traseira é fechada e a porta dianteira é aberta para admitir os próximos 20 pães Figura 3 Processo de fabricação de pães estágio de embalagem automatizado Agora você deve propor um ciclo de automatização conforme o exemplo de uma tarefa que você rea liza com frequência e que merece ser automatizado lembrando do uso de contadores temporizadores dispositivos de entradas e de saídas Qual a importância dos temporizadores e contadores do processo de fabricação de alimentos no caso do exemplo do pão O que aconteceria caso o tempo de mistura fosse menor ou maior do que o estabelecido ou mesmo o tempo enquanto o pão está sendo assado E a quantidade de pães que foi produzida como seria possível determinar automaticamente a quan tidade produzida se o processo não contasse com a monitoração da quantidade de itens em diferentes estágios do processo ou mesmo para definir o momento da execução da manutenção da máquina 261 UNIDADE 9 Iremos conhecer nesta unidade alguns casos industriais práticos que podem ser resolvidos com o uso de CLP Faremos o uso da ferramenta de simulação Zelio Soft para testar nossas ideias e avançar na automação dos processos Para entender melhor cada processo de tomada de decisão no momento em que nos deparamos com um problema a ser solucionado ou processo a ser automatizado devemos respeitar os passos da sequência de 10 eventos 1 Reconhecer o problema e seus prérequisitos de entrada e saída tipos de sensores atuadores e suas quantidades desde os botões até os sensores válvulas motores aquecedores etc 2 Definir o tipo de alimentação dos elementos de controle e atuação elétrico ou pneumático 3 Levantar o padrão elétrico de alimentação do sistema 12 V 24 V 127 V e 220 V 4 Levantar dados de potência do sistema de atuação capacidade de corrente do circuito de acionamento para os atuadores 5 Identificar um dispositivo de controle que comporte o padrão elétrico e as devidas conversões necessárias para os dispositivos sensores e atuadores capacidade de número de entradas e saídas do controlador e transdutores necessários para converter sinais 6 Identificar a necessidade do uso de tecnologias de redes industriais e interfaces de operação IHM de acordo com o passo 5 definir se é viável a utilização de redes e interfaces homem máquina locais ou remotas 7 Nomear os recursos de entradas e saídas com a mesma identificação dos itens do processo nomear as entradas e saídas do controlador com os nomes dos dispositivos conectados 8 Analisar a lógica que solucione o problema e montar o diagrama de contatos que atenda no programa Ladder 9 Simular o programa no ambiente de simulação para validar a lógica antes de instalar o CLP no processo realizar testes lógicos com o CLP em ambiente de simulação e implementar as alterações necessárias antes de instalar o CLP fisicamente no processo 10 Instalar o CLP no processo físico realizar as ligações elétricas do CLP no processo físico e iniciar os testes de comissionamento de campo 262 UNICESUMAR O Retrofitting é o processo em que uma máquina antiga ou ultrapassada recebe recursos tecnológicos que a moder nizam e ampliam suas capacidades e funções de maneira automática É comum na modernização de geradores de energia elétrica de comando manual que passam a contar com partida automática e préaquecimento monitorado tornos manuais que passam ao comando numérico com putadorizado CNC por exemplo Esta técnica é uma das diversas técnicas utilizadas para automa tizar processos industriais utili zando CLP Não significa que é a única nem a mais correta ape nas uma técnica que funciona e que pode contribuir em sua escalada profissional Iremos agora implementar alguns passos que são possíveis neste estudo em casos aplicados utilizando o CLP SR2B201FU no ambiente Zelio Soft Dado o processo de controle a seguir vamos analisar seu fun cionamento e propor a solução para elaborar o programa de controle de maneira intuitiva Processo Processo de Retro fitting modernização da fura deira de bancada automática Uma empresa do ramo me talúrgico pretende automati zar uma furadeira de bancada alimentada em 220 V que até então opera com comando manual utilizando um CLP realizando portanto um Re trofitting A Figura 4 mostra a furadeira do problema propos to que conta com dois motores sendo um para acionar a coluna no sentido descendente e ascen dente com 800 W de potência e outro para acionar a ferramen ta de corte da furadeira com 1000W de potência Figura 4 Furadeira automatizada