CPM Programa de Certificação do Pessoal de Manutenção. Instrumentação. Automação Básica. SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 1

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1 CPM Programa de Certificação do Pessoal de Manutenção Instrumentação Automação Básica Departamento Regional do Espírito Santo 1

2 Automação Básica e Circuitos de Intertravamento e Alarmes ES, 1999 Trabalho realizado em parceria / CST (Companhia Siderúrgica de Tubarão) Coordenação Geral Evandro de Figueiredo Neto (CST) Robson Santos Cardoso () Supervisão Rosalvo Marcos Trazzi (CST) Fernando Tadeu Rios Dias () Elaboração Flavio Morais de Souza () Aprovação Marcos Antônio R. Nogueira (CST) Wenceslau de Oliveira (CST) Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Regional do Espírito Santo CTIIAF Centro Técnico de Instrumentação Industrial Arivaldo Fontes Av. Marechal Mascarenhas de Moraes, 2235 Bento Ferreira Vitória ES CEP Telefone: (27) Telefax: (27) CST Companhia Siderúrgica de Tubarão Departamento de Recursos Humanos Av. Brigadeiro Eduardo Gomes, s/n, Jardim Limoeiro Serra ES CEP Telefone: (027) Telefax: (027) Departamento Regional do Espírito Santo 2

3 1 NOÇÕES DE CIRCUITOS LÓGICOS Índice 1.1 Tópicos da álgebra de Boole Simplificação de circuitos lógicos Montagem de circuitos com condições estabelecidas 14 2 PRÍNCIPIO DE CONTROLE SEQUENCIAL E CIRCUITOS BÁSICOS 2.1 Controle sequêncial Circuito sequêncial Circuitos básicos 24 3 DIAGRAMAS DE COMANDO 3.1 Introdução Intertravamento de contatores Sistemas de partida de motores Comando de um contator por botões ou chaves Reversão de rotação de motor trifásico com contator Reversão de rotação de motor trifásico com contator e chaves fim de curso Partida com comutação automática estrela-triângulo de um motor Partida automática de motor trifásico com autotransformador Partida com motor de rotor bobinado com comutação de resistência Partida consecutiva de motores com relés temporizados Partida automática e frenagem eletromagnética de motor trifásico 62 4 O CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL 4.1 Surgimento do controlador programável Introdução da tecnologia de controladores lógico programáveis PLC s Arquitetura do controlador programável Programação do controlador programável 82 5 ARQUITETURA DIGITAIS E INTERFACE HOMEM-MÁQUINA 5.1 Introdução Sistema de aquisição de dados DAS Sistema supervisório de controle SPC Sistema de controle digital direto DDC Sistema de controle com controladores programáveis Sistema de controle digital distribuído SDCD 105 Departamento Regional do Espírito Santo 3

4 1 - NOÇÕES DE CIRCUITOS LÓGICOS TÓPICOS DA ALGEBRA DE BOOLE É uma técnica matemática que é usada quando consideramos problemas de natureza lógica. Em 1847, o matemático inglês George Boole desenvolveu leis básicas aplicadas em problemas de lógica dedutiva. Até 1938, isto se restringia ao estudo de matemática, quando então um cientista do Bell Laboratories, Claude Shammon, começou a utilizar tais leis no equacionamento e análise de redes com multicontatos. Paralelamente ao desenvolvimento dos computadores, a álgebra de Boole foi ampliada, sendo hoje ferramenta fundamental no estudo de automação. A álgebra de Boole utiliza-se de dois estados lógicos, que são 0 (zero) e 1(um), os quais, como se vê, mantém relação íntima com o sistema binário de numeração. As variáveis booleanas, representadas por letras, só poderão assumir estes dois estados: 0 ou 1, que aqui não significam quantidades. O estado lógico 0 representa um contato aberto, uma bobina desenergizada, uma transistor que não está em condução, etc.; ao passo que o estado lógico 1 representa um contato fechado, uma bobina energizada, um transistor em condução, etc Postulados e Teoremas Toda a teoria de Boole está fundamentada nos postulados e teoremas representados a seguir: a) se A = 0, se A = 1, A = 1; A = 0; b) 1+ 1 = = 0 c) = = 1 d) 1+ 0 = = = 1.0 = 0 e) A + 0 = A A.1 = A f) A + 1 = 1 A.0 = 0 g) A + A = A A.A = A h) A + A = 1 A.A = 0 Departamento Regional do Espírito Santo 4

5 i) A = A j) A + B = B + A A.B = B.A k) A + (B + C) = (A + B) + C A.(B.C) = (A.B).C l) A + A.B = A A.(A + B) = A m) A + B.C = (A + B).(A + C) A.(B + C) = AB + A.C n) A + A.B = A + B A.(A + B) = A.B o) A + B = A.B A.B = A + B Circuitos Sequenciais a) Circuito Liga Na figura 1.1, temos a chave A e a lâmpada X. Quando a chave A está aberta ( estado 0 ), a lâmpada X está apagada ( estado 0 ). Quando a chave A está fechada ( estado 1 ), a lâmpada X está acesa ( estado 1 ). A equação deste circuito é A=X. Os possíveis estados de A e X são mostrados na tabela verdade 1.1. Figura 1.1 Tabela 1.1 b) Circuito Desliga ( NOT) Na figura 1.2a, temos a chave A e a lâmpada X. Quando a chave A está aberta ( estado 0 ), a lâmpada X está acesa ( estado 1 ). Quando a chave A está fechada ( estado 1 ), a lâmpada X está apagada ( estado 0 ). Departamento Regional do Espírito Santo 5

6 A equação deste circuito é A = X. Os possíveis estados de A e X são mostrados na tabela 1.2. Esta lógica é, geralmente, realizada com contato normalmente fechado, como mostrado na figura 1.2b. Figura 1.2a Figura 1.2b Tabela 1.2 c) Circuito E (AND) Na figura 1.3 temos as chaves A e B em série e a lâmpada X. Somente quando ambas as chaves, A e B, estão ligadas ( estado 1 ), a lâmpada X está acesa ( estado 1 ). A equação deste circuito é A.B = X. Os possíveis estados de A, B e X são mostrados na tabela 1.3. Figura 1.3 Tabela 1.3 d) Circuito ou (OR) Na figura 1.4 temos as chaves A e B em paralelo e a lâmpada X. Quando uma das chaves, A ou B, ou ambas, estão fechadas ( estado 1 ), a lâmpada X está acesa (estado 1 ). A equação deste circuito é A + B = X. Os possíveis estados de A, B e X são mostrados na tabela 1.4. Departamento Regional do Espírito Santo 6

7 Figura 1.4 Tabela 1.4 Apresenta-se no quadro abaixo um resumo de bloco lógicos básicos e algumas combinações comuns: Departamento Regional do Espírito Santo 7

8 Departamento Regional do Espírito Santo 8

9 1.2 - SIMPLIFICAÇÃO DE CIRCUITO LÓGICOS Simplificação Utilizando a Álgebra de Boole Aplicando os postulados e teoremas da álgebra de Boole, podemos simplificar expressões, o que implica em simplificação de circuitos. Exemplo 01 : Simplificar o circuito da figura 1.5. Figura 1.5 Solução : A equação deste circuito é : L = A + (A + B).(A + B) L = A + (A + B).(A + B) = A + A.A + A.B + B.A + B.B = A + A.B + B.A = A + B.A = A + B A figura 06 representa o circuito simplificado. Departamento Regional do Espírito Santo 9

10 Figura 1.6 Exemplo 02: Simplificar o circuito da figura 7. Solução : A equação deste circuito é : Onde : X = A + B e Y = A.B L = C.X + Y Figura 1.7 Departamento Regional do Espírito Santo 10

11 L = C.X + Y = C.(A + B) + A.B = A.B.C + A + B = A + B.C + B = A + B + C A figura 08 representa o circuito simplificado. Figura Simplificação com Mapa de KARNAUGH Quando utilizamos os teoremas e postulados Booleanos para simplificação de uma circuito lógico qualquer não podemos afirmar, que a equação resultante está na sua forma minimizada. Existem métodos de mapeamento de circuitos lógicos, que possibilitam a minimização de expressões com N variáveis. Um desse métodos é a utilização do mapa de KARNAUGH e é indicado para minimização de até 4 variáveis. Departamento Regional do Espírito Santo 11

12 Exemplo 1 : Simplificar o circuito da figura 1.9. Solução: Figura 1.9 Figura 1.10 A equação deste circuito é : L = A.B + A.B + A. B Marcamos no mapa de Karnaugh, figura 1.11, as regiões correspondentes a cada parcela da equação do circuito. Figura 1.11 Tomamos o menor número de pares de parcelas vizinhas. A mesma região pode pertencer a pares diferentes. As regiões 1 ( parcela A ) e 2 ( parcela B) correspondem à simplificação do circuito que é : L = A + A figura 1.10 representa o circuito simplificado. B Departamento Regional do Espírito Santo 12

13 Exemplo 2: Simplificar o circuito da figura 1.12 Figura 1.12 Figura 1.13 Solução : A equação deste circuito é : L = A.B + B.C + C.(A + A.B) = A.B + B.C + C.A + A.B.C No mapa de KARNAUGH, figura 1.14, marcamos : Figura 1.14 Tomamos o menor número de quadras vizinhas. As regiões 1 (parcela A), 2 (parcela B) e 3(parcela C) correspondem à simplificação do circuito que é: L = A + B + C A figura 1.13 representa o circuito simplificado. Departamento Regional do Espírito Santo 13

14 1.3 MONTAGEM DE CIRCUITOS COM CONDIÇÕES ESTABELECIDAS Método da Soma de Produtos Devemos inicialmente preencher a tabela verdade nas condições do problema. Somam-se os produtos das entradas onde se tem a saída no estado 1, sendo que as variáveis de entrada no estado 0 são barradas. A equação assim obtida é a solução do circuito. Exemplo : Montar o circuito que contém 3 chaves A,B e C e uma lâmpada na seguinte condição: quando pelo menos duas chaves estiverem ligadas, a lâmpada estará acesa. Figura 1.15 Figura 1.16 Solução: As saídas Então : 1,2,3 e 4 da tabela verdade, figura 1.15, atendem às condições do problema. L = A.B.C + A.B.C + A.B.C + A.B.C No mapa de KARNAUGH, figura 16, marcamos : Região V1, parcela Região V2, parcela Região V3, parcela Região V4, parcela A.B. C A.B. C A.B. C A.B. C Departamento Regional do Espírito Santo 14

15 tomamos o menor número de duplas vizinhas. As regiões 1 ( parcela A.B), 2 (parcela B.C) e 3 ( parcela C.A), correspondem à simplificação do circuito que é : L = A.B + B.C + C.A A figura 1.17 representa o circuito simplificado. Figura 1.17 Departamento Regional do Espírito Santo 15

16 2 PRINCÍPIO DE CONTROLE SEQUENCIAL E CIRCUITOS BÁSICOS 2.1 CONTROLE SEQUENCIAL O controle sequencial é o comando passo a passo de uma série de eventos no tempo e numa ordem predeterminada Exemplo Como exemplo de controle sequencial, um processo industrial de aquecimento é mostrado na figura 2.1. Temos que : a) encher o tanque com matéria-prima até certo nível; b) aquecer o conteúdo do tanque, com uso de vapor, agitando o conteúdo atá certa temperatura; c) dar vazão à matéria aquecida. A operação descrita acima é executada manualmente nesta sequência : 1- abrir a válvula manual V 1 para que a matéria prima chegue ao tanque; 2- fechar V 1 quando a matéria prima atingir certo nível marcado pelo indicador L ; 3- abrir a válvula manual V 2 para aquecimento com passagem de vapor pelo tubo e ligar o motor M fazendo girar o homogenizador, para agitar a matéria; 4- quando a indicação do termômetro TH atingir certo valor, interromper a passagem de vapor fechando V 2 e parar a agitação desligando o motor M ; 5- dar vazão à matéria aquecida. Departamento Regional do Espírito Santo 16

17 6- Quando o tanque esvaziar, fechar V 3. Os passos de 1 a 6 são repetidos quantas vezes forem necessárias. Este processo pode ser realizado automaticamente, figura 2.2, nesta sequência : 1- Apertando-se a botoeira de partida, o processo irá iniciar com a abertura da válvula solenóide VS 1, e a matéria prima chegará ao tanque. 2- Quando for atingido certo nível de matéria, a válvula solenóide VS 1 irá fechar devido à atuação do sensor de nível SN. 3- Fechando-se a válvula solenóide VS 1, a chave de fluxo CFC 1 irá abrir a válvula solenóide VS 2 para aquecimento com passagem de vapor e também ligar o motor M do homogenizador para agitar a matéria. 4- Quando a matéria atingir certa temperatura, a válvula solenóide VS 2 irá fechar, e o motor M irá parar devido à atuação do sensor de temperatura ST. 5- Fechando-se a válvula solenóide VS 2, a chave de fluxo CFC 2 irá abrir a válvula solenóide VS 3, dando vazão à matéria e acionando um temporizador. 6- Após certo tempo, a válvula solenóide VS 3, irá fechar e acionará a chave fluxo CFC 3, que fará abrir a válvula solenóide VS 1, recomeçando o processo. Este processo será interrompido apertando-se a botoeira de parada quando a válvula solenóide VS 3 estiver terminando de fechar. Um número predeterminado de execuções do processo pode ser conseguido usando-se um contador. Departamento Regional do Espírito Santo 17

18 2.1.2 Características do controle sequencial O controle sequencial tem as seguintes características : a) do sinal de entrada até o de saída a sequência de operações obedece uma ordem predeterminada; b) durante a execução da sequência, o sinal de controle é transmitido obedecendo certas condições; c) o passo seguinte é executado dependendo do resultado anterior; Geralmente, o controle sequencial é o mais conveniente, indicado e utilizado em operações de atuação passo a passo, como, por exemplo, partida-parada, modificar condição de execução de manual para automático, etc Diagrama de Blocos Na figura 2.3 é mostrado o diagrama de blocos do comando sequencial. 1) Um dispositivo de comando é acionado por um operador; 2) Um sinal é transmitido para o dispositivo de processo que irá atuar de maneira predeterminada. 3) O sinal de detecção, que significa a condição de processo, é enviado aos dispositivos de sinalização; 4) Um sinal de controle, resultante de um sinal de processo e/ou detecção, é transmitido ao dispositivo de final de controle; 5) O sinal transmitido do dispositivo de final de controle atua sobre o dispositivo controlado; 6) Com a atuação dos dispositivos controlados, a variável controlada atinge uma condição predeterminada, e os dispositivos sensores e de proteção atuam. 7) Um sinal de detecção, que significa condição da variável controlada, é enviado aos dispositivos de sinalização e/ou aos de processo, para a próxima sequência de operações. 8) Os dispositivos de sinalização indicam as condições de processo e da variável controlada ao operador. Dependendo do resultado dessa sinalização, o operador poderá acionar o dispositivo de comando quando necessário. Departamento Regional do Espírito Santo 18

