Automação de Processos Industriais

Automação de Processos Industriais

(Parte 1 de 4)

MÓDULO 3
Automação de Processos
Industriais

WEG – Transformando Energia em Soluções tr_CTC

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Módulo 3 – Automação de Processos Industriais · “ Material sujeito a alterações sem prévio aviso!”

Módulo 3 – Automação de Processos Industriais

Controladores Lógicos Programáveis3
Introdução3
A Automação Industrial4
Noções de Lógica Combinacional5
1.1.1 Operações Fundamentais5
1.1.1.1 Funções BOOLEANAS5
1.1.1.2 Operador “AND“6
1.1.1.3 Operador “OR”6
1.1.1.4 Operador “NOT”6
1.1.1.5 Operador “NAND”7
1.1.1.6 Operador “NOR”7
1.1.1.7 Operador “XOR”7
Tipos de Sinais8
1.1.2 Sinais Analógicos8
1.1.3.1 Single bit8
1.1.3.2 Multi bit8
Definição (IEC 1131-1)8
Princípio de Funcionamento9
Aspectos de Hardware9
1.1.4 Fonte de alimentação10
1.1.5 CPU10
1.1.7 Interfaces de Entrada/Saída1
1.1.8 Periféricos14
1.1.8.1 Terminal inteligente14
1.1.8.2 Microcomputadores15
1.1.8.3 Mini-programadores (terminais de bolso)15
1.1.8.4 Outros periféricos15
1.1.9 Interfaceamento de periféricos16
Aspectos de Software16
1.1.10 Linguagens de programação17
Sistemas Associados19
1.1.1 Redes de comunicação19
1.1.12 Supervisão e controle26
Anexos30
1.1.13 - Manual do PC12 Design Center versão 2.030
1.1.14 - Programação da Interface Homem-Máquina OP-05/OP-0660

Módulo 3 – Automação de Processos Industriais

Esta apostila tem como objetivo prover uma visão geral das características e recursos hoje disponíveis no mercado de Controladores Programáveis (CP’s), bem como, a sua aplicação nos diversos campos da automação industrial e controle de pro- cessos, onde as necessidades de flexibilidade, versatilidade, disponibilidade, alta confiabilidade, modularidade, robustez e baixos custos, o tornam uma excelente opção.

Mas, o que é um Controlador Programável ? Como surgiu ?

Mesmo antes da industrialização da eletrônica digital, os projetistas de coman- do elaboravam circuitos digitais como contatos programáveis. O programa era armazenado em plugs multi-pinos e as instruções codificadas por meio de ligações elétricas entre os pinos destes plugs. Esses programas eram muito limitados, e, sua principal função era a seleção das operações das maquinas e/ou processos.

Desta forma, além de uma operacionalidade muito baixa, existiam outros problemas: alto consumo de energia, difícil manutenção, modificações de comandos dificultados e onerosos com muitas alterações na fiação ocasionando número de horas paradas, além das dificuldades em manter documentação atualizada dos esquemas de comando modificado.

Com a industrialização da eletrônica, os custos diminuíram, ao mesmo tempo em que a flexibilidade aumentou, permitindo a utilização de comandos eletrônicos em larga escala.

Mas alguns problemas persistiram, e quem sentia estes problemas de forma significativa era a industria automobilística, pois a cada ano com o lançamento de novos modelos, muitos painéis eram sucateados pois os custos para alteração eram maiores do que a instalação de novos painéis.

Porém, em l968 a GM através de sua Divisão Hidromatic preparou as especificações detalhadas do que posteriormente denominou-se Controlador Programável (CP). Estas especificações retratavam as necessidades da indústria, independente- mente do produto final que iria ser fabricado. Em 1969 foi instalado o primeiro CP na GM executando apenas funções de intertravamento.

Historicamente os CP’s tiveram a seguinte evolução: De 1970 a 1974, em adi- ção às funções intertravamento e sequenciamento (lógica), foram acrescentadas funções de temporização e contagem, funções aritméticas, manipulação de dados e intro- dução de terminais de programação de CRT (Cathode Ray Tube). De 1975 a 1979 foram incrementados ainda maiores recursos de software que propiciaram expansões na capacidade de memória, controles analógicos de malha fe-

Módulo 3 – Automação de Processos Industriais chada com algoritmos PID, utilização de estações remotas de interfaces de E/S (Entradas e Saídas) e a comunicação com outros equipamentos “inteligentes”.