Retrofitting Fonte adaptada de Franchi 2008 MF SP H LIGA DESLIGA EMERG MC b1 b2 PEÇA 263 UNIDADE 9 Funcionamento do processo Ao pressionar o BOTÃO LIGA se a coluna estiver na posição ini cial verificado pelo sensor H e tiver peça na posição de usinagem verificado pelo sensor SP o processo de usinagem deve entrar em operação acionando os seguintes dispositivos O motor da furadeira no sentido horário Avanço da coluna descendente Velocidade de avanço rápido Este comportamento deve prevalecer até a coluna atingir o sensor intermediário b1 início da usinagem em que devem ser execu tados os acionamentos Motor da furadeira no sentido horário Avanço da coluna descendente Velocidade de avanço lento Ao final da usinagem da peça verificado pelo fim de curso b2 a coluna deve retornar à posição inicial da seguinte forma Motor da furadeira no sentido antihorário Avanço da coluna ascendente Velocidade de avanço rápido Esta dinâmica deve prevalecer até que a coluna atinja a posi ção inicial novamente H Nes te momento a furadeira deve permanecer desligada até que novamente seja pressionado o botão liga Se pressionado o botão DESLIGA em qualquer etapa do processo a furadeira deve ser desligada Caso pressionado o botão EMERGÊNCIA Figura 4 o processo deve interromper seu funcionamento imediatamen te Se solto este botão o sistema de controle deve reiniciar de onde parou Em qualquer momento se o sensor de peça SP detectar a falta da peça o sistema deve ser desligado imediatamente Análise do processo Conforme os passos apresentados para automatização de processos teremos o seguinte 1 Reconhecer o problema e seus prérequisitos de entrada e saída Ao analisar o processo podemos identificar as entidades Entradas digitais Quadro 1 Entradas digitais do processo ENTRADA TAG DESCRIÇÃO I1 BOTÃO LIGA Botão liga da furadeira I2 BOTÃO DESLIGA Botão desliga da furadeira I3 BOTÃO EMERGÊNCIA Botão emergência da furadeira I4 SENSOR H Sensor de fim de curso alto I5 SENSOR b1 Sensor de fim de curso do início da usinagem I6 SENSOR b2 Sensor de fim de curso do fim da usinagem I7 SENSOR DE PEÇA Sensor que identifica a presença da peça 264 UNICESUMAR Saídas digitais Quadro 2 Saídas digitais do processo SAÍDA TAG DESCRIÇÃO Q1 MFH Acionamento do motor da furadeira no sentido horário Q2 MFAH Acionamento do motor da furadeira no sentido antihorário Q3 MCD Aciona o motor da coluna no sentido descendente Q4 MCA Aciona o motor da coluna no sentido ascendente Q5 MCAL Aciona o motor da coluna com baixa velocidade Q6 MCAR Aciona o motor da coluna com alta velocidade Agora temos informações valiosas para iniciar a automatização deste processo de acordo com o Quadro 1 e o Quadro 2 o número de entradas e saídas Total de entradas digitais 7 Total de saídas digitais 6 Com base nesses quadros podemos identificar os tipos de entradas e saídas que no caso são todas digitais 2 Definir o tipo de alimentação dos elementos de controle e atuação Devemos agora observar que o processo é alimentado em 220 V sendo assim iremos utilizar sensores atuadores e controlador que atenda a essa tensão de trabalho 3 Levantar o padrão elétrico de alimentação do sistema Dependendo do potencial elétrico que o problema de automação prevê devemos utilizar fontes de alimentação que convertem de 220 Vca para 24 Vcc que oferecem maior segurança aos usuários e atendem às normas de segurança em vigência no Brasil MTE 2004 O padrão elétrico é 220 V logo iremos optar em inserir componentes que atuem nessa faixa de tensão de trabalho não estamos considerando aqui atendimento às normas NR10 ou NR12 pois este exercício é apenas didático 4 Levantar dados de potência do sistema de atuação A tensão de trabalho do equipamento é 220 V e as potências dos motores são Motor da coluna 800 W Motor da furadeira 1000 W 265 UNIDADE 9 Qual a diferença entre um fabricante e outro no momento de escolher uma tecnologia de automação industrial Há fabricantes que são melhores do que outros Essas questões são muito polêmicas e remetem a vários pensamentos mas vale um consenso avalie pelo atendimento às normas de segurança e rigores de institutos de certificação como a UL e CE que certamente estará escolhendo uma tecnologia de procedência reconhecida Como a corrente elétrica I depende da relação de tensão V e da potência P temos ALEXAN DER SADIKU 2013 Equação 1 I P V Para o Motor da furadeira I 100 220 I 454 A Para o Motor da coluna I 800 220 I 363 A Agora temos dados da corrente que os contatos