19 2.2 CIRCUITO SEQUENCIAL Figura Conceito É um circuito lógico cujos valores de saída, num determinado instante, dependem tanto dos valores de entrada quanto do estado interno do dispositivo nesse instante, e cujo estado interno depende do valores de entrada imediatamente precedente. A denominação se deve ao fato de a sequência das mudanças das entradas influir no comportamento do circuito Análise de circuito O funcionamento de um circuito sequencial pode ser analisado através do diagrama de tempo ou do diagrama de transição. Departamento Regional do Espírito Santo 19

20 Exemplo : Equações : d d d = b h = d 1 0 = b 1 = (d 1.d + d 2.d 3 3 ).d 2 O funcionamento do circuito da figura 2.4 é mostrado nos diagramas de tempo (figura 2.5a e 2.6a) e de transição (figura.2.5b e 2.6b). a) Com acionamento de b 0 em primeiro lugar: Departamento Regional do Espírito Santo 20

21 OBSERVAÇÃO: No diagrama de transição, a indicação de um passo sem círculo representa um estado transitório. Por exemplo, na figura 2.5b, na posição 4, o relé d 3 está na energização e em 1 está na desenergização. Na mesma figura as indicações 1 e 0 significam lâmpada h acesa e apagada, respectivamente. b) Com acionamento de b 1 em primeiro lugar: Comparando os procedimento descritos anteriormente, verifica-se que a lâmpada h acendese somente quando b 0 é acionado em primeiro lugar Montagem de circuito com condições estabelecidas O circuito é montado a partir da equação que pode ser obtida do diagrama de tempo ou do diagrama de transição, com condições estabelecidas. Exemplo : Montar um circuito que contém duas botoeiras b 0 e b 1, um contador auxiliar d e uma lâmpada h, de modo que : 1 quando se apertar a botoeira b 1, a lâmpada h se acenda e permaneça acesa; 2 quando se apertar a botoeira b 0, a lâmpada h se apague e permaneça apagada; 3 quando se apertar as duas botoeiras b 0 e b 1 juntas, a lâmpada h permaneça acesa. Departamento Regional do Espírito Santo 21

22 Usando-se o diagrama de tempo da figura2.7. No diagrama de tempo temos : Passo 1 - o circuito não se altera; Passo 2 - aciona-se b 1, energizando d, e a lâmpada h se acende; Passo 3 - libera-se b 1, e a lâmpada h permanece acesa; Passo 4 - aciona-se b 0, desenergizando d, a lâmpada h se apaga e permanece apagada. Quando b 0 é liberado, o circuito volta à condição inicial. ou Passo 1 - o circuito não se altera; Passo 2 - aciona-se b 1, energizando d, e a lâmpada h se acende; Passo 3 - com b 1 acionado, aciona-se b 0 e a lâmpada h permanece acesa; Passo 4 - libera-se b 1 com b 0 ACIONADO, e a lâmpada h se apaga e permanece apagada. Quando b 0 é liberado, o circuito volta à condição inicial. Para se obter a equação do circuito, procede-se da seguinte maneira : 1 Na sequência Nesta sequência, o sinal que atua o relé d ( passo 2 ) é retirado, enquanto este está atuando (passo 3), sendo necessário neste caso a retenção. A equação de d é : condição inicial de condição de retenção d = +. d atuação do relé"d" do relé"d" Considera-se a condição inicial de atuação do relé ( no passo 2), que é b 0. b 1, e a seguir considera-se a condição de retenção do relé d (no passo 3), que é Departamento Regional do Espírito Santo 22

23 b0. b 1 Assim, a equação do relé d ( nos passos 2 e 3) é d = b0.b1 + b0.b1.d Observação : Todas as condições existentes para o relé, tanto inicial como todos os passos de retenção, devem ser consideradas. 2 Na sequência Nesta sequência, o sinal que atua o relé d se mantém enquanto este está atuando e, neste caso, a equação de d é : d = (todas as condições de atuação do relé) conforme se tem acima ( nos passos 2 e 3) d = b = 0.b1 + b0.b1 = b1(b0 + b0 ) b1 Considerando todas as condições, tem-se: d = b d = b (1 + b ) + b.b.d d = b 1 d = b b 1 + b.b.d + b + b.b.d + b d A configuração do circuito é mostrada na figura 2.8 Departamento Regional do Espírito Santo 23

24 2.3 CIRCUITOS BÁSICOS A seguir são mostrados alguns circuitos básicos de comando e acionamento elétrico Circuito de Retenção Nos circuitos da figura 2.9, apertando-se a botoeira b 1, a bobina do contator d é energizada, fazendo fechar os contatos de retenção d como também o contato d para a lâmpada e esta se acende. Liberando-se a botoeira b 1, a bobina mantém-se energizada, e a lâmpada h permanece acesa. Quando se apertar a botoeira b 0, a bobina será desenergizada, fazendo abrir os contatos de retenção para a lâmpada h, e esta se apaga. Libera-se b 0, a lâmpada permanece apagada e o circuito volta à condição inicial. Figura 2.9 Departamento Regional do Espírito Santo 24

25 Quando apertar as duas botoeiras b 0 e b 1 ao mesmo tempo, no circuito da figura 2.9a, a lâmpada h não se acende, porque a botoeira b 0 tem preferência na desenergização, e no circuito da figura 2.9b a lâmpada h se acende, porque a botoeira b 1 tem preferência na energização Circuito de Intertravamento Nos circuitos da figura 2.10, apertando-se a botoeira b 12 (ou b 13 ), a bobina do contator d 1 (ou d 2 ) é energizada, impossibilitando a energização da outra, e não deixando energizar as duas ao mesmo tempo, porque estão intertravadas. Figura 2.10 Quando se apertar as duas botoeiras b 12 e depois b 13, no circuito da figura 2.10(a), que tem intertravamento mecânico, com os contatos normalmente fechados das botoeiras conjugadas, as lâmpadas não se acendem, e, no circuito da figura 2.10(b), o intertravamento é elétrico com os contatos normalmente fechados dos contatores. Neste caso, a lâmpada h 12 se acende e h 13 não se acende. Na figura 2.11 é mostrado um circuito com retenção (selo) e intertravamento elétrico. Figura 2.11 Departamento Regional do Espírito Santo 25

26 Apertando-se a botoeira b 12 (ou b 13 ) a bobina do contator d 1 ( ou d 2 ) é energizada, o contato de selo d 1 (ou d 2 ) fecha-se mantendo a energização, o contato de intertravamento de d 1 (ou d 2 ) ligado em série com d 2 (ou d 1 ) impossibilita a energização das duas bobinas ao mesmo tempo. Para se energizar a bobina d 2 (ou d 1 ) é necessário apertar a botoeira b 0, desenergizando a bobina d 1 (ou d 2 ) antes de apertar b 13 (ou b 12 ). Neste circuito, quando se apertar b 12 e b 13 ao mesmo tempo, os dois contatores serão energizados instantaneamente até que um dos contatos de intertravamento abra. Na figura 2.12 são mostrados os circuitos de intertravamento mecânico e elétrico que oferecem maior segurança pela sua constituição. Figura 2.12 Quando a bobina do contator d 1 (ou d 2 ) estiver energizada, para se energizar a bobina do contator d 2 (ou d 1 ) no circuito da figura 2.12(a), é necessário primeiro apertar a botoeira b 0 e depois b 13 (ou b 12 ), ao passo que, no circuito da figura 2.12(b), não há necessidade de tal procedimento, porque, apertando-se b 13 (ou b 12 ), a bobina do contator d 1 (ou d 2 ) é desenergizada pelo contato de intertravamento da respectiva botoeira. Departamento Regional do Espírito Santo 26

27 2.3.3 Circuito de Prioridade a) Primeira ação Este circuito, figura 2.13, permite energizar somente o contator atuado em primeiro lugar. Figura 2.13 b) Última ação Este circuito, figura 2.14, permite a energização do contator acionado em último lugar. Figura 2.14 Departamento Regional do Espírito Santo 27

28 c) Primeiro lugar Este circuito, figura 2.15, permite a energização de qualquer contator em primeiro lugar. A seguir, só é possível a energização de um contator anterior, na sequência. Figura 2.15 d) Sequência Este circuito, figura 2.16, só permite a energização dos contatores em sequência, a partir do primeiro. Figura 2.16 Departamento Regional do Espírito Santo 28

29 2.3.4 Circuito Temporizado a) Liga retardado No circuito da figura 2.17(a), quando a chave seccionadora a é acionada, a lâmpada h se acende depois de um certo tempo t, ajustado no temporizador d. Liberando-se a chave a, a lâmpada h se apaga no mesmo instante. O circuito da figura 2.17(b) tem a mesma função do anterior, sendo que o acionamento é por botoeiras. Os diagramas de tempo são mostrados para cada circuito, respectivamente. Figura 2.17 Departamento Regional do Espírito Santo 29

30 b) Desliga retardado No circuito da figura 2.18(a), quando a chave seccionadora a é acionada, a lâmpada h acende-se no mesmo instante. Liberando-se a chave a, após um certo tempo t, ajustado no temporizador d 2, a lâmpada h se apaga. O circuito da figura 2.18(b) tem a mesma função do anterior, sendo que o acionamento é por botoeiras. Os diagramas de tempo são mostrados para cada circuito, respectivamente. Figura 2.18 c) Liga-desliga retardado No circuito da figura 2.19(a), quando a chave seccionadora a é acionada, depois de um certo tempo t, ajustado no temporizador d 1, a lâmpada h acende-se. Liberando-se a chave seccionadora a, depois de um certo tempo t 2, ajustado no temporizador d 2 a lâmpada h se apaga. O circuito da figura 2.19(b) tem a mesma função do anterior, sendo que o acionamento é por botoeiras. Os diagramas de tempo são mostrados para cada circuito, respectivamente. Departamento Regional do Espírito Santo 30

31 Figura 2.19 d) Ação temporizada No circuito da figura 2.20(a), quando a chave seccionadora a é acionada, a lâmpada h se acende no mesmo instante e se mantém acesa durante um certo tempo t, ajustado no temporizador d. O circuito figura 2.20(b) tem a mesma função do anterior, sendo que o acionamento é por botoeiras. Os diagramas de tempo são mostrados para cada circuito, respectivamente. Figura 2.20 Departamento Regional do Espírito Santo 31

32 e) Liga retardado com ação temporizada No circuito da figura 2.21(a), quando a chave seccionadora a é acionada, após um certo t 1, ajustado no temporizador d 1, a lâmpada h se acende e se mantém acesa durante um certo tempo t 2, ajustado no temporizador d 2. O circuito da figura 2.21(b) tem a mesma função do anterior, sendo que o acionamento é por botoeiras. Os diagramas de tempo são mostrados para cada circuito, respectivamente. f) Ação liga-desliga (pisca-pisca) Figura 2.21 No circuito da figura 2.22(a), quando a chave seccionadora a é acionada, a lâmpada h se acende no mesmo instante e se mantém acesa durante um certo tempo t 1, ajustado no temporizador d 1, e se mantém apagada durante um certo tempo t 2, ajustado no temporizador d 2. A lâmpada h se mantém nesses estados, acesa e apagada, até que a chave seccionadora a seja liberada. O circuito da figura 2.22(b) tem a mesma função do anterior, só que o acionamento é por botoeiras. Os diagramas de tempo são mostrados para cada circuito, respectivamente. Departamento Regional do Espírito Santo 32

33 g) Retenção retardada Figura 2.22 No circuito da figura 2.23(a), para a lâmpada h se acender, a botoeira b 1 deve ficar acionada durante um tempo superior ao tempo t, ajustado no temporizador d 1. Caso contrário, a lâmpada h não se acende. O diagrama de tempo do circuito é mostrado na figura 2.23(b). Figura 2.23 Departamento Regional do Espírito Santo 33

34 3 DIAGRAMAS DE COMANDO 3.1 INTRODUÇÃO Os diagramas elétricos têm por finalidade representar claramente os circuitos elétricos sob vários aspectos, de acordo com os objetivos : - funcionamento sequencial dos circuitos; - representação dos elementos, suas funções e as interligações conforme as normas estabelecidas; - permitir uma visão analítica das partes do conjunto; - permitir a rápida localização física dos elementos Tipos de diagrama Diagrama tradicional ou multifilar completo É o que representa o circuito elétrico da forma como é realizado. É de difícil interpretação e elaboração, quando se trata de circuitos mais complexos ( figura 3.1). Figura 3.1 Departamento Regional do Espírito Santo 34

35 Para a interpretação dos circuitos elétricos, três aspectos básicos são importantes, ou seja: - os caminhos da corrente, ou os circuitos que se estabelecem desde o início até o fim do processo de funcionamento; - a função de cada elemento no conjunto, sua dependência e interdependência em relação a outros elementos; - a localização física dos elementos. Em razão das dificuldades apresentadas pelo diagrama tradicional, esses três aspectos importantes foram separados em duas partes, representadas pelo diagrama funcional e pelo diagrama de execução ou de disposição. Na primeira parte, os caminhos da corrente, os elementos, suas funções, interdependência e sequência funcional são representados de forma bastante prática e de fácil compreensão (diagrama funcional) figuras 3.2 e 3.3. Figura 3.2 Figura 3.3 Departamento Regional do Espírito Santo 35

36 Na Segunda parte temos a representação, a identificação e a localização física dos elementos (diagrama de execução ou de disposição ) figura 3.4. Figura 3.4 Assim, o funcional se preocupa com os circuitos, elementos e funções; o de disposição, com a disposição física desses elementos. Combinando-se esses dois tipos, os objetivos propostos são alcançados de maneira prática e racional. O diagrama de execução pode apresentar também o circuito de força Identificação dos componentes no diagrama funcional Os componentes no diagrama são representados conforme a simbologia adotada e identificados por letras e números ou símbolos gráficos. Identificação por letras e números: Departamento Regional do Espírito Santo 36

37 Identificação por símbolos gráficos: Dessa forma, os retângulos ou círculos simbolizam os componentes, e as letras C 1, C 2, C 3 ou L, Y e indicam, respectivamente, um determinado contator que está localizado no circuito de potência. A letra L e os símbolos Y e indicam sua função que pode ser : L corresponde à linha, Y corresponde à ligação estrela, corresponde à ligação triângulo. Da mesma forma, as indicações C 1, C 2, e C 3, etc, correspondem a contatores cujas funções serão conhecidas pelo diagrama de potência ( figuras 3.5 à 3.7). Departamento Regional do Espírito Santo 37

