Controle e Automação Industrial

Controle e Automação Industrial

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Controle de Automação Industrial

Apresentação

O Objetivo deste trabalho foi reunir material sobre os principais componentes empregados hoje na automação industrial para um curso de técnicos em automação ou técnicos em mecatrônica.

Visando um curso prático, mas com um certo grau de aprofundamento, utilizou-se de muitas ilustrações de catalogos de fabricantes consagrados como Allen-Bradley, Siemens , Weg, que são lideres de mercado em seus segmentos e que fatalmente o aluno encontra em sua vida profissional na empresa.

O material é suficiente para a compreensão dos fenômenos que dão vida aos sensores e transdutores usados no processo, os principais atuadores usados no mercado de trabalho como servomotores e motores de passo.

Este material pressupõe que o leitor domina conhecimentos que devem Ter sido adquiridos em outras disciplinas.

A parte de eletroválvulas e cilindros não foi muito explorada por ser tema de outro curso, cabendo neste trabalho apenas a menção destes dispositivos .

A parte de acionamento apenas descorre levemente o assunto, dada a complexidade do mesmo e a existência de um curso específico para isso.

Idem a parte de CLP e CNC. De modo geral, espero que este trabalho possa contribuir de alguma forma para o enriquecimento do aluno no que tange ao conhecimento e aplicação dos principais dispositivos utilizados na automação, além é claro de dar uma idéia do estado da arte em que se encontra tal segmento.

Contamos com a colaboração dos mestres e alunos no sentido de apontarem eventuais erros neste material para que em versões futuras possamos corrigi-las e dessa forma concorrer para o melhoramento desta pequena contribuição.

Controle de Automação Industrial

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Sistemas de Controle03
Teoria de Erros03
Sistemas de Controle Industrial04
Malha Aberta e Malha Fechada04
Transitórios e Indicadores de Performance06
Tipos de Controladores07
Implementações de Blocos PID14
Controle Analógico14
Controle Digital19
Dispositivos de Entrada21
Técnicas de Blindagem25
Transdutores26
Temperatura26
Fotoelétrico35
Posição37
Encoder37
Régua Ótica42
Resolver43
LVDT4
Capacitivo46
Indutivo47
Hall49
Tensão Mecânica (StrainGauge)50
Piezolétrico5
Velocidade5
Pressão56
Pirômetria Ótica56
Sensores67
Nível68
Pressão68
Indutivo69
Capacitivo72
Ultrasônico73
Fotoelétrico74
Atuadores7
Eletroválvulas e Cilindros7
Servomotores7
Motores de Passo81
Acionamentos Elétricos87
CLP90
Princípios de Funcionamento90
Módulos Básicos94
Programação Básica9
IHM112
CNC117
Interfaces Seriais123

Controle de Automação Industrial

1. Sistemas de Controle:

Histórico

A necessidade de controlar um processo já é bastante antiga. Nasceu desde o momento em que o homem passou a manufaturar bens para suas necessidades. Da manufatura saiu o conceito de se sistematizar os procedimentos envolvidos na manufatura de um bem. Surge assim o conceito de processo de manufatura. Estes procedimentos são ordenadas e podem ser agrupadas em etapas ou fases.

A principal característica do processo de manufatura é que o homem era o responsável pelo controle e pela execução de todos os procedimentos envolvidos no processo. O problema era que a produtividade era baixa e a qualidade fortemente dependente do ser humano. Com o surgimento da máquina à vapor, começa a surgir a idéia de se usar máquinas para executar etapas do sistema produtivo. Entretanto as primeiras máquinas a vapor não tinham elementos de controle automático. Eram ainda dependentes do homem para o controle de suas ações, mas já representavam um avanço em termos de força e velocidade em relação ao ser humano.

Com invenção do regulador mecânico para a pressão do vapor, feito por James Watt, a máquina passou a ter um uso industrial importante, pois agora a pressão do vapor era regulada automaticamente por um dispositivo, podendo a máquina assim efetuar um trabalho ou uma etapa de um processo. Surge o processo industrial em substituição ao processo de manufatura, onde máquinas realizam parte do processo de produção.

Entretanto, ainda não existia o controle automático no processo, dado que toda ação da máquina dependia da supervisão e atuação do homem. A idéia era fazer com que a máquina ganhasse cada vez mais autonomia no processo de fabricação, tal qual o ocorreu com o controle do vapor. Ou seja, buscava-se o controle de automático de processo. Mas o controle de processo usando meramente elementos mecânicos era algo difícil de se conseguir e o controle automático de processo praticamente não avançou muito até o século X. Com o século X, vieram a eletricidade e os controles elétricos e eletrônicos, mais versáteis e dinâmicos que os controles mecânicos e assim a automação de processos adquiriu a dimensão que este até os dias de hoje.

Teoria de Erros:

O erro é caracterizado como algo indesejável no sistema, entre em sistemas de controle o estudo dos erros leva a formas mais eficientes e exatas de se efetuar um controle. O erro pode ser definido como um desvio entre um valor real e um valor efetivamente encontrado. Pode Ter várias origens, mas podem ser classificados de duas formas:

Erros determinísticos ou sistemáticos:É aquele erro que decorre de um desvio fixo entre a grandeza lida e a esperada por motivo de uma folga ou desajuste. É um tipo de erro que é sempre repetitivo, desde que as condições sejam idênticas. Pode estar relacionada à uma grandeza física, como por exemplo, um erro de um extensômetro em virtude de temperatura. Pode ser eliminado por meio de compensação. Erros aleatórios:É aquele que ocorre devido a fatores imponderáveis e que não podem ser modelados. A dimensão de erro aleatório só pode ser estabelecida por meio de análise estatística. Na natureza costumam ocorrer os dois tipos de erros simultaneamente. Diante da natureza desta classificação dos erros, criou-se dois conceitos básicos para a caracterização dos desvios. A exatidão e a precisão.