do relé que acionarão os motores devem suportar em regime máximo de carga Motor da furadeira I 454 A Motor da coluna I 363 A 5 Identificar um dispositivo de controle que comporte o padrão elétrico e as devidas conversões necessárias para os dispositivos sensores e atuadores Para atender ao processo proposto temos uma situação em que o controlador deverá ser capaz de atender a 7 entradas digitais e 6 saídas digitais sendo que essas operam com no mínimo 454 A O mercado nos oferece soluções que se aproximam deste caso com um número acima de entradas e saídas O modelo que iremos utilizar por coincidência será aquele que já utilizamos anteriormente que apresenta 12 entradas e 8 saídas digitais em 220 V SR2B201FU Recomendo a você que utilize um parâmetro de sempre prever que o processo possa admitir expansões futuras e que seria interessante prever um percentual de sobra no número de entradas ou de saídas se possível Cabe bom senso nessa escolha pois há processos que podem ser ampliados futuramente e máquinas que definitivamente não serão alteradas nesse caso podemos trabalhar com um número mais enxuto Não há uma regra que determine você deve assumir 20 de sobra para este caso e 30 para aquele caso Deve analisar cada situação individualmente 266 UNICESUMAR Há critério para utilizar ou não redes e IHM Deve haver uma relação de viabilidade entre a necessidade do processo e seu custo benefí cio Redes industriais requerem controladores mais sofisticados e interface remota para os sensores As IHMs e o conjunto rede controlador interface remota possuem custo elevado 6 Identificar a necessidade do uso de tecnologias de redes industriais e in terfaces de operação IHM Neste processo não utilizaremos redes industriais pois o número de entradas e saídas é pequeno e essas entidades estão localizadas muito próximas do controlador não justificando sua implementação pelo uso do equipamento e além disso o padrão elétrico é 220 V Quanto à IHM não será necessário pelo fato de que a máquina possui uma quantidade pequena de variáveis a serem monitoradas e já possui um quadro de comando elétrico 7 Nomear os recursos de entradas e saídas com a mesma identificação dos itens do processo Nesse momento podemos inserir no nosso programa no ambiente Zelio Soft os nomes dos TAGs que criamos nos quadros de entradas e saídas Para isso iremos criar um novo programa denomina do FURADEIRA para o controlador SR2B201FU e nos campos entradas e saídas iremos adotar os mesmos nomes dados no Quadro 1 e no Quadro 2 conforme implementado na Figura 5 Figura 5 Nomeação das entradas e saídas do CLP Fonte o autor 267 UNIDADE 9 8 Analisar a lógica que solucione o problema e montar o diagrama de contatos que atenda no programa Ladder Agora iremos implementar a lógica para nosso programa Vamos analisar o processo de automatização da furadeira a partir do diagrama da Figura 7 Inicialmente note que estamos utilizando termos novos como E0 a E3 etapas 0 até 3 de funcionamento da máquina T01 a T30 transição da etapa 0 à etapa 1 até transição da etapa 3 à etapa 0 FIRST SCAN é um bit que altera seu estado apenas no instante da primeira varredura do CLP Essa estrutura é utilizada quando programamos nosso controlador com as técnicas de programação em SFC GRAFCET e corresponde a um impulso que ocorre quando clicamos no botão RUN ou quando o CLP já em RUN é energizado e entra em operação FRANCHI 2008 Este bit tem como aplicação inserir a execução do programa na etapa 0 E0 inicial e não ocorre mais durante a execução do programa t ps 1 0 FIRST SCAN CLOCK 1 0 Figura 6 Gráfico de funcionamento do First Scan primeiro ciclo de varredura do CLP Fonte o autor Veja na Figura 6 que quando o CLP entra em operação seu clock de máquina oscila na ordem de GHz e o First Scan ocorre apenas durante o primeiro pulso do clock ou seja o bit de First Scan FS Depois desse instante não ocorre mais First Scan até que o CLP seja desligado e ligado novamente ou se passar para modo de pro gramação e for necessário rodar o programa RUN Alguns modelos de CLPs mais modernos possuem este bit de sistema em sua estrutura que pode ser introduzido diretamente em um contato do programa outros devem ser implementados com uma rotina que vamos estudar agora Veja que na Figura 7 temos a presença de uma estrutura em que na etapa zero E0 o First Scan é a instrução inicial 268 UNICESUMAR Figura 7 Diagrama lógico de operação da furadeira Estrutura lógica em SFC Fonte o autor No ambiente