38 Departamento Regional do Espírito Santo 38

39 3.1.3 Identificação Literal de Elementos EXEMPLOS NORMAS VDE Departamento Regional do Espírito Santo 39

40 Departamento Regional do Espírito Santo 40

41 3.2 INTERTRAVAMENTO DE CONTATORES É um sistema elétrico ou mecânico destinado a evitar que dois ou mais contatores se fecham, acidentalmente, ao mesmo tempo provocando curto-circuito ou mudança de sequência de funcionamento de um determinado circuito. Figura Intertravamento Elétrico a) Por contatos auxiliares do contator : Neste processo é inserido um contator auxiliar tipo NF (normalmente fechado) de um contator do circuito de comando, que alimenta a bobina de outro controlador. Deste modo, faz-se com que o funcionamento de um dependa do outro ( figura 3.8). Departamento Regional do Espírito Santo 41

42 b) Por botões conjugados : Neste processo, os botões são inseridos no circuito de comando de forma que, ao ser acionado para comandar um contator, haja a interrupção do outro ( botão b 1, fechador(contato normalmente aberto - NA) de C 1, conjugado com b 1, abridor(nf) de C 2, e b 2, fechador de C 2, conjugado com b 2, abridor de C 1 ). OBS.: Quando possível, devem-se usar os dois processos ( a e b) de intertravamento Intertravamento Mecânico por balancim Neste processo é colocado nos contatores um dispositivo mecânico, composto por um apoio e uma régua ( balancim). Esse balancim faz intertravamento dos contatores. Quando um contator é acionado, atua sobre um extremo de régua, fazendo com que a outra extremidade impeça o acionamento do outro contator. Este processo é muito usado, quando a corrente é bastante elevada e há possibilidade de soldagem dos contatos. Figura 3.9 Departamento Regional do Espírito Santo 42

43 3.3 - SISTEMA DE PARTIDA DE MOTORES TRIFÁSICOS As partidas de motores trifásicos podem ser diretas, estrela-triângulo, com compensadores ou ainda por resistências rotóricas (Motor Rotor Bobinado). A instalação desses sistemas obedece critérios técnicos e legais, de acordo com as normas da ABNT para instalações de baixa tensão. Potência do motor Conforme a região do país, cada fornecedor de energia elétrica permitirá a partida direta de motores de determinada potência. Quando for necessário um dispositivo de partida com tensão reduzida ou corrente reduzida, o sistema será determinado pela carga, conforme as possibilidades ou características. Considerando-se as possibilidades, o motor pode partir a vazio até a plena rotação, e sua carga deve ser incrementada paulatinamente, até o limite nominal. Tipo de carga Quando as condições da rede exigirem partida com tensão ou corrente reduzida, o sistema será determinado pela carga, conforme as possibilidades ou tipo de carga. a) Considerando-se as possibilidades, o motor pode partir a vazio até a plena rotação, e sua carga incrementa até o limite nominal. Exemplos: Serra circular, torno ou compressor que deve partir com as válvulas abertas. Neste caso, a partida pode ser em estrela-triângulo. b) O motor deve partir com carga ou com um conjugado de resistente em torno de 50%. Exemplos: Calandras, bombas, britadores. Neste caso, emprega-se a chave compressora, utilizando-se os taps de 65% ou de 80% de transformador. c) O motor deve partir com rotação controlada, porém com torque bastante elevado. Exemplos: Pontes rolantes, betoneiras, máquinas de off-set. Neste caso, utiliza-se o motor rotor bobinado Comparação entre sistemas de partida Partida direta Na partida direta à plena tensão, o motor de rotor gaiola pode partir à plena carga e com a corrente elevando-se de 5 a 6 vezes à nominal, conforme o tipo e número de pólos. De acordo com o gráfico da figura 3.10, a corrente de partida (curva a ) é igual a 6 vezes a Departamento Regional do Espírito Santo 43

44 corrente nominal. O conjugado na partida atinge aproximadamente 1,5 do conjugado nominal. Partida estrela-triângulo Figura 3.10 É fundamental para a partida com a chave estrela-triângulo, que o motor tenha a possibilidade de ligação em dupla tensão, ou seja, em 220/380V em 380/660V. Os motores deverão ter, no mínimo, 6 bornes de ligação. A partida estrela-triângulo poderá ser usada quando a curva de conjugados do motor for suficientemente elevada para poder garantir a aceleração da máquina com a corrente reduzida para 25 a 30% da corrente de partida direta. A curva do conjugado é reduzida na mesma proporção. Por esse motivo, sempre que for necessário uma partida estrela-triângulo, deverá ser usado um motor com elevada curva de conjugado. Exemplo de cálculo da potência de um motor em estrela e triângulo: Um motor trifásico ligado a uma rede de 220V absorve da linha 208A, quando ligado em triângulo. 208 A corrente na fase desse motor será de = 120A Esse motor ligado em estrela estará sob uma tensão de fase de = 120V 3 Havendo uma redução de tensão de fase, consequentemente haverá uma redução na corrente. 220 V 120A 127 V X 127x120 X = = 69,3 A 220 A corrente de linha em triângulo é de 208A. Em estrela, a corrente de linha é de 69,3A, o que representa aproximadamente 30% de 208A. Na partida em estrela, a corrente de partida é de 1,5 a 2 vezes a corrente nominal, mas o conjugado de partida é um quarto do conjugado máximo ( 25 a 30%). Na partida em triângulo, os conjugados de partida são máximos, mas a corrente é aproximadamente 6 vezes a corrente nominal. Departamento Regional do Espírito Santo 44

45 Como exemplo, nas figuras 3.11 e 3.12 temos a ligação estrela-triângulo de um motor, com cargas diferentes, apresentando dados comparativos em % pelas curvas de corrente e conjugados. Na figura 3.11 temos um alto conjugado resistente MR. Se a partida for em Y, o motor acelerará a carga até a velocidade ny, ou aproximadamente 85% da rotação nominal. Nesse ponto, a chave deverá ser ligada em. Acontece nesse caso que a corrente, que era aproximadamente a nominal, ou seja, 100%, passa repentinamente para 300%, o que não é nenhuma vantagem, uma vez que na partida a corrente era somente 170 %. Na figura 3.12, temos o motor com as mesmas características, porém o momento resistente MR é bem menor. Na ligação Y, o motor acelera a carga até 95% da rotação nominal. Quando a chave é ligada em, a corrente, que era aproximadamente 60 %, sobe para 190 %, ou seja, praticamente igual à da partida em Y. Nesse caso, a ligação estrela-triângulo apresenta vantagem, porque, se fosse ligado direto, absorveria na rede 500% da corrente nominal. A chave estrela-triângulo em geral só pode ser empregada em partidas de máquinas a vazio, isto é, sem carga. Somente depois de ter atingido 95% da rotação nominal, a carga poderá ser ligada. O exemplo típico acima pode ser de um grande compressor. Na figura 3.11, seria partida com carga, isto é, assim que começa a girar, Departamento Regional do Espírito Santo 45

46 a máquina já comprime o ar, mas geralmente isso não acontece. Os compressores partem a vazio, isto é, com todas as válvulas abertas (figura 3.12). Só quando atinge a rotação nominal, as válvulas se fecham, e a máquina começa a comprimir o ar. Partida com a chave compensadora Podemos usar a chave compensadora para dar partida em motores sob carga A chave compensadora reduz a corrente de partida, evitando uma sobrecarga na rede de alimentação, deixando, porém, o motor com um conjugado suficiente para a partida e aceleração. Figura 3.13 A tensão na chave compensadora é reduzida através de autotransformador, que possui normalmente taps de 65 a 80% da tensão nominal. Exemplo: Um motor ligado à rede de 220V absorve 100A. Se for ligado ao autotransformador no tap de 65%, a tensão aplicada nos bornes será de: U. 0,65 = 220 x 0,65 = 143V A corrente nos bornes do motor, em virtude da redução da tensão, é reduzida também em 65%: Im = I.0,65 = 100 x 0,65 = 65A. Como a potência em VA no primário do autotransformador é aproximadamente igual à do secundário, temos: VA no secundário = 143 x65x 3 = VA Para encontrarmos a corrente absorvida da linha, temos: VA I L = = = 42,25 A U x 3 O conjugado de partida é proporcional ao quadrado da tensão aplicada aos bornes do motor. No caso do exemplo anterior, é 0,65 x 0,65 = 0,42, ou seja, aproximadamente metade do conjugado nominal. No tap de 80% teríamos um conjugado de 0,8 x 0,8 = 0,64, ou seja, dois terços do conjugado nominal. A corrente seria: I = I x 0,8 = 80 x 0,8 64A L M = Departamento Regional do Espírito Santo 46

47 Partida rotórica É o sistema de partida de onde se utiliza um motor de rotor bobinado com reostato regulável. Esse motor apresenta elevado torque na partida em baixa velocidade. É de construção bem mais cara, porém, apresenta grandes vantagens, conforme a aplicação. Pelo gráfico (3.14) abaixo, podemos comparar o torque com resistências desse tipo de motor que possui características peculiares. Verificamos que a corrente de partida é aproximadamente 2 vezes a nominal (curva a) e que o torque é aproximadamente 240% do torque nominal (curva b). Pode partir, portanto, com baixa rotação e torque elevadíssimo. Figura Ligação de Motores Trifásicos de 6 terminais para tensão nominal de 220 ou 380V. Ligação em triângulo para 220V Figura 3.15 Departamento Regional do Espírito Santo 47

48 Ligação em estrela (Y) para 380 V Figura Ligação de Motores Trifásicos de 12 terminais para tensão nominal de 220 ou 380V. Ligação em triângulo paralelo para 220V Figura 3.17 Ligação em estrela paralelo (Y) para 380 V Figura 3.18 Departamento Regional do Espírito Santo 48

49 3.3.4 Ligação de Motores Trifásicos de 12 terminais para tensão nominal de 440 ou 760V. Ligação em triângulo série para 440V Ligação em estrela série (Y) para 760 V Figura 3.19 Figura 3.20 Departamento Regional do Espírito Santo 49

50 3.3.5 Ligação de Motores Monofásicos de fase auxiliar para tensão nominal de 110 ou 220V. Ligação para 110V Ligação para 220V Figura 3.21 Figura COMANDO DE UM CONTATOR POR BOTÕES OU CHAVE Comandar um contator é a ação que se executa ao acionar um botão abridor, botão fechador ou chave de pólo. Isto é feito para que a bobina do eletroimã seja alimentada e feche os contatos principais, ou perca a alimentação, abrindo-os Sequência operacional Start: Estando sob tensão os bornes R, S e T ( figura 3.23 e 3.24), e apertando-se o botão b 1, a bobina do contator C 1 será energizada. Esta ação faz fechar o contato de retenção C 1, que manterá a bobina energizada; O s contatos principais de fecharão, e o motor funcionará. Stop : Para interromper o funcionamento do contator, pulsamos o botão b 0 ; este abrirá, eliminando a alimentação da bobina, o que provocará a abertura de contato de retenção C 1 e, consequentemente, dos contatos principais, e a partida do motor. Departamento Regional do Espírito Santo 50

51 Nota : Um contator pode ser comandado também por uma chave de um pólo (figura 3.25). Neste caso, eliminam-se os botões b 0, b 1 e o contato de retenção C 1, e introduz-se no circuito de comando a chave b 1. Departamento Regional do Espírito Santo 51

52 Figura REVERSÃO DE ROTAÇÃO DE MOTOR TRIFÁSICO COM CONTATORES COMANDADOS POR BOTÕES A reversão do sentido de rotação de um motor trifásico é feita pela inversão de duas de suas fases de alimentação. Esse trabalho é realizado por dois contatores, comandados por 2 botões conjugados, cujo acionamento permite obter-se rotações no sentidos horário e anti-horário Sequência operacional a) Ligação do motor em um sentido: (figuras 3.26 e 3.27). Estando sob tensão os bornes R, S e T e pulsando-se o botão conjugado b 1, a bobina do contator C 1 será alimentada, fechando o contato de retenção C 1, o qual a mantém energizada. Permanecendo energizada a bobina do contator C 1, haverá o fechamento dos contatos principais e o acionamento do motor num sentido. b) Inversão do sentido de rotação de motor: Pulsando-se o botão conjugado b 2, a bobina do contator C 2 será alimentada, provocando o fechamento do contato de retenção C 2, o qual mantém energizada. Permanecendo energizada a bobina do contator C 2, haverá o fechamento dos contatos. Permanecendo energizada a bobina do contator C 2, haverá o fechamento dos contatos principais e o acionamento do motor no sentido inverso. Departamento Regional do Espírito Santo 52

53 Figura 3.26 Figura 3.27 OBSERVAÇÃO: A fim de se evitarem elevados valores de correntes de pico, sempre que possível, deve-se esperar a parada do motor, para se processar a reversão da rotação. Em tornos mecânicos em geral, assim como em outros tipos de máquinas, às vezes se faz necessário aplicar a frenagem por contracorrente, para se conseguir inverter rapidamente a rotação Segurança do sistema a) Por meio dos botões conjugados: Pulsando-se o botão conjugado b 1 ou b 2, são simultaneamente acionados os seus contatos abridor e fechador, de modo que o contato abridor atue antes do fechador (intertravamento mecânico). b) Por meio de contatos auxiliares: Os contatos abridores C 1 e C 2 impossibilitam a energização de uma bobina, quando a outra será energizada, (intertravamento magnético). Departamento Regional do Espírito Santo 53

54 3.6 REVERSÃO DE ROTAÇÃO DE MOTOR TRIFÁSICO COM CONTATORES E CHAVES FIM DE CURSO Quando há necessidade de controlar o movimento de avanço ou retrocesso automático de um dispositivo motorizado de uma máquina, empregam-se contatores comandados por chaves fim de curso ( figuras 3.28 e 3.29 ). As chaves de fim de curso são acionadas mecanicamente pelas réguas com ressaltos ( cames) existentes na parte móvel do dispositivo da máquina. Figura 3.28 Figura Sequência operacional a)ligação do motor para movimentar dispositivo em um sentido: Estando sob tensão os bornes R, S e T e pulsando-se o botão conjugado b 1, a bobina do contator C 1 será alimentada, provocando o fechamento do contato de retenção C 1, o qual a mantém energizada, e o fechamento dos contatos principais. O acionamento do motor num sentido impulsiona, consequentemente, um dispositivo, até atingir o limite de fim de curso, quando abrirá seu contato b 3, desligando a bobina C 1. Departamento Regional do Espírito Santo 54

