A Engenharia de Automação Automação Semestre 01/2015

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1 A Engenharia de Automação Automação Semestre 01/2015 Engenharia de Controle e Automação

2 Sistemas Dinâmicos Classe dos Sistemas Dinâmicos: Tempo time-driven Descritos por equações diferenciais na variável tempo. Contínuos no tempo. Ex.: fenômenos térmicos, químicos,... Sinais analógicos. Eventos event-driven Descritos por Álgebra de Boole, Álgebra Dióide, Autômatos finitos, redes de Petri e programas computacionais. Eventos discretos. Ex.: sistemas on-off, sim-não,... Sinais digitais.

3 Sistemas dinâmicos convencionais - tempo Para classificar esses sistemas é necessário observar os seus sinais: Contínuo em amplitude e no tempo Contínuo em amplitude e discreto no tempo Discreto em amplitude e contínuo no tempo Discreto em amplitude e no tempo

4 Sistemas dinâmicos eventos discretos São sistemas cuja a evolução decorre unicamente de eventos instantâneos, repetitivos ou esporádicos. Os sinais são do tipo on-off, verde-vermelho, , avança-recua,... As alterações dos valores são rápidas que podem ser consideradas como instantâneas Eventos instantâneos externos constituem sinais de entrada que causam eventos discretos internos e de saída

5 O Controle Nesse processo (aquário), temos a necessidade de controlar a temperatura, que é medida através de um sensor (termômetro), que possibilita ao controlador, fazer uma comparação com um valor pré-ajustado (ponto de ajuste) e tomar a decisão de ligar ou desligar o atuador (resistor elétrico), mantendo a temperatura dentro de um limite considerado aceitável. As condições externas que podem influenciar na temperatura da água, chamadas de distúrbios. A temperatura do ambiente externo influencia diretamente no controle, determinando uma condição diferente de atuação no processo. Este controle do aquário não possui precisão. Esse tipo de controle chamamos de Liga/Desliga, o atuador (resistor) permanece em dois estados bem definidos (nenhuma corrente = desligado e máxima corrente = ligado). É considerado então um controle descontínuo. Figura 1.1 Controle de temperatura elementar. Figura 1.2- diagrama de blocos do sistema térmico.

6 O Controle Nesse processo de aquecimento, temos a necessidade de controlar a temperatura, que é medida através de um sensor (termômetro) com sinal analógico, que possibilita ao controlador, fazer uma comparação com um valor pré-ajustado (ponto de ajuste) e tomar a decisão de abrir ou fechar o atuador (válvula proporcional), mantendo a temperatura dentro de um limite considerado aceitável. As condições externas que podem influenciar na temperatura da água, chamadas de distúrbios. Este controle do aquário possui maior precisão. Esse tipo de controle chamamos de malha fechada, o atuador (resistor) trabalha em uma faixa de sinal analógico. É considerado então um controle contínuo. Figura 1.3 Controle realimentado automático. Figura 1.4- Elementos básicos de um controle realimentado.

7 Automação Definição: Sistema automático pelo qual os mecanismos controlam seu próprio funcionamento, quase sem a interferência do homem. Possui a vantagem de utilizar sistemas que envolvam diretamente a informação e a possibilidade da expansão utilizando recursos de fácil acesso ; neste contexto, são de extraordinária importância os controladores lógicos/automação programáveis (CLPs/CAPs PLCs/PACs), que tornam a automação industrial uma realidade. CLPs: Controladores Lógicos Programáveis PLCs: Programmable Logic Controller CAPs: Controladores de Automação Programáveis PACs: Programmable Automation Controller