Zelio Soft vamos utilizar estruturas de memória interna para implementar as etapas transições e o First Scan FS Para isso iremos utilizar o campo que funciona da mesma maneira como as saídas físicas Q porém as estruturas de memória são apenas internas ao controlador e não tem conexão externa Clique no ícone e arraste a opção contator das memórias M1 e M2 para as posições de bobina conforme mostrado na Figura 8 Atribua o comentário às memórias M1 FS e M2 AUXFS E0 E1 E2 E3 T01 BOTÃO LIGA E SP E H E DESLIGA OU SP OU EMERGÊNCIA T12 b1 E DESLIGA OU SP OU EMERGÊNCIA T23 b2 E DESLIGA OU SP OU EMERGÊNCIA T30 H E DESLIGA OU SP OU EMERGÊNCIA Motor da furadeira no sentido horário Avanço da coluna descendente Velocidade de avanço rápido Motor da furadeira no sentido horário Avanço da coluna descendente Velocidade de avanço lento Motor da furadeira no sentido antihorário Avanço da coluna ascendente Velocidade de avanço rápido Figura 8 Implementação do First Scan Fonte o autor Para obter um contato normalmente fechado clique com o botão direito do mouse sobre o contato conforme a Figura 9 e selecione a opção Normalmente Fechado 269 UNIDADE 9 A lógica por trás das transições de etapas na programação de CLPs pode ser dotada dos mesmos conceitos da álgebra booleana e combinação de sentenças em lógica binária Fonte adaptado de Daghlian 1995 Figura 9 Alterando o estado de um contato de normalmente aberto para normalmente fechado Fonte o autor O funcionamento do programa Ladder é como em uma escada ele roda da esquerda para a direita e de cima para baixo A primeira linha a ser executada é a linha 001 depois a 002 e assim por diante até a última linha depois retorna ao início continuamente Considerando que o contato de M2 na linha 001 está inicialmente fechado a bobina de M1 FS Figura 8 é acionada no primeiro ciclo de clock da execução do programa Quando o programa executa a linha 002 a bobina M2 é acionada diretamente sem qualquer contato Neste momento o contato M2 muda de estado e como consequência disso a bobina FS é desligada permanentemente conforme a Figura 7 270 UNICESUMAR Vamos utilizar um contato com a variável FS em nosso programa para compor a transição da etapa zero E0 para a etapa um E1 a qual iremos chamar de T01 Esta transição depende da lógica T01 E0 E LIGA E H E SP E DESLIGA OU SP OU EMERGÊNCIA Significa que para que o programa passe da etapa zero para a etapa um devemos atender as condições Estar na etapa zero E Pressionar o botão liga E Estar na posição inicial H E Ter peça na posição de usinagem SP E Estar com o botão desliga liberado Ou além disso caso qualquer uma das situações a seguir ocorrerem a transição T01 deve ocorrer se a peça sair de sua posição de usinagem SP barrado OU o botão Emergência for pressionado Os TAGs barrados ilustram contatos normalmente fechados e os demais normalmente abertos O diagrama de contatos para essa linha do programa fica T01 Figura 10 Transição da etapa 0 para a etapa 1 T01 Fonte o autor Note que na linha 003 temos o contato do bit FS acionando a bobina da etapa zero E0 Perceba que esta bobina é do formato SET S dessa maneira é necessário prever seu RESET ao longo do programa que vai ocorrer sempre que houver uma transição nas transições sempre iremos SETAR o bit da etapa a ser iniciada e RESETAR a etapa anterior Observe que há um contato denominado REPROCESSO em paralelo com o FS pois como o first scan ocorre apenas uma vez ao aplicar RUN no controlador quando um ciclo de operação da máquina chegar ao fim é necessário que um bit de reprocesso realize o SET novamente da E0 para tudo voltar do início para a próxima peça Estando na etapa um E1 ocorrem os acionamentos Motor da furadeira no sentido horário Avanço da coluna descendente Velocidade de avanço rápido 271 UNIDADE 9 Quando o sensor fim de curso b1 for pressionado o processo passa a assumir outras ações que de pendem da transição T12 T12 E1 E b1 E DESLIGA OU SP OU EMERGÊNCIA Isto significa que para transitar da etapa 1 para a etapa 2 e realizar as ações previstas deve ocorrer o conjunto de sentenças Estar na etapa 1 E Estar na posição intermediária b1 E Estar com o botão desliga liberado Ou além disso caso qualquer uma das situações a seguir ocorrerem a transição T12 deve ocorrer Se a peça sair de sua posição de usinagem SP barrado OU O botão Emergência for pressionado O diagrama de contatos para essa linha do programa fica T12 Figura 11 Transição da etapa 1 para a etapa 2 T12 Fonte o autor