55 Desenergizada a bobina C 1, os contatos principais se abrem, cortando a alimentação do motor. b) inversão do sentido de movimento do dispositivo: Pulsando-se o botão conjugado b 2, a bobina do contator C 2 será alimentada, fechando o contato de retenção C 2, o qual mantém energizada. Estando energizada a bobina de C 2, haverá o fechamento dos contatos principais e o acionamento do motor e do dispositivo da máquina, até que esta atinja o limite de fim de curso. Quando a chave de fim de curso for atingida, seu contato b 4 se abrirá, desligando a bobina de C 2. Desenergizada a bobina de C 2, os contatos principais se abrem, cortando a alimentação do motor Acionamento parcial do dispositivo Quando o motor está funcionando, pulsando-se o botão b 0, para-se o movimento do dispositivo em qualquer ponto de percurso. A retomada do movimento no mesmo sentido ou no inverso é possível, pulsando-se os botões b 1 ou b Segurança do sistema pelos botões conjugados Pulsando-se o botão conjugado b 1 ou b 2, são simultaneamente acionados os seus contatos abridor e fechador, de modo que o contato atue antes do fechador, proporcionando intertravamento mecânico Segurança do sistema pelos contatos auxiliares Os contatos abridores C 1 e C 2 impossibilitam a energização de uma bobina, quando a outra está energizada. (Intertravamento elétrico). 3.7 PARTIDA COM COMUTAÇÃO AUTOMÁTICA ESTRELA-TRIÂNGULO DE UM MOTOR É a partida executada automaticamente de um motor trifásico em Y, com comutação para ; feita por meio de 3 contatores comandados por botões. Este sistema de ligação é utilizado VL para reduzir a tensão de fase do motor( V F = = 0,58. VL ) durante a partida. 3 Departamento Regional do Espírito Santo 55

56 Sequência operacional Partida do motor em estrela, estando C 1, C 2 e C 3 desligados (figuras 3.30 e 3.31). Estando sob tensão os bornes R, S e T, e pulsando-se o botão b 1, a bobina do contator C 2 e o relé temporizador d 1 serão alimentados, fechando o contato de retenção de C 2 que mantêm energizadas as bobinas dos contatores C 1 e C 2, respectivamente, e o relé temporizador d 1. Permanecendo energizadas as bobinas dos contatores C 2 e C 1, haverá o fechamento dos contatos principais e, consequentemente, o acionamento do motor em estrela. Decorrido o tempo para o qual foi ajustado o relé temporizador d 1, este opera, desligando o contato abridor d 1, que desenergizará a bobina do contator C 2, acarretando a abertura de seus contatos principais. Estando desenergizada a bobina C 2, o contato abridor C 2 (31-32) retorna, energizando a bobina C 3, que acionará o motor em triângulo Parada do motor Estando o motor funcionando em triângulo e pulsando-se o botão b 0, interrompe-se a energização da bobina C 1, que abrirá os contatos C 1 ( 13-14) e C 1 (23 24), interrompendo a corrente da bobina C 3. Consequentemente, o motor ficará energizado Segurança do sistema Estando o motor em marcha na ligação triângulo, o contato C 3 (31-32) fica aberto, impedindo a energização acidental da bobina C 2. Departamento Regional do Espírito Santo 56

57 3.8 PARTIDA AUTOMÁTICA DO MOTOR TRIFÁSICO COM AUTOTRANSFORMADOR A partida automática com autotransformador permite que o motor inicie seu funcionamento com tensão reduzida e, após um tempo determinado, passe automaticamente à plena tensão. Tem sobre a partida manual estas vantagens : - Não exige esforço físico do operador; - Permite comando à distância; - A comutação da tensão reduzida para tensão realiza-se no tempo previsto e ajustado, independente da ação do operador. Figura Figura 3.33 Departamento Regional do Espírito Santo 57

58 Sequência operacional Partida de motor com tensão reduzida: contatores C 1, C 2, C 3 e relé de tempo desligados (figuras 3.19 e 3.20). Estando sob tensão os bornes R, S, T e pulsando-se o botão b 1, a bobina do contator C 1 fica energizada, assim como o relé temporizador d 1. Os contatos C 1 (13-14) e C 1 (23-24) se fecham, conservando energizada a bobina de C 3, colocando o motor em funcionamento. Com a alimentação da bobina C 3, os contatos C 3 (13-14) e C 3 (23-24) se fecham, tornando a bobina de C 3 independente do contato C 1 (13-14). Como as bobinas de C 1 e de C 3 estão energizadas, os contatos principais de C 1 e C 3 estão fechados, e o motor está alimentado com a tensão reduzida, iniciando a partida Comutação Decorrido o tempo preestabelecido, o relé temporizador d 1 comuta, desenergizando a bobina de C 1 e energizando a bobina de C 2. Permanecendo energizada a bobina de C 2, os contatos de C 2 (13-14) se fecham e os C 2 (41-42) se abrem, provocando a desenergização da bobina de C 3. Os contatos principais de C 3 se abrem e os de C 2 se fecham; e o motor é alimentado com tensão plena ( tensão nominal). 3.9 PARTIDA COM MOTOR TRIFÁSICO DE ROTOR BOBINADO COM COMUTAÇÃO AUTOMÁTICA DE RESISTORES Neste tipo de partida, o circuito de comando faz a eliminação dos estágios de resistores automaticamente. O tempo necessário entre a partida e as sucessivas retiradas dos resistores do circuito do rotor bobinado, até curtocircuitá-lo, é determinado por relés temporizados (figuras 3.34 e 3.35). Departamento Regional do Espírito Santo 58

59 Sequência operacional 1 estágio de partida: Contatores C 1, C 11, C 12, C 13, relés temporizados d 1 e d 2, e relé auxiliar d 3 desenergizados. Pulsando-se o botão b 1, as bobinas de C 1 e d 1 são energizadas simultaneamente e permanecem ligadas pelo contato de retenção comum C 1 (13-14). Estando energizada a bobina C 1, seus contatos principais se fecham, e o motor começa a funcionar com todos os resistores intercalados no circuito de induzido (r 1, r 2 e r 3 ). 2 estágio de partida: Decorrido o tempo ajustado, o relé d 1 opera, fechando o seu contato d 1 (15-18), energizando C 11, que assim permanece por meio de seu contato de retenção C 11 (13-14). Ao mesmo tempo, o contato fechador de C 11 (23-24) energiza o relé d 2 e desenergiza a bobina de d 1, através de C 11 (41-42). Estando alimentada a bobina de C 11, seus contatos principais se fecham, retirando do circuito o resistor r 1. 3 estágio de partida: Decorrido o tempo ajustado para d 2, ocorre a sua operação, e o contato d 2 (15-18) energiza C 12 que assim mantém por meio de seu contato de retenção C 12 (13-14). Nesse instante, desenergiza-se C 11, voltando seus contatos à posição de repouso. O contato C 12 (23-24) se fecha, alimentando d 3, que fechará d 3 (23-24), energizando novamente d 1. Energizada a bobina de C 12, seus contatos principais se fecham, retirando de circuito o resistor r 2. Departamento Regional do Espírito Santo 59

60 4 estágio de partida: Decorrido o tempo ajustado para d 1, ocorre a sua operação, e seu contato d 1 (15-18) se fecha, alimentando C 13, que permanece energizado por seu contato de retenção, e abre o contato de C 13 (41-42), que volta os demais à condição inicial. Energizando C 13, seus contatos principais fecham-se, o resistor r 3 é eliminado, e o rotor é curto-circuitado PARTIDA CONSECUTIVA DE MOTORES COM RELÉS TEMPORIZADOS É um sistema de comando automático que permite a partida de 2 ou mais motores, obedecendo a uma sequência preestabelecida. Os intervalos de tempo entre as sucessivas partidas são determinados pela regulagem de relés temporizados ( figuras 3.36 e 3.37). Departamento Regional do Espírito Santo 60

61 Departamento Regional do Espírito Santo 61

62 Sequência operacional Pulsando-se b 1, o contator C 1 e o relé d 1 são energizados e o motor m 1 parte. Decorrido o tempo ajustado para d 1, este energiza C 2 e d 2 e o motor m 2 parte. Decorrido o tempo ajustado para d 2, este energiza C 3 e d 3 e o motor m 3 parte. Após o tempo ajustado para d 3, este energiza C 4, dando a partida a m 4, último motor de sequência. Se houvesse mais motores, o processo continuaria de forma idêntica PARTIDA AUTOMÁTICA E FRENAGEM ELETROMAGNÉTICA DE MOTOR TRIFÁSICO NOS DOIS SENTIDOS DE ROTAÇÃO É um sistema de comando elétrico que permite a partida automática, a troca de sentido de rotação e a frenagem eletromagnética por corrente retificada (figuras 3.38 e 3.39) Sequência operacional Partida e rotação no sentido anti-horário : Pulsando-se b 1, energiza-se C 1. O motor será ligado e girará no sentido anti-horário. Obs.: É imprescindível que o motor esteja parado para que se possa dar partida no sentido desejado. Partida no sentido anti-horário :Pulsando-se b 2, energiza-se C 2. O motor será ligado no sentido anti-horário. Frenagem : Estando o motor girando num sentido ou noutro, pulsando-se b 0, desenergiza-se C 1 ou C 2, energiza-se C 3 e C 4 e o motor é frenado. C 1 e C 2 se intertravam. C 3 e C 4 travam C 1 e C 2. Departamento Regional do Espírito Santo 62

63 4 O CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL SURGIMENTO DO CONTROLADOR PROGRAMÁVEL O controlador programável surgiu em Anteriormente a isso, o hardware do controle sequencial era dominado principalmente pelos relés. No que concerne aos dispositivos de controle de sequência que utilizam os relés, apresentavam as desvantagens a seguir discriminadas: - mau contato; - desgastes dos contatos; - necessidade de instalação de inúmeros relés, execução de fiação entre os inúmeros terminais de contatos e de bobinas; - complexidade na introdução de alteração na sequência; - necessidade de manutenções periódicas. Apesar de apresentarem todas as desvantagens acima citadas, os relés se tornaram elementos principais do hardware de controle de sequência em razão de não haver, na época, elementos que pudessem substitui-los eficazmente. No final da década de 60, iniciou-se o desenvolvimento de microcomputadores, utilizando-se o circuito integrado (Cl), e a universalidade da capacidade de processamento dos mesmos tornou-se o centro das atenções, aguardando-se com enorme expectativa o surgimento do hardware para controle dotado de grande versatilidade de processamento. Por outro lado, inicia-se a era da produção em grande escala, e os assuntos, como automação, incremento da produtividade, uniformidade na qualidade e outros, transformam-se em temas principais nas estações de trabalho, e a solução desses problemas era exigida também pelo lado da tecnologia de controle de sequência. Na época, a General Motors (GM - empresa automobilística americana) anunciou 10 itens relativos às condições que um novo dispositivo eletrônico de controle de sequência deveria atender para que pudesse substituir os tradicionais relés. Os itens são os seguintes: 1. Facilidade de programação, de alteração do programa, inclusive nas estações de trabalho; 2. Facilidade na manutenção, desejável que fosse totalmente do tipo de encaixar (plug-inunit); 3. A confiabilidade na estação de trabalho deverá ser superior em relação ao painel de controle do tipo com relés; 4. Deverá ser mais compacto que o painel de controle do tipo com relés; 5. Possibilitar o envio direto de dados à unidade central de processamento de dados; 6. Deverá ser economicamente competitivo com o painel de controle do tipo com relés; 7. Possibilitar entradas com níveis de tensão alternada da ordem de 11 5[V]; 8. As saídas deverão ser em 11 5[V] C.A. com capacidade superior a 2[A] de intensidade de corrente; deverá ainda possibilitar a operação das válvulas solenóides, comando para partida de motores e outros; 9. Com um mínimo de alteração, possibilitar a ampliação do sistema básico; 10. Deverá estar dotado de memória programável que possa ser ampliada até 4k WORDS no mínimo. Departamento Regional do Espírito Santo 63

64 Assim, baseando-se nesses 10 itens acima mencionados, a partir de 1969 foram lançados uma série de produtos denominados PLC (Programmable Logic Controller - Controlador Lógico Programável), através de diversas empresas americanas. Como pano de fundo tecnológico para o surgimento do PLC, houve a evolução das tecnologias de computação e semicondutores, especialmente a tecnologia de CIs, possibilitando a substituição do sistema de controle por relés, que havia atingido o seu limite de possibilidades. As características do PLC elaborado segundo as especificações dos 10 itens da GM são a seguir discriminadas: - Como se trata de dispositivo que utiliza o elemento semicondutor em substituição aos relés, o controle será do tipo sem contato; - Enquanto o conteúdo do controle dos sistemas convencionais se realiza pela execução de fiação entre os contatos dos relés, no caso do PLC será realizado através de programa; - Embora seja o PLC um dispositivo que utiliza o semicondutor, poderá utilizar energia para entrada e saída nas faixas de 115[V] e 220[V], 2[A] diretamente em corrente alternada; - Poderá adequar ao sistema a capacidade ideal do PLC, segundo a dimensão do controle a ser realizado. Originalmente, o PLC surgiu como um dispositivo de controle tipo universal, que pudesse substituir os sistemas de relés e, posteriormente, com a evolução das tecnologias de computação e dos CI s, desenvolveu-se tornando possível a redução de custo, compactação, elevação das funções e outros, até atingir a maturidade como sendo hardware principal para controle sequencial. Com a evolução, foi eliminado o termo logic do nome PLC, passando este dispositivo a ser chamado de PC - Controlador Programável (Programmable Controller) Com o passar do tempo os controladores programáveis passaram a tratar variáveis analógicas e no inicio dos anos oitenta incorporaram a função do controle de malhas de instrumentação, com algoritmos de controle proporcionais, integrais e derivativos (PID). Ainda na década de oitenta com a evolução dos microcomputadores e das redes de comunicação entre os PLC's, os quais passaram a elevar sua performance, permitindo que vários controladores programáveis pudessem partilhar os dados em tempo real e que nesta mesma rede estivessem conectados vários microcomputadores, os quais através de um software de supervisão e controle, podiam monitorar, visualizar e comandar o processo como um todo a partir de uma sala de controle distante do processo. Como resumo, podemos classificar historicamente o PLC como segue : 1 a. Geração : Os PLCs de primeira geração se caracterizam pela programação intimamente ligada ao hardware do equipamento. A linguagem utilizada era o Assembly que variava de acordo com o processador utilizado no projeto do PLC, ou seja, para poder programar era necessário conhecer a eletrônica do projeto do PLC. Assim a tarefa de programação era desenvolvida por uma equipe técnica altamente qualificada, gravando-se o programa em memória EPROM, sendo realizada normalmente no laboratório junto com a construção do PLC. Departamento Regional do Espírito Santo 64