A exatidão dá uma idéia do desvio médio de uma medida em relação ao valor real. A baixa exatidão é causada por erros determinísticos.

A precisão é uma medida da variabilidade de uma medida em torno de um valor médio. É causada pelo erro aleatório.

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2. Sistemas de Controle Industrial:

Existem várias formas de se implementar sistemas de controle automático, entretanto, a mais utilizada é usando sistemas eletroeletrônicos devido principalmente a versatilidade e dinamismo necessários à um controle de processo. Além disso, sistemas elétricos são mais fáceis de se implementar que sistema s dinâmicos. Dado que um sistema de controle é predominantemente elétrico e os processo envolvem transformações mecânicas, químicas e físicas, devemos converter o sinal de um controlador eletrônico no sinal adequado ao processo, tanto do ponto de vista da natureza, quanto do ponto de vista de magnitude. Este elemento é o atuador. É ele quem atua diretamente sobre o processo, sempre em resposta à saída do controlador.

Para que o controlador gere o sinal de controle para o atuador gerar o sinal de controle do atuador ele precisa de uma referência , ou seja, um sinal na sua entrada que diga ao controlador o que ele deve fazer com o processo. Este é o sinal de referência, ou sinal de entrada. A figura abaixo ilustra o relacionamento entre o controlador, o atuador e o processo.

Sinal de Entrada

Em um sistema de controle precisamos saber como anda o processo e obter informações a respeito de parâmetros do mesmo. Ou seja, precisamos de um dispositivo capaz de converter uma grandeza física do processo em uma grandeza elétrica para que possamos medir o andamento do processo. Este elemento é o transdutor e ele se relaciona com o processo conforme a figura abaixo:

3. Sistemas de Controle em Malha Aberta e Malha Fechada:

Com relação a forma de implementação os sistemas de controle, podem ser classificados de duas formas : em malha aberta e em malha fechada.

Malha aberta:Quando o controlador gera o sinal para o atuador, com base no sinal piloto, sem obter nenhuma informação do sobre o andamento do processo. Ou seja, é um sistema sem realimentação, sendo que o sinal de entrada é o próprio set-point. Malha fechada:Quando o controlador gera o sinal para o atuador, com base no sinal piloto, porém agora ele recebe informação sobre o andamento do processo, através de um transdutor. O sinal entrada, no caso, corresponde a diferença entre o set-point e o sinal do transdutor, por isso, também é chamado de sinal de erro. A figura abaixo ilustra as duas formas de controle:

Set-Point

Malha aberta (Sem realimentação)

OBS:Observe que no caso da malha aberta o transdutor e o indicador são itens opcionais não sendo importantes para o controle.

Controlador Atuador Processo Processo Transdutor Indicador

Controlador Atuador Processo Indicador Transdutor

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Set-Point+Sinal de Erro

Malha Fechada (Com realimentação) OBS:O indicador no caso da malha fechada é um item opcional.

A malha fechada apresenta algumas vantagens em relação a malha aberta, principalmente no que tange a menor sensibilidade a interferências e ruídos. Isto porque o sistema sendo realimentado, ,qualquer desvio do sistema, gera um erro que tende a ser compensado. Além disso, o sistema fica mais independente dos parâmetros da planta, já que ele passa a atuar sobre o sinal de erro.

Entretanto, também há desvantagens como o custo mais elevado e a possibilidade do sistema atingir a instabilidade quando o ganho do controlador é muito alto.

4. Transitório e Indicadores de Performance:

Quando ajustamos o set-point a saída leva um tempo para atingir seu valor final. Este tempo é chamado de transitório e é muito importante seu conhecimento para fins de determinação do comportamento do sistema e avaliação da performance do controlador. Para fins de avaliação da performance de um sistema de controle, existem alguns indicadores básicos, muito utilizados para a especificação de um sistema de controle. São os principais:

Regulação:É uma avaliação do sistema com relação á sua capacidade de reduzir o erro entre o valor real da grandeza física controlada e o valor esperado ao final do transitório. O erro no caso é chamado de erro em regime permanente. Se o erro for grande, a regulação do sistema é ruim, se o erro for pequeno a regulação será boa.

um sistema estávelSe não, é um sistema instável.

Estabilidade:É a capacidade que um sistema tem de dada uma certa entrada limitada fornecer uma resposta limitada. Ou seja, se o processo converge para algum ponto, para uma dada entrada é

Tempo de acomodação:É o intervalo de tempo em que ajustada uma entrada, o sistema demora para convergir. Ou seja, é o intervalo de tempo em que dura a fase de transitório.

Tempo de subida:É o tempo necessário para que a saída vá de 0 à 100%, ou de 10 à 90% do seu valor final.

Sobrelevação:Conhecido como “overshoot” é o valor máximo atingido pela grandeza física da planta em relação ao valor esperado. É medida em percentagem da entrada ajustada. Ocorre na fase de transitório.

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