Nessa transição a furadeira estava em movimento descendente rápido e passa a usinar a peça logo deve realizar o avanço de maneira lenta com sentido de giro horário assim as ações para a etapa 2 são Motor da furadeira no sentido horário Avanço da coluna descendente Velocidade de avanço lento Agora a furadeira deve finalizar a usinagem da peça quando tocar no sensor fim de curso b2 Nesse momento deve haver inversão do sentido de giro da furadeira e do motor da coluna para que ocorra seu retorno para a posição inicial em alta velocidade Para isso ocorrer a transição T23 depende de T23 E2 E b2 E DESLIGA OU SP OU EMERGÊNCIA Significa que as condições devem ser satisfeitas Estar na etapa 2 E Estar na posição final b2 E Estar com o botão desliga liberado 272 UNICESUMAR Ou além disso caso qualquer uma das situações a seguir ocorrerem a transição T23 deve ocorrer Se a peça sair de sua posição de usinagem SP barrado OU O botão Emergência for pressionado O diagrama de contatos para essa linha do programa fica T23 Figura 12 Transição da etapa 2 para a etapa 3 T23 Fonte o autor Nessa transição a furadeira estava em movimento descendente lento e passa a retornar para a posição inicial H logo deve realizar o retorno de maneira rápida com sentido de giro antihorário assim as ações para a etapa 3 são Motor da furadeira no sentido antihorário Avanço da coluna ascendente Velocidade de avanço rápido Neste momento a furadeira estaria retornando à posição inicial e deve encerrar seu retorno quando atingir o sensor fim de curso H Neste instante temos a transição T30 que consiste em preparar o processo para reinício com a transição T30 E3 E H E DESLIGA OU SP OU EMERGÊNCIA Significa que as condições devem ser satisfeitas Estar na etapa 3 E Estar na posição inicial H E Estar com o botão desliga liberado Ou além disso caso qualquer uma das situações a seguir ocorrerem a transição T30 deve ocorrer Se a peça sair de sua posição de usinagem SP barrado OU O botão Emergência for pressionado 273 UNIDADE 9 O diagrama de contatos para essa linha do programa fica T30 Figura 13 Transição da etapa 3 para a etapa 0 T30 Fonte o autor Perceba que quando resetamos a última etapa do processo E3 não temos mais etapas à frente para setar habilitar mas precisamos retornar à etapa zero por este motivo foi implementada a bobina da memória M7 REPROCESSO citada anteriormente As ações previstas para cada uma das etapas aparecem na Figura 14 em que temos mais de uma etapa acionando a mesma saída por este motivo utilizamos a técnica de inserir as saídas nas posições de bobina e associar em paralelo todas as etapas que as acionam Figura 14 Ações das etapas do programa paralelismo lógica OU de etapas Fonte o autor Note que para cada saída há um intertravamento lógico com as estruturas botão desliga e botão emergência que em qualquer uma das situações desliga qualquer saída do CLP por segurança 274 UNICESUMAR 9 Simular o programa no ambiente de simulação para validar a lógica antes de instalar o CLP no processo Neste momento iremos simular nosso programa no ambiente Zelio Soft para testar se a lógica corres ponde aos prérequisitos iniciais O programa passa agora a apresentar o painel de memórias utilizadas ou relés auxiliares acessíveis por meio do ícone que mostra os bits utilizados Figura 15 Figura 15 Acesso aos bits de memória in terna relés auxiliares modo de simulação Fonte o autor O mapa de memória interna ou relés auxiliares utilizados é dado na Figura 16 Figura 16 Mapa de memória interna Fonte o autor Vamos iniciar a simulação clicando no botão RUN de nosso ambiente Zelio Soft Observamos que apenas os relés auxiliares M2 e M3 Auxiliar do First Scan e E0 estão acionados enquanto a peça foi adicionada à posição de usinagem conforme mostrado na Figura 17 Figura 17 Simulação do programa da furadeira Etapa inicial de testes Fonte o autor 275 UNIDADE 9 Quando pressionamos os botões que simulam o sensor de posição H e o botão liga temos o resultado apresentado na Figura 18 com a execução da etapa 1 E1 em que temos o avanço rápido motor da furadeira em sentido horário e sentido descendente do motor da coluna Figura 18 Simulação do programa da furadeira Etapa um do programa Fonte o autor Note que as memórias internas agora apontam para a etapa E1 O auxiliar do first scan irá ficar sempre habilitado já que sua função foi cumprida ao suprimir o FS no primeiro ciclo de máquina Agora simulamos a passagem pelo sensor b1 em que deve iniciar