65 2 a. Geração : Aparecem as primeiras Linguagens de Programação não tão dependentes do hardware do equipamento, possíveis pela inclusão de um Programa Monitor no PLC, o qual converte ( no jargão técnico,compila), as instruções do programa, verifica o estado das entradas, compara com as instruções do programa do usuário e altera o estados das saídas. Os Terminais de Programação ( ou Maletas, como eram conhecidas ) eram na verdade Programadores de Memória EPROM. As memórias depois de programadas eram colocadas no PLC para que o programa do usuário fosse executado. 3 a. Geração : Os PLC s passam a ter uma Entrada de Programação, onde um Teclado ou Programador Portátil é conectado, podendo alterar, apagar, gravar o programa do usuário, além de realizar testes ( Debug ) no equipamento e no programa. A estrutura física também sofre alterações sendo a tendência para os Sistemas Modulares com Bastidores ou Racks. 4 a. Geração : Com a popularização e a diminuição dos preços dos micro - computadores (normalmente clones do IBM PC ), os PLCs passaram a incluir uma entrada para a comunicação serial. Com o auxílio do microcomputadores a tarefa de programação passou a ser realizada nestes. As vantagens eram a utilização de várias representações das linguagens, possibilidade de simulações e testes, treinamento e ajuda por parte do software de programação, possibilidade de armazenamento de vários programas no micro, etc. 5 a. Geração : Atualmente existe uma preocupação em padronizar protocolos de comunicação para os PLCs, de modo a proporcionar que o equipamento de um fabricante converse com o equipamento outro fabricante, não só PLCs, como Controladores de Processos, Sistemas Supervisórios, Redes Internas de Comunicação e etc., proporcionando uma integração afim de facilitar a automação, gerenciamento e desenvolvimento de plantas industriais mais flexíveis e normalizadas, fruto da chamada Globalização. Existe uma Fundação Mundial para o estabelecimento de normas e protocolos de comunicação INTRODUÇÃO DA TECNOLOGIA DE CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS PLC s Hard Logic para Soft Logic a) Hard Logic Quando se elabora uma sequência de controle utilizando os relés convencionais e/ou módulos lógicos de estado sólido, a lógica do sistema será de acordo com a fiação executada entre esses dispositivos, sendo que a sequência de controle é do tipo hard wired logic ou simplesmente hard logic (lógica de interligação dos dispositivos por meio de fiação elétrica). A alteração na lógica significa realizar alterações na fiação. Dessa forma existem diversos pontos deficientes, enumerados a seguir: 1. Problemas relacionados ao projeto e fabricação: A elaboração do diagrama da sequência depende, na maioria dos casos, da capacidade ou Departamento Regional do Espírito Santo 65

66 experiência pessoal do indivíduo. Assim, além do diagrama de sequência propriamente dito, outros inúmeros serviços relacionados, como diagrama de fiação entre os componentes, layout dos componentes, determinação das espécies de fios e cabos e outros, têm que ser projetados. Por outro lado, quando se deseja introduzir alterações do sistema já pronto, tem-se que efetuar adição e/ou deslocamento de componentes e da fiação, acarretando um alto custo com relação ao tempo e à mão-de-obra. 2. Problemas relativos à operação experimental e ajustes: Para efetuar a verificação no caso em que o projeto da sequência foi elaborado corretamente ou as fiações foram executadas conforme o projeto, é necessário efetuar testes de continuidade, utilizando aparelhos de testes apropriados. Além disso, nos ajustes de campo com a sequência acoplada às partes mecânicas há a necessidade de assistência e orientação de técnicos de grande experiência. 3. Problemas relativos à instalação, montagem e manutenção: Como o hard logic toma um espaço muito grande, encontra-se normalmente dificuldade no lay-out, além da necessidade de se efetuar a manutenção periódica das partes móveis (contatos, etc.) e, ainda, manter um estoque de peças sobressalentes considerando-se a vida útil das mesmas. 4. Problemas relativos à função: Como existe um limite de tempo para acionamento dos relés, o hard logic não é indicado para equipamentos que requerem alta velocidade de controle. Além disso, torna-se extremamente difícil o controle de um sistema com hard logic quando o mesmo necessita de memorização temporária, processamento e comparação de valores numéricos. b) Soft Logic O computador nada poderá fazer se for constituído apenas por hardware. As suas funções serão ativadas somente quando houver um programa denominado software. Os computadores, através de programas ou software, podem realizar cálculos das folhas de pagamentos, assim como, cálculos de equações das mais complexas. Isto significa que, com um mesmo hardware, a lógica poderá ser alterada através de um software denominado programa. Ou seja, a lógica do computador é um soft logic. Aplicando o mesmo raciocínio de controle sequencial, pode-se dizer que as fiações que compõem a lógica do circuito de relés, poderão ser substituídas pelo software, denomina-se soft wired logic (lógica de interligação dos dispositivos por meio de programas). Para realizar o controle sequencial através do soft Iogic, ter-se-á que dotar o hardware de um dispositivo de memória, tal qual no computador, e nele armazenar uma série de programas. Esses equipamentos que objetivam o controle sequencial, são denominados Stored Program System Controller ou Programmable Controller (PLC) - Controlador Programável, ou ainda, abreviadamente, PLC. Departamento Regional do Espírito Santo 66

67 c) Significado da lógica por software O fato de se transformar a lógica da sequência em software significa que as atribuições das fiações do hard logic serão executadas pelo soft logic. Por conseguinte, o hardware poderá ser constituído por um equipamento standard. Isso foi possível através da padronização do controle sequencial, solucionando uma grande parte dos problemas que existiam tradicionalmente nos painéis de relés, além de possibilitar a promoção da automação e racionalização em níveis cada vez mais elevados. Na tabela 4.1, indica-se a comparação entre o tradicional painel de relés e o PLC e verifica-se que, em praticamente todos os aspectos, o PLC apresenta-se com maiores vantagens. Dessa forma, com a introdução da tecnologia de computação, surgiu o controlador programável, proporcionando uma evolução excepcional no controle sequencial. Departamento Regional do Espírito Santo 67

68 Departamento Regional do Espírito Santo 68

69 Diferenças entre o PLC e o Computador O PLC é um novo equipamento que surgiu com o advento da tecnologia do computador, sendo sua utilização voltada à estação de trabalho. Assim, se o PLC for comparado ao computador utilizado em escritórios, tanto o hardware quanto o software são significamente diferentes. a) Hardware O computador é um equipamento destinado a efetuar cálculos de alto nível e processamento de dados, de sorte que as entradas e saídas, como discos magnéticos e impressoras, são projetadas para atender às necessidades do computador. Portanto, os dispositivos de computação e de memória que correspondem ao cérebro, ocupam um grande espaço, e as entradas e saídas, que correspondem aos braços e pernas, são relativamente pequenas. Dessa forma, pode-se dizer que o computador é um superdotado de cabeça gigantesca com estrutura frágil, que trabalha com baixa tensão, tendo que ser instalado em sala climatizada, ou seja, um local de bom ambiente. Em relação a isso, o PLC surgiu com o objetivo de substituir os painéis de relés. Assim, suas entradas e saídas são constituídas pelas chaves fim de curso, válvulas solenóides e outros, sendo, na maioria, equipamentos de alta tensão e corrente. Além disso, estão sujeitos aos ruídos provenientes das máquinas e equipamentos existentes nas estações de trabalho, assim como, severas condições de temperatura e partículas suspensas na atmosfera. Como as partes que realizam a computação são constituídas de componentes eletrônicos de baixa tensão, como no caso dos CIs, será necessário instalar nas portas de entrada e saída os circuitos para transformação e amplificação de sinais e, ainda, conforme o caso, circuito para eliminação de ruídos. Além disso, sua estrutura construtiva deverá ter uma proteção robusta para resistir às severas condições do local de instalação. b) Software Nos programas de computador são utilizadas as linguagens como C, C++, Pascal e outras, e as mesmas podem ser utilizadas apenas pelos especialistas que tiveram os cursos específicos para esse fim. Por outro lado, no caso do PLC, a linguagem é idealizada de tal forma que as pessoas ligadas diretamente à operação de máquinas e equipamentos, ao planejamento de instalações elétricas e à manutenção possam entendê-la, utilizando códigos e/ou linguagens mais próximos das sequências dos circuitos tradicionais, ou seja, no que se refere à programação, foi idealizada para que se possa programar utilizando códigos obtidos através do fluxograma e do diagrama de tempo (time chart) do sistema a ser controlado, sendo essa programação realizável por qualquer pessoa com um treinamento relativamente simples. Dessa forma, embora o PLC seja tecnologicamente um computador, em termos de utilização é um equipamento de controle local. Departamento Regional do Espírito Santo 69

70 Evolução do Controle Sequencial O controle sequencial evoluiu de painel de relés para o método de programa armazenado. No período inicial, o método de programa armazenado partiu do método discreto com circuitos transistorizados e, em termos de funções não passava de simples substituição dos painéis de relés. Contudo, ultimamente, com o advento do microcomputador que surgiu da tecnologia do LSI (Large Scale Integration - Integração de Grande Capacidade), foram adicionadas as funções que não havia nos painéis de relés, como cálculo comparativo, computação e outros. Além disso, esse método não se restringe apenas ao controle sequencial, sendo utilizado, por exemplo, no controle digital a realimentação (feed-back) e, assim, tendo a sua utilização ampliada para o controle de uma forma global. O microprocessador é excelente para essas funções e pode-se dizer que o controle sequencial está passando da fase do PLC de simples substituição de painéis de relés (primeira geração) para o PLC de alto nível (segunda geração) ARQUITETURA DO CONTROLADOR PROGRAMAVEL Constituição Geral, Princípio de funcionamento e Operação a) Constituição geral Como o controlador programável - PLC - será instalado na estação de trabalho da linha de produção para operação e controle de equipamentos, dispositivos e máquinas, o mesmo é constituído com robustez para resistir às condições desfavoráveis de um local de produção, como vibração, ruídos, partículas em suspensão. etc., além da facilidade na sua manipulação. Departamento Regional do Espírito Santo 70

71 Outro aspecto e a sua composição, que é executada de tal forma que possibilite a utilização através de combinações mais adequadas, selecionando a escala e funções segundo o objeto de controle. Indica-se na figura 4.1 a constituição de um PLC. Assim, tem-se a CPU (Central Processing Unit) ou UCP (Unidade Central de Processamento), que corresponde ao cérebro humano, as unidades de entradas e saídas para intercâmbio de sinais entre os equipamentos, dispositivos e máquinas, a fonte para fornecimento de energia elétrica, além dos equipamentos periféricos para incrementar a operacionalidade do PLC. Figura 4.1 Constituição fundamental de um PC b) Princípio de Funcionamento - Diagrama em Blocos Figura 4.2 Diagrama em Blocos do Funcionamento de um PLC Departamento Regional do Espírito Santo 71

72 Inicialização No momento em que é ligado o PLC executa uma série de operações pré programadas, gravadas em seu Programa Monitor : - Verifica o funcionamento eletrônico da C.P.U., memórias e circuitos auxiliares; - Verifica a configuração interna e compara com os circuitos instalados; - Verifica o estado das chaves principais ( RUN / STOP, PROG, etc. ); - Desativa todas as saídas; - Verifica a existência de um programa de usuário; - Emite um aviso de erro caso algum dos itens acima falhe. Verificar Estado das Entradas O PLC lê o estados de cada uma das entradas, verificando se alguma foi acionada. O processo de leitura recebe o nome de Ciclo de Varredura ( Scan ) e normalmente é de alguns micro segundos ( scan time ). Transferir para a Memória Após o Ciclo de Varredura, o PLC armazena os resultados obtidos em uma região de memória chamada de Memória Imagem das Entradas e Saídas. Ela recebe este nome por ser um espelho do estado das entradas e saídas. Esta memória será consultada pelo PLC no decorrer do processamento do programa do usuário. Comparar com o Programa do Usuário O PLC ao executar o programa do usuário, após consultar a Memória Imagem das Entradas, atualiza o estado da Memória Imagem das Saídas, de acordo com as instruções definidas pelo usuário em seu programa. Atualizar o Estado das Saídas O PLC escreve o valor contido na Memória das Saídas, atualizando as interfaces ou módulos de saída. Inicia se então, um novo ciclo de varredura. Departamento Regional do Espírito Santo 72

73 Estrutura Interna do PLC O PLC é um sistema microprocessado, ou seja, constituí se de um microprocessador ( ou microcontrolador ), um Programa Monitor, uma Memória de Programa, uma Memória de Dados, uma ou mais Interfaces de Entrada, uma ou mais Interfaces de Saída e Circuitos Auxiliares. Fonte de Alimentação A Fonte de Alimentação tem normalmente as seguintes funções básicas : - Converter a tensão da rede elétrica ( 110 ou 220 VCA ) para a tensão de alimentação dos circuitos eletrônicos, (+ 5Vcc para o microprocessador, memórias e circuitos auxiliares e +/- 12 Vcc para a comunicação com o programador ou computador ); - Manter a carga da bateria, nos sistemas que utilizam relógio em tempo real e Memória do tipo R.ªM.; - Fornecer tensão para alimentação das entradas e saídas ( 12 ou 24 Vcc ). Unidade Central de Processamento : Também chamada de C.P.U. é responsável pela funcionamento lógico de todos os circuitos. Nos PLC s modulares a CPU está em uma placa ( ou módulo ) separada das demais, podendo-se achar combinações de CPU e Fonte de Alimentação. Nos PLC s de menor porte a CPU e os demais circuitos estão todos em único módulo. As características mais comuns são : - Microprocessadores ou Microcontroladores de 8, 16 ou 32 bits ( INTEL 80xx, MOTOROLA 68xx, ZILOG Z80xx, PIC 16xx ); - Endereçamento de memória de até centenas de Mega Byte; - Velocidades de CLOCK variando de 4 a 100 MHZ; - Manipulação de dados decimais, octais e hexadecimais. Bateria As baterias são usadas nos PLC s para manter o circuito do Relógio em Tempo Real, reter parâmetros ou programas ( em memórias do tipo RAM ),mesmo em caso de corte de energia, guardar configurações de equipamentos etc. Normalmente são utilizadas baterias recarregáveis do tipo Ni Ca ou Li. Neste casos, incorporam se circuitos carregadores. Departamento Regional do Espírito Santo 73