Com os desenvolvimentos deste período, o CP passou a substituir o microcomputador em muitas aplicações industriais.

Nesta década atual, através dos enormes avanços tecnológicos, tanto de hardware como de software, podemos dizer que o CP evoluiu para o conceito de controlador universal de processos, pois pode configurar-se para todas as necessidades de controle de processos e com custos extremamente atraentes.

Antes de iniciarmos nosso estudo dos controladores programáveis, precisamos sedimentar alguns conceitos importantes. Um destes conceitos está relacionado com às respostas para algumas perguntas :

O que é controle ?

Conforme o dicionário (Aurélio Buarque de Holanda Ferreira) podemos definir a palavra controle como segue :

[Do fr. contrôle.] S. m. 1. Ato, efeito ou poder de controlar; domínio, governo. 2.

Fiscalização exercida sobre as atividades de pessoas, órgãos, departamentos, ou sobre produtos, etc., para que tais atividades, ou produtos, não se desviem das normas preestabelecidas.

O controle, vendo sob o ponto de vista tecnológico, tem um papel importantíssimo no desenvolvimento de ações planejadas, modelando processos desde os mais simples até os mais complexos.

O que é automação industrial ?

Controlador

Processo AtuadoresSensores

Figura 1- Diagrama de blocos de um sistema de automação

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Todas as vezes, relacionado a um processo, que introduzimos alguma nova técnica de controle estamos falando de automação industrial. Na verdade a utilização destas técnicas estará diretamente relacionada com o aumento de produtividade, qualidade, flexibilidade e confiabilidade. Note que o termo automação descreverá um con- ceito muito amplo, envolvendo um conjunto de técnicas de controle, das quais criamos um sistema ativo, capaz de fornecer a melhor resposta em funções das informações que recebe do processo em que está atuando. Dependendo das informações o sistema irá calcular a melhor ação corretiva à ser executada. Neste ponto podemos verificar as características relacionadas com os sistemas em malha fechada, também denominados sistemas realimentados (ver figura 1). A teoria clássica de controle define e modela, matematicamente, estas características dando uma conotação científica e tecnológica a este assunto.

Nesta seção iremos trabalhar alguns conceitos importantes para o desenvolvimento de um processo lógico de raciocínio que mas adiante nos permitirá compreender como serão relacionados todos os fatores relevantes à elaboração de projetos envolvendo controladores programáveis.

1.1.1 OPERAÇÕES FUNDAMENTAIS

A teoria matemática das proposições lógicas foi apresentada em 1854(1), pelo filósofo e matemático inglês George Boole (1815-1864), definindo assim os conceitos básicos da chamada álgebra de Boole para dois valores (sistema binário). Mas foi so- mente em 1938(2), que o engenheiro americano Claude Elwood Shannon, aplicou a teoria de Boole ao estudo e simplificação de funções usadas em telefonia, percebendo que as leis que regem as relações entre proposições lógicas eram as mesmas que se aplicavam para dispositivos de chaveamento de dois estados, já que estes dispositivos podem assumir os seguintes estados, como por exemplo : “ligado” ou “desligado”, “aberto” ou “fechado”, “potencial alto” ou ” potencial baixo”, “verdadeiro” ou “falso”.

(1) Intitulado como An Investigation of the Laws of Thought (2) Trabalho entitulado como Symbolic Analysis of Relay and Switching

1.1.1.1 FUNÇÕES BOOLEANAS

A álgebra de Boole está estruturada da seguinte maneira : Um conjunto S; três operações definidas sobre S (operação E, OU e COMPLEMENTO); Os caracteres 0 e

Mas a idéia de uma função lógica segue o mesmo conceito das funções da álgebra tradicional, onde uma função assume um único valor para cada combinação de valores possíveis assumidos pelas suas variáveis. Note, que na realidade uma função lógica (booleana) com n variáveis irá apresentar um total de combinações dadas por 2n. Se adotarmos um procedimento formal para análise dos valores possíveis para uma função booleana chegaremos a conclusão que o processo seria bastante cansativo e

Módulo 3 – Automação de Processos Industriais muito susceptível a erros, relacionados basicamente com a falta de atenção. Para facilitar esta análise foi proposta, pelo matemático inglês Charles Lutwidge Dogson(3) (1832-

1898), uma forma tabular de representação conhecida como tabela verdade (truth table). A seguir mostraremos as equações algébricas e a tabela verdade dos operadores fundamentais da álgebra booleana.