a usinagem da peça com avanço lento furadeira no sentido horário e sentido descendente do motor da coluna Figura 19 Figura 19 Simulação do programa da furadeira Etapa dois do programa Fonte o autor 276 UNICESUMAR Quanto à rotina de temporização é importante introduzir um intertravamento lógico para inibir o acionamento das saídas da etapa vigente E1 Para isso foi implementado uma bobina no formato con tator com estrutura de memória interna M denominada AUXTRANSICAO conforme a Figura 20 Figura 20 Implementação de intertravamento lógico durante a temporização Fonte o autor Os respectivos contatos de intertravamento são aplicados nas ações acionadas pela etapa E1 conforme a Figura 21 Figura 21 Intertravamento nas ações da etapa 1 E1 Fonte o autor Veja que em cada ação relacionada à etapa E1 há um intertravamento lógico com o bit AUXTRAN SICAO Enquanto a temporização não terminar os motores ficam desligados Agora temos as saídas correspondentes e a memória da referida etapa ativa E2 Uma vez nessa etapa desmarcando o contato de b1 e clicando no contato de b2 temos a transição para a etapa 3 E3 mostrado na Figura 22 277 UNIDADE 9 Figura 22 Simulação do programa da furadeira Etapa três do programa Fonte o autor Observe que agora temos o retorno rápido com sentido de giro antihorário e motor da coluna com sentido ascendente para retornar ao início da máquina e encontrar com o sensor H Figura 23 Figura 23 Simulação do programa da furadeira retorno à etapa inicial Fonte o autor Finalmente estamos de volta ao início do nosso programa com a possibilidade de retirar a peça usinada e inserir uma nova peça para repetir o ciclo 278 UNICESUMAR O que aconteceria se durante a usinagem da peça pressionarmos o botão emergência Nessa versão do programa a lógica iria retornar a E0 mas a mecânica estaria parada na posição de usinagem e dependeria de uma intervenção manual para retornar ao ponto de origem Neste exemplo fizemos uma ex planação de uma técnica mista entre o processo intuitivo e o processo de programação em GRAFCET apenas para enun ciar a introdução à ferramen ta para profissionais da área de Engenharia de Produção e Engenharia Mecânica com o essencial para seu ingresso na programação de controladores lógicos programáveis Agora que já fizemos nosso programa vamos documentá lo para emitir a impressão de seus arquivos Clique em Edi ção e depois em Configuração do Programa A caixa de confi gurações deve ser exibida Figura 24 Configurações do programa Fonte o autor Preencha seus dados nos campos solicitados na Figura 24 Agora podemos emitir a documentação de nosso projeto de controle clicando em Ficheiro e depois em Imprimir Você pode imprimir em formatopdf ou direto em uma impressora de acordo com as configurações de seu computador Deve ser gerado um arquivo com 4 páginas para esse projeto com todas as listas de entradas saídas memória linhas de programas e demais configurações que seu programa tenha conforme mostrado na Figura 25 279 UNIDADE 9 Figura 25 Impressão do projeto de controle página 1 de 4 Fonte o autor Aqui podemos ver uma amostra da página 2 Figura 26 Figura 26 Amostra da página 2 com o programa Fonte o autor A página 3 é continuação do programa e a página 4 apresenta os mapas de entradas e saídas e memória do controlador 280 UNICESUMAR Figura 27 Mapa de entradas saídas e memórias internas Fonte o autor Agora iremos implementar no mesmo programa que desenvolvemos as estruturas com temporização e contagem de peças introduzindo uma nova versão com retardo para avançar após o pressionar do botão liga e contagem da quantidade de peças ao final da etapa 3 Vamos inserir em nosso programa os seguintes recursos Realize as intervenções no programa de acordo com a Figura 29 Figura 28 Introduzindo uma linha no programa Ladder Fonte o autor Figura 29 Inserindo o temporizador no programa da furadeira Fonte o autor Nomear um temporizador com o comentário TEMPO PARA AVANÇAR NA USINAGEM Nomear um contador com o comentário CON TAGEM DE PEÇAS Clique com o botão direi to no número da linha 008 e selecione a opção introduzir uma linha Figura 28 Sempre que necessário você pode introduzir ou eliminar li nhas do programa com esse recurso limitado ao máximo previsto para cada controlador No nosso caso o SR2B201FU sem a adição de módulos es peciais suporta um total de 120 linhas 281 UNIDADE 9 A linha 008 descreve que quando o programa executar a etapa 1 e o sensor b1 for pressionado terá início a temporização