74 Memória do Programa Monitor O Programa Monitor é o responsável pelo funcionamento geral do PLC. Ele é o responsável pelo gerenciamento de todas as atividades do PLC. Não pode ser alterado pelo usuário e fica armazenado em memórias do tipo PROM, EPROM ou EEPROM. Ele funciona de maneira similar ao Sistema Operacional dos microcomputadores. É o Programa Monitor que permite a transferência de programas entre um microcomputador ou Terminal de Programação e o PLC, gerenciar o estado da bateria do sistema, controlar os diversos opcionais etc. Memória do Usuário É onde se armazena o programa da aplicação desenvolvido pelo usuário. Pode ser alterada pelo usuário, já que uma das vantagens do uso de PLC s é a flexibilidade de programação. Inicialmente era constituída de memórias do tipo EPROM, sendo hoje utilizadas memórias do tipo RAM ( cujo programa é mantido pelo uso de baterias ), EEPROM e FLASH- EPROM, sendo também comum o uso de cartuchos de memória, que permite a troca do programa com a troca do cartucho de memória. A capacidade desta memória varia bastante de acordo com o marca/modelo do PLC, sendo normalmente dimensionadas em Passos de Programa. Memória de Dados É a região de memória destinada a armazenar os dados do programa do usuário. Estes dados são valores de temporizadores, valores de contadores, códigos de erro, senhas de acesso, etc. São normalmente partes da memória RAM do PLC. São valores armazenados que serão consultados e ou alterados durante a execução do programa do usuário. Em alguns PLC s, utiliza-se a bateria para reter os valores desta memória no caso de uma queda de energia. Memória Imagem das Entradas / Saídas Sempre que a CPU executa um ciclo de leitura das entradas ou executa uma modificação nas saídas, ela armazena o estados da cada uma das entradas ou saídas em uma região de memória denominada Memória Imagem das Entradas / Saídas. Essa região de memória funciona como uma espécie de tabela onde a CPU irá obter informações das entradas ou saídas para tomar as decisões durante o processamento do programa do usuário. Departamento Regional do Espírito Santo 74

75 Circuitos Auxiliares São circuitos responsáveis para atuar em casos de falha do PLC. Alguns deles são : - POWER ON RESET : Quando se energiza um equipamento eletrônico digital, não é possível prever o estado lógico dos circuitos internos. Para que não ocorra um acionamento indevido de uma saída, que pode causar um acidente, existe um circuito encarregado de desligar as saídas no instante em que se energiza o equipamento. Assim que o microprocessador assume o controle do equipamento esse circuito é desabilitado. - POWER DOWN: O caso inverso ocorre quando um equipamento é subitamente desenergizado. O conteúdo das memórias pode ser perdido. Existe um circuito responsável por monitorar a tensão de alimentação, e em caso do valor desta cair abaixo de um limite pré determinado, o circuito é acionado interrompendo o processamento para avisar o microprocessador e armazenar o conteúdo das memórias em tempo hábil. - WATCH-DOG TIMER : Para garantir no caso de falha do microprocessador, o programa não entre em loop, o que seria um desastre, existe um circuito denominado Cão de Guarda, que deve ser acionado em intervalos de tempo pré determinados. Caso não seja acionado, ele assume o controle do circuito sinalizando um falha geral. Módulos ou Interfaces de Entrada : São circuitos utilizados para adequar eletricamente os sinais de entrada para que possa ser processado pela CPU ( ou microprocessador ) do PLC. Temos dois tipos básicos de entrada: as digitais e as analógicas. Entradas Digitais São aquelas que possuem apenas dois estados possíveis, ligado ou desligado, e alguns dos exemplos de dispositivos que podem ser ligados a elas são : - Botoeiras; - Chaves ( ou micro ) fim de curso; - Sensores de proximidade indutivos ou capacitivos; - Chaves comutadoras; - Termostatos; - Pressostatos; - Controle de nível ( bóia );Etc. Departamento Regional do Espírito Santo 75

76 As entradas digitais podem ser construídas para operarem em corrente contínua ( 24 Vcc ) ou em corrente alternada ( 110 ou 220 Vca ). Podem ser também do tipo N ( NPN ) ou do tipo P(PNP ). No caso do tipo N, é necessário fornecer o potencial negativo ( terra ou neutro ) da fonte de alimentação ao borne de entrada para que a mesma seja ativada. No caso do tipo P é necessário fornecer o potencial positivo ( fase ) ao borne de entrada. Em qualquer dos tipos é de praxe existir uma isolação galvânica entre o circuito de entrada e a CPU. Esta isolação é feita normalmente através de optoacopladores. As entradas de 24 Vcc são utilizadas quando a distância entre os dispositivos de entrada e o PLC não excedam 50 m. Caso contrário, o nível de ruído pode provocar disparos acidentais. Exemplo de circuito de entrada digital 24 Vcc ENTRADA 24 VCC CPU Figura 4.3 Entrada Digital 24Vcc Exemplo de circuito de entrada digital 110 / 220 Vca : 110/220 C.P.U. Figura 4.4 Entrada Digital 110/220 Vca Departamento Regional do Espírito Santo 76

77 Entradas Analógicas As Interfaces de Entrada Analógica, permitem que o PLC possa manipular grandezas analógicas, enviadas normalmente por sensores eletrônicos. As grandezas analógicas elétricas tratadas por estes módulos são normalmente tensão e corrente. No caso de tensão as faixas de utilização são : 0 á 10 Vcc, 0 á 5 Vcc, 1 á 5 Vcc, -5 á +5 Vcc, -10 á +10 Vcc ( no caso as interfaces que permitem entradas positivas e negativas são chamadas de Entradas Diferenciais), e no caso de corrente, as faixas utilizadas são : 0 á 20 ma, 4 á 20 ma. Os principais dispositivos utilizados com as entradas analógicas são : - Sensores de pressão manométrica; - Sensores de pressão mecânica ( strain gauges - utilizados em células de carga ); - Taco-geradores para medição rotação de eixos; - Transmissores de temperatura; - Transmissores de umidade relativa; - Etc. Uma informação importante a respeito das entradas analógicas é a sua resolução. Esta é normalmente medida em Bits. Uma entrada analógica com um maior número de bits permite uma melhor representação da grandeza analógica. Por exemplo : Uma placa de entrada analógica de 0 á 10 VCC com uma resolução de 8 bits permite uma sensibilidade de 39,2 mv, enquanto que a mesma faixa em uma entrada de 12 bits permite uma sensibilidade de 2,4 mv e uma de 16 bits permite uma sensibilidade de 0,2 mv. Exemplo de um circuito de entrada analógico : ENTRADA C.P.U. Figura 4.5 Entrada Analógica Departamento Regional do Espírito Santo 77

78 Módulos Especiais de Entrada Existem módulos especiais de entrada com funções bastante especializadas. Alguns exemplos são : - Módulos Contadores de Fase Única; - Módulos Contadores de Dupla Fase; - Módulos para Encoder Incremental; - Módulos para Encoder Absoluto; - Módulos para Termopares ( Tipo J, K, L, S, etc ); - Módulos para Termoresistências ( PT-100, Ni-100, Cu-25,etc); - Módulos para Sensores de Ponte Balanceada do tipo Strain - Gauges; - Módulos para leitura de grandezas elétricas ( KW, KWh, KQ, KQh, cos Fi, I, V, etc). Módulos ou Interfaces de Saída : Os Módulos ou Interfaces de Saída adequam eletricamente os sinais vindos do microprocessador para que possamos atuar nos circuitos controlados. Existem dois tipos básicos de interfaces de saída : as digitais e as analógicas. Saídas Digitais As saídas digitais admitem apenas dois estados : ligado e desligado. Podemos com elas controlar dispositivos do tipo : - Relés ; - Contatores ; - Relés de estado - sólido - Solenóides; - Válvulas ; - Inversores de Frequência; - Etc. As saídas digitais podem ser construídas de três formas básicas : Saída digital à Relé, Saída digital 24 Vcc e Saída digital à Triac. Nos três casos, também é de praxe, prover o circuito de um isolamento galvânico, normalmente opto - acoplado. Exemplo de saída digital à relé : CPU SAÍDA Figura 4.6 Saída Digital a Relé Departamento Regional do Espírito Santo 78

79 Exemplo de saída digital à transistor : C.P.U. SAÍDA Figura 4.7 Saída Digital à Transistor Exemplo de saída digital à Triac : CPU SAÍDA Figura 4.8 Saída Digital à TRIAC Saídas Analógicas Os módulos ou interfaces de saída analógica converte valores numéricos, em sinais de saída em tensão ou corrente. No caso de tensão normalmente 0 à 10 Vcc ou 0 à 5 Vcc, e no caso de corrente de 0 à 20 ma ou 4 à 20 ma. Estes sinais são utilizados para controlar dispositivos atuadores do tipo : - Válvulas proporcionais; - Motores C.C.; - Servo Motores C.C; - Inversores de Frequência; - Posicionadores rotativos; - Etc. Departamento Regional do Espírito Santo 79

80 Exemplo de circuito de saída analógico : 8 bits Figura 4.9 Saída Analógica Existem também módulos de saída especiais. Alguns exemplos são : - Módulos P.W.M. para controle de motores C.C.; - Módulos para controle de Servomotores; - Módulos para controle de Motores de Passo ( Step Motor ); - Módulos para I.H.M. ( Interface Homem Máquina ); - Etc Auto-avaliação de Defeitos O PLC é o centro nervoso do sistema, de sorte que, se ocorrer alguma falha no mesmo, poderá causar erro na execução do programa, colocando em risco todo o sistema sob controle. Assim sendo, quando ocorrer alguma falha no sistema do PLC, é muito importante identificar rapidamente a localização do defeito, se é interno ou externo ao PLC. Caso o defeito for interno, verificar se é no hardware ou no software; se não ruídos, etc. Para fazer frente a esses problemas, formam-se diversas providências, como, por exemplo, a elaboração de programa do sistema que permite descobrir facilmente os defeitos, mesmo sendo no próprio sistema do PLC. A função de auto-avaliação de defeitos é muito importante como meio de prevenção de falhas, reduzindo significantemente o tempo inativo (Down time). Através dessa função, o próprio PLC faz a avaliação do defeito que tenha ocorrido no hardware, indicando o local avariado. Dessa forma, descobre-se o local defeituoso, permitindo então uma rápida restauração do sistema. Departamento Regional do Espírito Santo 80

81 O exemplo constante da tabela 4.5 refere-se a um modelo de auto-avaliação de defeitos, apresentado normalmente pelos fabricantes. Isto é, no que se refere à unidade de computação, existem: verificador de processamento e computação, que faz executar um programa de processamento modelo e compara o seu resultado com um valor correto existente; o watch dog timer, que faz a verificação quanto ao congestionamento do processamento e computação; e, também, o verificador de programas, que efetua a checagem dos erros de determinação de endereços, erros de sintaxe, erro de estrutura de circuito programado, etc. Na unidade de memória, por exemplo, existe o verificador de paridade que, acessado o conteúdo da memória tipo RAM, verifica se a quantidade de números 1 existente em cada endereço se encontra permanentemente ordenada em número ímpar (ou par). Quando o sistema utiliza memória tipo ROM. devido às suas características, não se utiliza o método de verificação de paridade e sim o chamado verificador de soma total de memória (Sum check), que soma os dados de cada endereço de memória, gravando o valor total no último endereço, desconsiderando OVERFLOW. Desta forma, quando em operação, pode-se verificar se a comunicação entre a CPU e a unidade de memória tipo ROM está correta, somando-se os dados de cada endereço e comparando a soma total com o valor gravado no último endereço. Para as unidades de entrada/saída, existe o verificador de barramento (bus check), que efetua a verificação da paridade dos barramentos entre a CPU e unidade E/S e também o sistema duplo de verificação (dual system), que, dobrando cada circuito de entrada, faz a comparação de ambos os dados de entrada para a verificação da coincidência (este tipo é utilizado em sistemas onde se exige grande segurança e alta confiabilidade). Na fonte de energia, existem os sistemas de anunciadores de alarme, que informam anormalidades como sobretensão, sobrecorrente, elevação de temperatura e outros. Departamento Regional do Espírito Santo 81

82 4.4 PROGRAMAÇÃO DE PLC S Considerações sobre programação e métodos de programação a) Considerações sobre programação Quando se deseja efetuar o controle de aparelhos, dispositivos e máquinas através de um PLC, é necessário que o conteúdo de controle seja previamente gravado na unidade de memória do PLC. Assim, o controlador programável executará fielmente o controle das máquinas e dispositivos, conforme a instrução do conteúdo de controle. Por exemplo, mesmo que se deseje gravar uma instrução de controle, como A lâmpada h deverá acender-se somente quando as botoeiras b 0 e b 1 estiverem pressionadas ao mesmo tempo, como o PLC não entende a linguagem humana de uso cotidiano, a gravação terá que ser efetuada com termos compreensíveis pelas máquinas. Assim, denomina-se programa a frase escrita segundo uma sequência definida, observando rigorosamente uma determinada regra com os termos que podem ser compreendidos pelas máquinas, e programação, a elaboração desse programa e a subsequente gravação do mesmo na memória. b) Métodos de programação Na comunicação entre homens existe o português, o inglês, e assim por diante. Do mesmo modo, para a comunicação com PC s, existem diversos tipos de linguagem de acordo com o fabricante e o modelo do equipamento. Em geral, os usuários dos PLCs são pessoas treinadas para a utilização de máquinas e equipamentos, manipulação de circuitos elétricos, etc. Assim, foram idealizadas diversas linguagens de programação para que fossem acessíveis para essas pessoas. Classificando essas linguagens, tem-se : método de diagrama de circuitos, que consiste em transformar diagrama de circuito elétrico em linguagem de programação; método de diagrama funcional, no qual programam-se os movimentos ou operação da máquina ao PLC. Figura 4.10 Métodos de programação Departamento Regional do Espírito Santo 82

83 No caso de método de diagrama de circuito, elabora-se primeiramente o diagrama através dos recursos de circuitos a relés ou símbolos lógicos, para posteriormente transformar em programas. Trata-se de um método bastante eficaz para técnicos da área elétrica treinados em circuitos sequenciais. No que concerne ao método de transformação, existem três, a saber: - Diagrama Ladder (ladder symbol circuit); - Diagrama de portas lógicas; - Diagrama de lista de instruções. Na utilização do método de diagrama ladder, é necessário o display para indicação do desenho. Devido às facilidades que o método oferece em termos de desenhar e indicar diretamente os circuitos de relés, ultimamente o presente método está sendo o mais utilizado em termos de métodos de programação. Por outro lado, no caso do método de diagrama funcional, trata-se de método no qual transfere-se o movimento ou operação do objeto de controle para um fluxograma (flow chart), introduzindo diretamente no PLC, sem necessidade de elaborar o diagrama de circuito sequencial. Assim, trata-se de um método eficaz para as pessoas habituadas a lidar com programação de computadores inclusive técnicos da área de mecânica e afins. Esse método também é classificado em outros dois, a saber: método de fluxograma e método sequencial (passo a passo). 1) Método de diagrama de circuito A seguir, será efetuada uma explanação sobre diversos exemplos de programação sobre um circuito a relés do mais simples, como no caso de um circuito de retenção. Figura 4.11 Exemplo de programa elaborado segundo o método de diagrama de circuito Departamento Regional do Espírito Santo 83