(3) Cujo pseudônimo era Lewis Carrol, nome adotado quando escreveu o livro Alice no País das Maravilhas

1.1.1.2 OPERADOR “AND“ Equação Algébrica Tabela Verdade

1.1.1.3 OPERADOR “OR” Equação Algébrica Tabela Verdade

1.1.1.4 OPERADOR “NOT” Equação Algébrica Tabela Verdade

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1.1.1.5 OPERADOR “NAND” Equação Algébrica Tabela Verdade

1.1.1.6 OPERADOR “NOR” Equação Algébrica Tabela Verdade

1.1.1.7 OPERADOR “XOR” Equação Algébrica Tabela Verdade

Módulo 3 – Automação de Processos Industriais TIPOS DE SINAIS

1.1.2 SINAIS ANALÓGICOS

São sinais que variam continuamente no tempo conforme uma regra de comparação à uma referência definida.

Exemplos : potenciômetros, transdutores de temperatura, pressão, célula de carga, umidade, vazão, medidores, válvulas e atuadores analógicos, acionamentos de motores, etc.

1.1.3 SINAIS DIGITAIS

São sinais que variam continuamente no tempo assumindo apenas dois valores definidos e distintos. Podemos ainda encontrá-los subdivididos em dois tipos :

1.1.3.1 SINGLE BIT

Dispositivos deste tipo apresentam sinais que poderão ser representados por bits individuais.

Exemplos : botões, chaves seletoras, chaves fim-de-curso, pressostatos, termostatos, chaves de nível, contatos de relês, contatos auxiliares de contatores, alarmes, solenóides, lâmpadas, bobinas de relês, bobinas de contatores, etc.

1.1.3.2 MULTI BIT

Dispositivos deste tipo apresentam sinais representados por bits agrupados em conjunto, formando assim o que chamamos de “palavra binária”.

Exemplos : encoder absoluto, chave thumbwheel, etc.

DEFINIÇÃO DE UM CONTROLADOR PROGRAMÁVEL (IEC 61131-1)

Sistema eletrônico digital, desenvolvido para uso em ambiente industrial, que usa uma memória programável para armazenamento interno de instruções do usuário, para implementação de funções específicas, tais como, lógica, sequenciamento, tem- porização, contagem e aritmética, para controlar, através de entradas e saídas, vários tipos de máquinas e processos.

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O CP e seus periféricos, ambos associados, são projetados de forma a poder ser integrados dentro de um sistema de controle industrial e finalmente usados a todas as funções as quais é destinado.

O Controlador Programável, como todo sistema microprocessado, tem seu princípio de funcionamento baseado em três passos:

Com a partida, o CP executará as seguintes tarefas:

1. Transferirá os sinais existentes na interface de entrada para a memória de dados (RAM).

mória de dados, etc

2. Iniciará a varredura do software aplicativo armazenando na memória de programa (SCAN), utilizando os dados armazenados na memória de dados. Dentro deste ciclo, executará todas as operações que estavam programadas no software aplicativo, como intertravamentos, habilitação de temporizadores/contadores, armazenagem de dados processados na me-

3. Concluída a varredura do software aplicativo, o CP transferirá os dados processados ( resultados de operações lógicas) para a interface de saída. Paralelamente, novos dados provenientes da interface de entrada irão alimentar a memória de dados.

O diagrama de blocos abaixo representa a estrutura básica de um controlador programável com todos os seus componentes. Estes componentes irão definir o que denominamos configuração do CLP.

Início Ler as entradas

Executa programa Atualiza as Saídas

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1.1.4 FONTE DE ALIMENTAÇÃO

A fonte fornece todos os níveis de tensão exigidos para as operações internas do CP (Ex.: CPU, Memória, E/S).