para somente depois disso linha 009 o contato do temporizador T1 mudar de estado e permitir que a transição para a etapa 2 ocorra Configurar o temporizador para tipo a Fun ção a com tempo de duração de 0050 S Depois desse estágio precisamos resetar o temporizador que faremos no momento em que resetarmos a etapa 2 Figura 30 Figura 30 Resetando o temporizador Fonte o autor Iremos inserir o contador no momento em que o processo finaliza a usinagem na transição T30 ou seja uma vez estando na E3 o contador incrementa uma unidade Figura 31 Contagem de peças Fonte o autor Na Figura 32 veja que o contato do contador C1 aciona o reset RC1 que ocorre na contagem con figurada que pode ser de 100 peças por exemplo Também é possível introduzir um RESET manual para o contador inserindo um botão RESETQUANTIDADE nas entradas digitais e inserindoo em paralelo com o contato C1 Figura 32 Contagem de peças terminadas o reset pode ser automático ou manual Fonte o autor Veja que foi introduzida uma linha linha 020 para que o contato em paralelo pudesse ser inserido e que ele seja intertravado com a etapa E0 evitando que o reset da contagem ocorra durante o proces so logo para resetar manualmente o contador é necessário estar na etapa zero E pressionar o botão RESETQUANTIDADE 282 UNICESUMAR Quando imprimimos o projeto com as implementações de temporização e contagem temos alguns itens a mais nas funções parametrizáveis e também no campo de descrição do temporizador conforme mostrado na Figura 33 e na Figura 34 Observe que na Figura 33 temos a inserção do temporizador e do contador no quadro de funções parametrizáveis espaço este que permite inclusive identificar a localização ao longo do programa em que cada entidade memória temporizador contador etc se encontram no programa facilmente por meio de sua linha e coluna Veja a coluna Localização LC na Figura 33 No caso do contador C1 suas localizações são 196 201 206 significando que na interseção da linha 19 com a coluna 6 na interseção da linha 20 com a coluna 1 e na interseção da linha 20 com a coluna 6 há um componente de C1 Essa regra vale para cada componente de memória do controlador e este recurso de mapeamento ajuda muito quando o programa é extenso e requer depuração manual Figura 34 Diagrama do temporizador utilizado no programa Fonte o autor Figura 33 Funções parametrizáveis do programa Fonte o autor O diagrama de temporizador permite que tenhamos acesso à função selecionada ao tempo de duração e comentário para o temporizador utilizado Todos os temporizadores devem apa recer nessa parte da documen tação Figura 34 283 UNIDADE 9 Durante a simulação com temporização e contagem de peças o painel de monitoração é dispo nibilizado onde é possível acompanhar o momento exato em que tem início a temporização e a contagem Figura 35 Figura 35 Simulação da temporização e contagem Fonte o autor 10 Instalar o CLP no processo físico realizar as ligações elétricas do CLP no processo físico e iniciar os testes de comissionamento de campo Esta etapa não será implementada neste momento pois o objetivo desta unidade é simular a solução porém na prática o comissionamento em campo seria neste momento que é o momento em que instalamos o hardware na máquina e testamos seu funcionamento físico real A programação de CLPs com temporização e contagem desempenha sua contribuição em processos automáticos em que é possível tornálos flexíveis e produtivos tornando mais prática e confortável a vida das pessoas Desde a fabricação de alimentos até veículos sofisticados a automação industrial tem sua impor tância padronizando processos e produtos que correspondem às expectativas dos consumidores em todo o mundo 284 MAPA MENTAL Neste momento iremos testar o conhecimento ad quirido com esta unidade analisando um mapa con ceitual e implementando os termos mais importantes para a construção de so luções para problemas de automação O mapa mental a seguir mostra o fluxo de análise envolvido na análise e desenvolvimento do pro jeto de automação Reconhecer o problema e seus prérequisitos Defnir o tipo de alimentação dos elementos Levantar dados de potência do sistema de atuação Identifcar um dispositivo de controle Identifcar a necessidade do uso de tecnologia de redes Nomear os recursos de entradas e de saídas Analisar a lógica que solucione o problema Simular o programa no ambiente de simulação Instalar o CLP no processo físico Levantar o padrão elétrico de alimentação 285 MAPA MENTAL