84 No método de diagrama ladder, o esquema do circuito deverá ser substituído pelos símbolos ou códigos ladder. A seguir, pressionando sequencialmente as teclas que indicam os símbolos ladder e as linha de conexão, dever-se-á traçar o circuito no display e, à medida que se for concluindo, gravá-la na memória por unidade de circuito. Nesse método, a programação poderá ser efetuada confirmando passo a passo o seu encaminhamento, sendo assim o método mais intuitivo e simples. Entretanto, como necessita do display, se o PLC for de pequeno porte, o seu custo relativo (do display) será muito alto. No método de apresentação por porta lógica, dever-se-á elaborar o esquema do circuito utilizando os símbolos lógicos que indicam AND, OR, NOT, pressionando as teclas segundo o fluxo de sinais. Por outro lado, no método de equação lógica, adotando o método de entrada pela transformação do esquema do circuito em equação algébrica booleana, representando a ligação série com, a paralela com ± e a saída com = e utilizando os números de entrada e saídas, elaborar a equação lógica e digitar no teclado. No presente método, será necessário um certo treinamento para transformar o diagrama do circuito em equação lógica. Contudo, assim que estiver suficientemente treinado, o usuário poderá elaborar facilmente a equação de qualquer circuito, mesmo os mais complexos, e, ainda, se utilizar convenientemente os parenteses ( ) poderá elaborar programas muito eficazes, mesmo dispondo de limitada capacidade de memória. O método de instrução consiste em elaborar o programa substituindo o esquema do circuito por determinados termos de instrução (LOAD, AND, OR, NOT, etc), tratando-se do método de programação que mais se aproxima da metodologia de computação. 2) Método de diagrama funcional No método de diagrama de circuito, foi visto que inicialmente as ações ou operações das máquinas eram apresentadas em termos de circuitos para posterior transformação em programas. Entretanto, no caso do método de diagrama funcional, as ações ou operações das máquinas poderão ser diretamente transformadas em programa, sem necessidade de elaboração prévia do circuito elétrico. No que se refere ao método de fluxograma, as ações ou operações das máquinas e dispositivos são representadas através de fluxograma. O PLC que adota esse método, proporciona facilidades quanto à execução das derivações, de acordo com situações de entradas e saídas ou saltos (jump) a um endereço distante. Departamento Regional do Espírito Santo 84

85 Fig Exemplo de programa com o método de diagrama funcional. O método sequencial é um método dos mais simples em termos de diagrama de tempo e é indicado para manipulação do programa do tipo em que a operação global de controle é dividida em pequenas etapas em uma determinada sequência; por exemplo: se a operação contida no 1 passo for encerrada, passará para o 2 passo e assim sucessivamente. Esse método surgiu como substituto ao do tipo came rotativo e quadro de controle perfurado (pin board), que eram destinados ao controle de programas de pequeno porte. Contudo, trata-se de método dotado de função de alto nível, utilizando as características como salto (jump), repetição, temporizador, contador e armazenamento de programas Sequência para PLC s Como o PLC surgiu inicialmente em substituição aos painéis de relés, o método de programação foi baseado principalmente nos circuitos a relés (doravante será designado sequência de relés) e, assim, utiliza-se com maior intensidade o método de diagrama de circuitos. Além disso, dentro do método de diagrama de circuitos, os mais adotados são o de equação lógica, que proporciona grande facilidade na representação de circuito a relés, e o de diagrama ladder. Assim, no presente item, será efetuada a explanação sobre o procedimento para programação, fundamentando-se nesses dois métodos. a) Significado de sequência para PLC Por princípio, a parte interna de um controlador programável é uma concentração de componentes eletrônicos como o LSI (Large Scale lntegration), de sorte que não há bobinas e contatos como no caso dos circuitos a relés, e, além disso, as fiações que unem os contatos com as bobinas, são processadas pelo software. Por outro lado, em se tratando de acionamento, o PLC é completamente diferente da sequência de relés, onde, com a excitação da bobina, ocorre o fechamento de um contato com a ativação do circuito. No caso do PC, trata-se do método em que se faz a exploração (scanning) periódica da memória com uma Departamento Regional do Espírito Santo 85

86 frequência determinada e, procedendo a leitura do seu conteúdo, executa a operação conforme determinado pelo mesmo. Portanto, quando se for elaborar o programa da sequência para o PLC, ter-se-á que levar esse fato em conta. Por outro lado, ao se utilizar a sequência elaborada, tendo em mente a ação dos relés, será necessário introduzir no PLC algumas adaptações. Os programas para PLC assim elaborados serão doravante denominados sequência para PLC. b) Considerações sobre sequência para PLC Na elaboração de sequência para PLC, o primeiro item a ser considerado é a diferença de função proveniente da diferença de principio de funcionamento. (1 ) O controle do PLC é do tipo processamento linear ou seriado. Conforme explanado anteriormente, como o PLC executa a computação pelo método de exploração, se tomar um instante qualquer durante o seu processamento, observa-se que o mesmo estará executando apenas uma tarefa. (2) Limitação no que se refere ao número de contatos a serem utilizados. Para cada relé, normalmente há uma limitação no número de contatos que esse poderá possuir. Para tanto, quando se elabora uma sequência de relés, procura-se economizar o número de contatos, para reduzir o número de relés a serem utilizados. Em relação a isso, o sinal de entrada do PLC, uma vez tendo sido introduzido, pode ser utilizado inúmeras vezes dentro da sequência, e o próprio sinal de saída também poderá ser utilizado inúmeras vezes. Portanto, a sequência poderá ser elaborada sem maiores problemas, não havendo necessidade de se preocupar com o número de contatos como no caso da sequência de relés. (3) Circuito de interligação e circuitos em ponte No circuito a relés, há casos em que inesperadamente ocorre algum desvio e ocasiona erro de operação. Além disso, com o intuito de economizar o número de contatos, pode-se montar circuitos em ponte. Na sequência para PLC, um mesmo contato poderá ser utilizado ilimitadamente. Assim, no PLC não haverá necessidade de utilizar esses circuitos perigosos, que poderão tornar-se causadores de erros, ou outras técnicas mais complexas. Portanto, Departamento Regional do Espírito Santo 86

87 utilizando ilimitadamente os contatos, pode-se elaborar sequências simples e de fácil compreensão Sequência de Programação O programa deverá ser elaborado obedecendo a seguinte rotina: - distribuição das entradas e saídas; - elaboração do diagrama de conexão de entradas e saídas; - elaboração da sequência para PLC; - distribuição das saídas internas, temporizadas e contadores; - codificação (coding) e carregamento (loading) a) Distribuição das entradas e saídas Inicialmente, deve-se classificar o número dos equipamentos externos que serão conectados às unidades de entradas e saídas e, efetuando uma nova classificação, de acordo com as especificações elétricas, deve-se definir a quantidade de módulos de entradas e saídas necessárias. No que se refere aos módulos de E/S, geralmente cada módulo pode controlar 8 ou 16 pontos dos equipamentos externos. Assim, deve-se dividir o total de pontos a serem controlados pelo número de pontos de cada módulo e, definir a quantidade de módulos de entradas e saídas. Assim que a quantidade de módulos E/S for definida, deve-se definir o seu lay-out. Para tanto, é necessário distribuir os módulos nas posições que facilitam a execução da fiação dos equipamentos externos. Existem inúmeros equipamentos que são conectados como elementos de entradas e saídas e assim, no diagrama de circuito elétrico, os mesmos são normalmente identificados com abreviaturas como b 0 (botoeira), VS (válvula solenóide), etc. Entretanto, essas abreviaturas adotadas são incompreensíveis para os PLC s. As únicas palavras compreensíveis para os PLC s são os números específicos atribuídos aos seus terminais de entrada e saída. Assim, os equipamentos representados pelas abreviaturas (b 0, VS, etc.) são identificados pelos números dos terminais onde serão conectados, para que o controlador programável possa identificá-los. Por exemplo, na tabela 4.7, distribuíram-se os módulos de entrada de n 100 e os de saídas na de n 300 e fez-se, a seguir, a distribuição dos equipamentos externos em cada um dos números (terminais) de entradas e saídas correspondentes. Departamento Regional do Espírito Santo 87

88 b) Elaboração do diagrama de conexão de entradas e saídas Quando se for efetuar a distribuição das entradas e saídas, no caso de componentes que integram o esquema em grande quantidade, como no caso das botoeiras, chaves fim-de-curso, etc., existem dois métodos de distribuição, a saber: a primeira consiste em distribuir na sequência b 0, b 1,..., para um mesmo equipamento, e a segunda, em distribuir pela fiação proveniente de uma mesma direção, de acordo com a posição ou direção em que se encontra o equipamento. Sobre esse assunto, durante a elaboração do diagrama de conexão de entradas e saídas, é importante estudar e definir qual dos dois métodos deve ser aplicado, considerando a obra de fiação que terá que ser executada. Além disso, deve-se identificar se os sinais provenientes dos equipamentos de entrada estão conectados através de contatos abridores ou fechadores, pois, caso contrário, será difícil avaliar durante a elaboração do programa se há ou não a necessidade de se utilizar código (comando) de inversão. Dessa forma, como o diagrama de conexão de entradas e saídas torna-se um instrumento fundamental para a programação e obra de fiação, o mesmo deve ser elaborado em primeiro lugar, juntamente com a distribuição das entradas e saídas. Departamento Regional do Espírito Santo 88

89 Figura 4.14 Diagrama de conexão das entradas e saídas c) Elaboração da sequência para PLC Inicialmente, na elaboração da sequência para PLC, não há necessidade de se pensar em economia de contatos, como no caso da sequência de relés, bastando que se transfiram diretamente para a sequência as ações ou operações do sistema a ser controlado. Por outro lado, se houver uma sequência de relés já pronta, deve-se então reelaborá-la para o PLC. Figura 4.15 Elaboração de sequência para PLC Baseando-se no diagrama de sequência do circuito de partida/parada indicado na figura 4.15, será explanada a rotina de elaboração do programa (sequência lógica). Existem as botoeiras para parada (b 0 ) e partida (b 1 ), que estão conectadas aos terminais 100 e 101, respectivamente, do módulo de entradas e a saída conectada ao terminal 300 do módulo de saídas. Por conseguinte, o programa será elaborado utilizando-se esses números. A entrada 100 utiliza um contato abridor, e a 101 um fechador. Departamento Regional do Espírito Santo 89

90 Figura 4.16 Rotina para elaboração da sequência lógica 1) Deve-se extrair os elementos do programa de tal forma que permaneçam uma bobina e o bloco de contatos a ela conectados. 2) A fiação de conexão série entre os contatos, ou entre os contatos e o circuito paralelo, deve ser substituída pelo símbolo. que significa AND (E). 3) A fiação da parte inicial do circuito paralelo deve ser substituída pelo símbolo ( (abertura de parênteses). 4) O circuito paralelo deve ser substituído pelo símbolo +, que significa OR (OU). 5) A fiação na parte final do circuito paralelo deve ser substituída pelo símbolo ) (fechamento de parênteses). 6) A fiação à bobina deve ser substituída pelo símbolo =. 7) Como o terminal de número 100 é do tipo contato abridor (NF), então, invertendo a entrada 100, obtém-se 100 e assim o programa será: 100. ( ) = 300. Na sequência descrita, todas as fiações foram substituídas por instruções. A sequência lógica representada pelas instruções AND., OR + e IGUAL = será compreensível pelo PLC e esse será o seu programa. d) Distribuição das saídas internas, temporizadores e contadores No PLC existem as unidades de entrada e saída que realizam o intercâmbio de sinais entre os equipamentos externos. Contudo, dentre os sinais de saídas, existem aqueles que, embora não sejam enviados para fora do equipamento, são mantidos armazenados temporariamente para efeito de controle. Esta é a função dos relés auxiliares na sequência de controle de relés, sendo Departamento Regional do Espírito Santo 90

91 estes denominados saídas internas. Trata-se de modelos padrões que são utilizados nas diversas partes da sequência de relés, que, agrupados, recebem o tratamento como se fossem saídas provisórias, equivalentes aos relés auxiliares num circuito de relés. Em relação a isso, há casos em que se denominam as saídas normais como sendo saídas externas apenas para efeito de diferenciação. Durante a elaboração do diagrama de sequência, deve-se atribuir números correspondentes às saídas internas, temporizadores e contadores. Por exemplo, como no caso da tabela 4.8, devese efetuar a distribuição de números como segue: ZO, Z1, Z2,... para saídas internas, TD para temporizador com retardo na energização (ON DELAY TIMER), TF para temporizador com retardo na desenergização (0FF DELAY TIMER), CU para contador (COUNTER) e assim sucessivamente. Com relação ao método das saídas internas, temporizadores e contadores, observam-se diferenças de acordo com os fabricantes de PLC. Assim sendo, é necessário compreender suficientemente o seu método, através da leitura do seu manual de instruções. e) Codificação e carregamento Assim que o programa for elaborado, deve-se então armazená-lo na memória do usuário. inicialmente, conforme se observa na figura 4.17, deve-se efetuar a codificação a fim de saber a partir de qual endereço de memória o programa será armazenado e quantos endereços (palavras de memória) serão utilizados para o armazenamento. Essa atividade de distribuição dos endereços de memória, e ao papel utilizado para a distribuição é denominado folha de codificação. Departamento Regional do Espírito Santo 91

92 Figura 4.17 Exemplo de programação A atividade de gravar o programa na memória utilizando os equipamentos periféricos denomina-se carregamento (loading). Para realizar o carregamento, deve-se inicialmente ativar os endereços de memória. Essa operação deve ser efetuada apenas na primeira vez, pois, posteriormente, ocorrerá o avanço automático, palavra por palavra de memória. A seguir, deve-se efetuar o carregamento do programa passo a passo, certificando-se de que não há erro de programação nos mesmos. Quando se for efetuar o carregamento pelo método de diagrama ladder, pelo fato do diagrama de sequência ser indicado no display por unidade de circuito, não há necessidade de se efetuar a codificação, isto é, pode-se executar o carregamento direto a partir da sequência para PLC. Departamento Regional do Espírito Santo 92