1.1.5 CPU

A CPU é o cérebro do sistema. Ela lê o sinal das entradas na memória de dados, executa operações aritméticas e lógicas baseadas na memória de programa, e gera os comandos apropriados para a memória de dados controlar o estado das saídas.

Abaixo são apresentadas algumas considerações e características principais:

Utiliza microprocessadores ou microcontroladores de 8,16 ou 32 bits e, em

CP’s maiores, um coprocessador (microprocessador dedicado) adicional para aumentar a capacidade de processamento em cálculos complexos com aritmética de ponto flutuante.

A maioria dos fabricantes de CP’s especificam os tempos de varredura como função do tamanho do programa (p.e.10ms/1k de programa), e situam-se na faixa desde 0,3 até 10ms/k, caracterizando a existência de CP’s rápidos e lentos.

Alguns fabricantes provêem recursos de hardware e software que possibilitam interrupções na varredura normal de forma a “ler” uma entrada ou “atualizar” uma saída imediatamente.

MemóriaProcessador

Barramento (dados, endereços, controle)

Entradas Saídas

Fonte

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Recursos de auto-diagnose para detecção e indicação de falhas (Comunicação, memória, bateria, alimentação, temperatura, etc.) são também disponíveis em al- guns CP’s. Normalmente os indicadores estão localizados na parte frontal do cartão da UCP.

1.1.6 MEMÓRIAS

Memória de Dados : também conhecida como memória de rascunho. Serve pa- ra armazenar temporariamente os estados E/S, marcadores presets de temporizadores/ contadores e valores digitais para que o CPU possa processá-los. A cada ciclo de varredura a memória de dados é atualizada. Geralmente memória RAM.

Memória de Usuário : serve para armazenar as instruções do software aplicativo e do usuário ( programas que controlam a máquina ou a operação do processo), que são continuamente executados pela CPU. Pode ser memória RAM, EPROM, EPROM, NVRAM ou FLASH-EPROM.

1.1.7 INTERFACES DE ENTRADA/SAÍDA

O hardware, de E/S, freqüentemente chamado de módulos de E/S, é a interface entre os dispositivos conectados pelo usuário e a memória de dados. Na entrada, o módulo de entrada aceita as tensões usuais de comando (24VCC,110/220 VCA) que chegam e as transforma em tensões de nível lógico aceitos pela CPU. O módulo de saída comuta as tensões de controle fornecidas, necessárias para acionar vários dis- positivos conectados.

Os primeiros CP’s, como já mencionado anteriormente, eram limitados a interfaces de E/S discretas, ou seja, admitiam somente a conexão de dispositivos do tipo ON/OFF (liga/desliga, aberto/fechado, etc.), o que, naturalmente, os limitavam um controle parcial do processo, pois, variáveis como temperatura, pressão, vazão, etc., medidas e controladas através de dispositivos operados normalmente com sinais analógicos, não eram passíveis de controle. Todavia, os CP’s de hoje, provêem de uma gama completa e variada de interfaces discretas e analógicas, que os habilitam a praticamente qualquer tipo de controle.

As entradas e saídas são organizadas por tipos e funções, e agrupadas em grupos de 2, 4, 8, 16 e até 32 “pontos” (circuitos) por interface (cartão eletrônico) de E/S. Os cartões são normalmente do tipo de encaixe e, configuráveis, de forma a pos- sibilitar uma combinação adequada de pontos de E/S, digitais e analógicas.

A quantidade máxima de pontos de E/S, disponíveis no mercado de CP’s, pode variar desde 16 a 8192 pontos normalmente, o que caracteriza a existência de peque- nos, médios e grandes CP’s.

Embora uma classificação de CP’s devesse considerar a combinação de diversos aspectos (n.º de pontos de E/S, capacidade de memória, comunicação, recursos

Módulo 3 – Automação de Processos Industriais de software e programação, etc.), para propósitos práticos, podemos considerar a seguinte classificação: Micro e Mini CPs; CPs de pequeno porte; CP´s de médio porte;

CPs de grande porte.

As figuras abaixo apresentam uma idéia básica de como estas interfaces são implementadas.

Conversor A/D

Registradores

Configuração

Canais CPU fotoacoplador Vcc fotoacoplador NPN

Vcc

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