Agora é o momento em que você irá propor um processo a ser automatizado e preencher em cada quadro do mapa a se guir os dados de acordo com sua escolha de processo Insira para cada etapa quais foram as escolhas e quantidades AGORA É COM VOCÊ 286 1 Em uma indústria de alimentos as caixas são transportadas por esteira transportadora que as envia até o setor de estoque automaticamente Quando as caixas chegam no estoque há um sensor de detecção fotoelétrico difuso com saída a transistor alimentado em 24 V este que detecta a passagem de produtos Sobre o uso de temporizadores e contadores em programas em Ladder assinale a alternativa correta a O sensor conta a quantidade de caixas e envia os dados para o CLP que apenas totaliza o valor informado b O CLP utiliza contador decremental para registrar o número de itens c A programação realiza o uso de contador que recebe estímulo da entrada digital à qual o sensor está instalado d O CLP realiza o controle do estoque baseado na detecção realizada pelos atuadores do sistema de controle e A programação com contadores depende do uso de temporizadores pois o tempo de envio de dados ao CLP é menor do que a capacidade que o CLP possui em realizar a leitura 2 Ao analisar o projeto de um sistema automático industrial um profissional de Engenharia se de parou com uma situação em que deve propor a solução utilizando CLP No que tange ao projeto de automação assinale a alternativa correta a O primeiro passo para o projeto de controle é definir qual o controlador a ser utilizado b A rede industrial a ser utilizada é a primeira a ser definida pois atualmente todos os CLPs pos suem este tipo de recurso c Sempre devemos elaborar a lógica de programação e depois escolher o controlador pois o número de entradas e saídas é irrelevante d A memória interna do CLP não é utilizada por programas Ladder e Ao automatizar processos industriais identificar e reconhecer o problema a ser resolvido e le vantar os prérequisitos de entradas e saídas do processo são os primeiros passos 3 Os elementos de programação que utilizam o Grafcet SFC fazem uso de transições e de ações que nos permitem afirmar a O First Scan é um recurso exclusivo do temporizador do tipo AC AC b O First Scan é um bit do sistema que se repete a cada 5 minutos no CLP c As transições só permitem a lógica E pois a lógica OU é exclusiva de controle clássico industrial d As transições são as condições que permitem a execução do programa nas etapas A combinação das sentenças na transição é que viabilizam as ações previstas em cada etapa e As ações são as responsáveis pela lógica de acionamento das transições podendo uma bobina ser repetida quantas vezes for necessário no mesmo programa CONFIRA SUAS RESPOSTAS 287 1 C É a partir dessa tecnologia que o estímulo elétrico é convertido em sinal digital bit que é contabilizado 2 E Sem reconhecer o problema não é possível definir os prérequisitos de entradas e saídas do sistema de controle 3 D As transições combinadas habilitam a próxima etapa e desligam a etapa anterior e suas ações em um programa Ladder REFERÊNCIAS 288 ALEXANDER C K SADIKU M N O Fundamentos de Circuitos Elétricos 5 ed Porto Alegre Bookman 2013 DAGHLIAN J Lógica e Álgebra De Boole 4 ed São Paulo Atlas 1995 FRANCHI C M Controladores Lógicos Programáveis São Paulo Erica 2008 MTE NR 10 Segurança em Instalações e Serviços em Eletricidade 2004 G R A D U A Ç Ã O G R A D U A Ç Ã O G R A D U A Ç Ã O G R A D U A Ç Ã O Quando identificar o ícone de QRCODE utilize o aplicativo Unicesumar Experience para ter acesso aos conteúdos digitais O download do aplicativo está disponível nas plataformas Google Play App Store A Unicesumar apresenta uma proposta de metodologia cujo objetivo é a integração do que temos de melhor toda a qualidade da nossa educação a distância mesclada com a excelência comprovada do nosso ensino pre sencial utilizando tecnologias diversificadas e focando na personalização do ensino e da aprendizagem de maneira eficaz Nessa metodologia os encontros presenciais são roteirizados a partir de metodologias ativas de aprendizagem além de práticas em laboratório o que ajuda a criar um vínculo maior com o aluno Para embasar tudo isso os cursos contam com materiais didáticos com recursos exclusivos produzidos integralmente pela Unicesumar e disponibilizados tanto na versão impressa como na digital G R A D U A Ç Ã O G R A D U A Ç Ã O G R A D U A Ç Ã O G R A D U A Ç Ã O ISBN 9786556151366 0 251090 120202