93 5 ARQUITETURAS DIGITAIS DE CONTROLE E INTERFACE HOMEM-MÁQUINA 5.1 INTRODUÇÃO A evolução da tecnologia eletrônica trouxe transformações substanciais na qualidade e custo dos equipamentos destinados ao controle industrial. Na primeira fase os instrumentos pneumáticos de detecção, monitoração e controle deu lugar aos instrumentos eletrônicos e analógicos com ganhos significativos em relação as dimensões, custos, precisão e repetibilidade entre tantas outras vantagens. Com a eletrônica digital e a informática aplicada ao controle, ganhos jamais imaginados no passado, foram conseguidos em pouco tempo, entre tantos podemos salientar a integração de muitas funções de processamento do sinal, a flexibilidade para a reconfiguração de malhas de controle assim como a maior disponibilidade de dados informativos sobre o processo. A implantação de sistemas digitais de controle se fez e se faz de uma forma crescente tal que inúmeras arquiteturas de sistemas vêem sendo implementadas no decorrer dos 20 últimos anos. Neste capítulo, identificar-se-á as principais arquiteturas de sistemas digitais aplicadas na aquisição e monitoração de variáveis analógicas e digitais, assim como na supervisão e controle de processos industriais. 5.2 SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS DAS DAS é um sistema digital compreendendo software e hardware desenvolvido para fazer a aquisição de variáveis analógicas e digitais de processo para sinais processáveis em meio computacional. Existem diversos tipos de DAS, no entanto, é possível generalizá-los através do modelo a seguir. Departamento Regional do Espírito Santo 93

94 Figura 5.1 Sistema de aquisição de dados - DAS Cada canal ou entrada analógica pode ser a dois fios ou um fio com referencial em linha comum. Tipicamente o sistema pode ter oito entradas a dois fios ou 16 entradas referenciadas em linha comum O computador seleciona cada entrada ( canal) de acordo com um programa de controle das entradas Decodificador de endereços Esta parte do DAS, acessa um dos canais de entrada analógico através de comando da linha de endereços. O módulo é sempre projetado de tal forma que a associação de um canal particular com a palavra do endereço do computador possam ser selecionada pelo usuário. Isto é feito de tal forma que o endereço do módulo canal de entrada se apresente ao computador como endereço de locação de memória. Assim se o computador executa um comando para buscar o conteúdo de alguma locação de memória, ele seleciona um canal de entrada analógica. Em outras palavras a seleção dos canais de entrada é equivalente a leitura do conteúdo de uma locação de memória correspondente. Em outros sistemas um código binário é enviado do computador através do dispositivo especial entrada/saída para selecionar um canal analógico e os dados do referido canal. Em ambos os casos, a seleção do canal é feita pelo o que se pode chamar de código de seleção do dispositivo Multiplexador analógico Esse elemento do DAS é essencialmente um solid-state switch que, através do sinal codificado de endereçamento, busca os dados do canal selecionado pelo fechamento da chave conectada à linha de entrada analógica (Figura 5.2). Departamento Regional do Espírito Santo 94

95 Figura 5.2 Multiplexador com entrada em linha comum O multiplexador ao ser acessado por uma entrada do decodificador fecha a chave correspondente transferindo o sinal do canal respectivo para o próximo estágio do DAS Amplificador A maioria dos sistemas de aquisição de dados incluem amplificador de ganho ajustável que possibilita ao usuário a possibilidade de compensação do nível do sinal de entrada. O conversor analógico-digital ( ADC) é usualmente projetado para trabalhar numa faixa de entrada unipolar ou bipolar tal que o nível do sinal de entrada possa variar na faixa de 0 a 5 volts. O ganho do amplificador tem como objetivo assegurar que o sinal de entrada se situe nessa faixa. Se houver uma grande diferença entre os níveis dos diversos sinais de entrada, condicionadores de sinal poderão ser empregados numa posição anterior ao DAS Conversor analógico-digital (ADC) É evidente que uma das partes do DAS mais importante é o conversor analógico-digital. O conversor converte a faixa do sinal de tensão ( 0 ~ 5V) recebida da unidade anterior. Usualmente, o conversor pode ser configurado para receber entrada uni ou bipolares. Eles possuem normalmente os recursos de ajustes de off-set e de fim de faixa. Observações Adicionais Existem inúmeros fatores que devem ser considerados quando emprega-se um DAS, entre eles salienta-se: Departamento Regional do Espírito Santo 95

96 a) Sample and Hold (amostragem e retenção) Ao se utilizar um DAS deve-se levar em conta o fato de que os sinais de entrada podem variar rapidamente se as variações são tão rápidas que o sinal mude de valor no intervalo de tempo de conversão,o dispositivo Sample and Hold deve ser usado nos canais de entrada correspondentes para manter o valor do sinal durante a conversão. Esse incremento, por sua vez, faz com que o programa (software) tenha comandos para o módulo Sample and Hold tornando mais complexo o programa. b) Compatibilidade com o computador Na maioria dos casos o módulo de dados é destinado a trabalhar com um modelo ou tipo de computador apenas. Essa é uma particularidade dos computadores baseados em microprocessador onde a arquitetura varia de acordo com a família dos mesmos. Assim é necessário selecionar o módulo de dados compatível com a entrada/saída característica do computador. c) Programação do hardware Muitos módulos de dados propiciam ao usuário o seu uso em operações de entrada ou saída de dados. Essas opções incluem as operações uni ou bipolares, seleção de endereços, ganho do amplificador, etc. As opções são tipicamente selecionadas por JUMPS entre os pinos do módulo ou por acréscimo de resistores recomendados no manual de especificação do módulo. d) Programação do software Outra importante característica ou propriedade da interface entrada/saída são as rotinas de software que são usadas nos módulos de dados. Essas rotinas precisam ser compatíveis com a programação do hardware e com as características do módulo. Os programas poderão incluir intervalos de tempo de atraso para permitir que o conversor ADC complete, por exemplo, a conversão dos dados. e) Tempo de resposta genérico Um sistema de aquisição de dados não permite que a conversão dos dados de um canal de entrada se faça no instante em que ocorre seleção, isto é, há um atraso entre os momentos de aquisição de dados pelo multiplexador, o acesso ao valor dos dados no canal de entrada pelo amplificador e o tempo de performance da operação de conversão descrita no tópico anterior, (Conversor Analógico Digital - ADC). Esse tempo é importante e deve ser considerado na determinação da taxa máxima de amostragem do DAS. O tempo pode variar entre dezenas a centenas de microsegundos dependendo do número de bits convertido, ganho do amplificador e da velocidade de chaveamento do sinal DAS como uma das arquiteturas de sistemas digitais Uma das primeiras aplicações de computadores digitais em processo industriais foi a aquisição e tratamento de dados e o fornecimento de informações sobre as variáveis do processo em tempo real. Nesses sistemas as variáveis chegam à bornes dos armários de entrada e saída sob a forma de grandezas elétricas analógicas e digitais, ou seja, sinais de 4 a Departamento Regional do Espírito Santo 96

97 2O ma, tensão de 1 a 5V, 0 a 10V ou 0 50mV assim como contato fechado e aberto. Estas informações são multiplexadas e são convertidas para valores digitais por um conversor analógico/digital. Este trabalho é feito pelas interfaces de entrada e saída do minicomputador, existentes para os diferentes níveis de sinal Os valores destas variáveis sofrem um tratamento no qual são comparados com valores limites para validação, transformados em unidades de engenharia, comparados com limites de alarme alto e baixo e armazenados para posterior processamento, que pode envolver cálculos de performance, balanços de materiais e de energia, acumulações, médias, processamento estatístico e outros. Estes sistemas apresentam inúmeras vantagens para o pessoal de operação e de engenharia de produção, mas por serem pouco mensurável na maioria dos casos torna-se difícil justificar investimentos em tais sistemas. Os principais atributos de um sistema de aquisição de dados são: - Coleta de dados do processo com precisão, periodicidade e confiabilidade apuradas; - Informação dos valores das variáveis em unidades de engenharia; - Informação de valores de variáveis calculadas em função de outras; - Informação de cálculos de performance de equipamentos e do processo; - Relatórios de produção e cálculos de rendimento de produtos; - Supervisão de variáveis gerando alarmes quando detectadas condições anormais; - Envio de mensagens de alerta para o operador; - Armazenamento de dados históricos para verificação de tendência e realização de estatísticas. Todos esses atributos irão proporcionar aos operadores um acompanhamento mais apurado do processo tornando as ações de controle mais eficientes. Por outro lado, a engenharia de processo e de produção disporão de um maior volume de informações, permitindo conhecer melhor o processo e facilitando assim a sua modelagem e, como consequência, seu melhor controle e otimização. O operador obtém informações sobre o processo, dialogando com o computador através de terminais de vídeo alfanumérico e/ou semigráficos, monocromático e/ou colorido, e analisando relatórios de balanços, cálculos, registros, alarmes e eventos que são fornecidos pelos periféricos de impressão. Baseando-se nestas informações, o operador ajusta os pontos de controle dos instrumentos convencionais de controle analógico aos quais cabe o efetivo controle das variáveis do processo, como podemos verificar no esquema que segue. Departamento Regional do Espírito Santo 97

98 5.2.6 Propriedades gerais de um sistema Data Logging usando computador O sistema de aquisição de dados através do computador faz a varredura das entradas amostrando os valores das variáveis do processo. A amostragem constitui um tema muito importante visto que existem situações onde a taxa de amostragem pode ser a razão dos erros de informação de valores instantâneos das variações das grandezas sob medição. A taxa de amostragem das variáveis do processo depende do tempo necessário para a aquisição do valor pelo DAS, do tempo necessário ao computador para processar o valor da medida assim como do número de variáveis a serem amostradas. A seguir mostramos o diagrama de blocos de um sistema Data Logging de aquisição de dados. Figura 5.4 Diagrama de blocos de um DAS Departamento Regional do Espírito Santo 98

99 5.3 SISTEMA SUPERVISÓRIO DE CONTROLE SPC A extensão natural dos sistemas DAS ou Data Logging envolve o uso do computador na malha de realimentação do processo como elemento de ajuste automático do Set-Point dos controladores. Em função das variações constantes de carga no processo torna-se vantajoso alterar o Set- Point dos controladores em algumas malhas para aumentar a eficiência do controle ou para manter a operação dentro de certos limites calculados previamente. Em geral, a determinação do Set-Point se faz em função do número de parâmetros do processo. De fato a decisão de alterar um Set-Point pode demandar a alteração de outros Set- Points quando o efeito iterativo é levado em conta. Conhecendo o número de malhas, as iterações entre as variáveis e os cálculos necessários em cada caso, é mais natural deixar que o computador realize as operações de acordo com um programa de controle. Figura 5.5 Sistema SPC O diagrama a seguir ( figura 5.6) mostra um sistema de controle supervisório no qual o computador estabelece os Set-Points das malhas de controle. Departamento Regional do Espírito Santo 99

100 Figura 5.6 Diagrama de bloco de um SPC O sinal de saída do computador acessa o Set-Point dos controladores através do multiplexador e do DAC estabelecendo o valores de referência para controladores conectados a linha. 5.4 SISTEMA DE CONTROLE DIGITAL DIRETO DDC Estrutura do sistema Também nos sistemas DDC são operacionais as funções dos Sistemas DAS e, além disto, o computador atua diretamente sobre os elementos finais de controle, contornando os controladores analógicos convencionais. Neste caso, os algoritmos de controle estão armazenados na memória do computador, o que permite a utilização de uma extensa gama de funções de transferência, além dos algoritmos tradicionais PID e outros já existentes. Originalmente, esperava-se que os sistemas DDC pudessem ser justificados pela substituição direta a Instrumentação convencional. No entanto, posteriormente foi provado que apesar da elevadas disponibilidade do computador, sempre haveria a possibilidade de falhas e os operadores relutavam em operar sem uma instrumentação analógica de back-up, já que um mau funcionamento do computador poderia causar a perda simultânea de todo o controle de processo. Entretanto, ainda assim o DDC foi muito utilizado em combinação com o SPC, devido à sua grande flexibilidade e habilidade no uso de técnicas de controle impossíveis de se obter com os instrumentos analógicos convencionais. Departamento Regional do Espírito Santo 100

101 Como uma solução para os problemas de falhas do computador em sistemas DDC, os fornecedores de instrumentos lançaram no mercado estações de back-up computador-manual.. Num evento de falha do computador, ou caso ele seja posto fora se serviço por qualquer outro motivo, a estação memoriza o último valor de saída calculado, e o elemento final de controle permanece na sua última posição anterior á falha ou desconexão do computador. Caso o tempo em que o computador esteja fora seja prolongado, a estação pode ser chaveada para o modo de controle manual, onde o sinal de saída pode ser manipulado diretamente pelo operador. Em seguida mostramos diagramas ilustrativos de sistema DDC e suas formas de back-up. No modo DDC, o sinal de saída recebe o comando do computador. Este último, quando falha, envia um sinal de estado para a estação de controle que chaveia o controle para o modo automático e, imediatamente, o controlador analógico passa a comandar o processo. A estação pode também ser chaveada para controle manual. Estas estações de controle devem satisfazer a uma série de requisitos, tais como memória do último set-point no caso se uma transferência bumpless (transferência sem degrau ou rampa numa passagem de DDC para automático, automático para DDC, automático para manual, e manual para automático) e transferência de emergência para alimentação de backup. Outra forma de back-up utilizada é a digital, na qual um segundo computador assume o comando do processo no caso de falha do principal. Outros sistemas utilizam um número ímpar de computadores, por exemplo, 3 ou 5, para tomar a decisão de chaveamento somente em caso de falha da maioria. Departamento Regional do Espírito Santo 101

102 5.4.2 Componentes do sistema DDC As partes do sistema DDC são as mesmas apresentadas para o sistema supervisório. De fato a principal diferença é a não utilização do controlador analógico. Na configuração do sistema DDC a seguir estão presentes os transdutores, o condicionamento do sinal bem como o elemento final de controle. No sistema abaixo representado, apenas um computador é usado para controlar quatro malhas. Figura 5.8 Estrutura de um DDC A velocidade com a qual o computador processa as informações é muito maior que aquela necessária ao processo. Assim o computador pode controlar muitas malhas com folga razoável. 5.5 SISTEMA DE CONTROLE COM PLC s Os controladores programáveis inicialmente desenvolvido para substituir os circuitos de relés e outros dispositivos liga-desliga se desenvolveu no últimos anos a tal ponto que hoje são muito utilizados em controle contínuo. Departamento Regional do Espírito Santo 102

103 Uma das grandes vantagens dos PLC s em relação a outros sistemas de controle é a sua maior viabilidade de utilização em processos nos quais o número de pontos liga-desliga superam bastante o de malhas de controle contínuo não críticos Estrutura do sistema mínimo de controle com PLC Figura 5.9 Montagem simplificada do PLC e módulos de entrada e saída (E/S) Sistema supervisório utilizando PLC O sistema supervisório instalado no microcomputador faz aquisição de dados no controlador programável transferindo para a tela do monitor os dados do processo. Através do teclado do microcomputador pode-se acessar o controlador para alterar parâmetros de controle ou Departamento Regional do Espírito Santo 103