8 Automação CLPs ou PLCs -Linguagens: 1 ou 2 (LD e/ou ST). -Pode ter programação de lógica on-line mas não cria endereços de memória on-line. -Disciplinas de controle: Intertravamento. -Não tem RIUP (Remove Insert Under Power). -Alguns PLCs de grande porte gerenciam I/Os em redes. -A CPU nos PLCs modulares deve ser sempre no slot 0. -Programa baseado em endereços de memória pré-definidos pelo fabricante. Exemplo: PLC5, SLC500 e MicroLogix: B3:0/0 N7:0... -No software de programação da maioria dos PLCs não é possível a criação de blocos de controle (Add-Ons) e nem estrutura de variáveis (Tanques, Motores,...) e nem criação de estrutura de vetores e matrizes. -Nos PLCs a instrução de PID é para controle básico. -A maioria dos PLCs utilizam a unidade de medida de memória em words. Exemplo: CPU 5/05 com 64kw. CAPs ou PACs -Linguagens: mínimo 4: LD, SFC, FB e ST. -Programação de lógica e banco de dados on-line. -Disciplinas de controle: Safety, Intertravamento, CNC, Batch, Gestão e Controle de Drives e Motion e DCS (controle de processo). -Tem opção de RIUP conforme o modelo do PAC. -Todos os PACs gerenciam I/Os remotos em redes. -A CPU nos PACs modulares podem ser instalado em qualquer slot do rack ou chassi. -Programa baseado em tags, ou seja, o usuário nomeia as variáveis. Exemplo: Aux_Auto, Temp_caixa,... -No software de programação de todos os PACs é possível a criação de blocos de controle (Add-Ons) e estrutura de variáveis (Tanques, Motores,...) e criação de estrutura de vetores e matrizes. -Nos PACs a instrução de PID é para controle avançado (PIDE) -Todos os PACs utilizam a unidade de medida de memória em bytes. Exemplo: CPU do CMX L32E 750kbytes. (Controlador da bancada 1 do LAB)

9 Automação CLPs ou PLCs continuação: -Os PLCs tem scan de processamento básico como: leitura do estado das entradas, executa o programa, escrita nas saídas e executa comunicação. -Nos PLCs somente pode existir uma CPU no rack ou chassi. CAPs ou PACs continuação: -Os PACs tem scan de processamento conforme a prioridade e tempo de execução das rotinas contínuas, rotinas periódicas, rotinas por evento, prioridade de leitura e escrita das entradas e saídas. (pipeline). -Nos PACs podem existir mais de uma CPU no rack ou chassi.

10 Automação Além da redução de custos de instalação, PLCs ou PACs proporcionam valor acrescentado muitos benefícios: Confiabilidade. Uma vez que um programa foi escrito e depurado, este pode ser facilmente transferido e descarregado (download) para outros Controladores. Isso reduz o tempo de programação, minimiza a depuração e aumenta a confiabilidade. Com toda a lógica existente na memória do Controlador, não há nenhuma chance de ocorrer um erro de fiação lógica. A fiação é necessária apenas para a alimentação e as entradas e saídas.

11 Automação Flexibilidade. Alterações do programa podem ser feitas com poucas intervenções do programador. OEMs (fabricantes originais de equipamentos) podem facilmente implementar atualizações do sistema através do envio de um novo programa em vez de uma pessoa de serviço. Os usuários finais podem modificar o programa no campo, ou, inversamente, os OEMs podem impedir que os clientes finais possam alterar o programa (um recurso de segurança importante).

12 Automação Funções avançadas. Controladores podem executar uma grande variedade de disciplinas de controle, desde uma disciplina de controle simples como uma ação repetitiva de manipulação até a manipulação de dados complexos. A padronização dos Controladores abrem muitas portas para designers, e também simplifica o trabalho para a equipe de manutenção do sistema. Comunicações. Comunicando-se com interfaces de operação, outros Controladores ou a facilidade na coleta de dados pelos computadores e a troca de informações.

13 Automação Velocidade. Por causa de alguns processadores de máquinas automatizadas que processam milhares de dados - e objetos que passam por uma fração de segundo na frente de um sensor são aplicações de automação que requerem muitas vezes que o Controlador tenha a capacidade de ter uma resposta rápida. Diagnóstico. A capacidade de resolução de problemas de dispositivos de programação e os internos ao processador possibilita obter um diagnóstico no Controlador e permite que os usuários possam facilmente encontrar e corrigir problemas de software e hardware.

14 Automação Não importa qual seja a aplicação, o uso de Controladores ajuda a aumentar a competitividade. Processos utilizando Controladores incluem: acondicionamento, envasamento e embalagem, manuseio de materiais, usinagem, geração de energia, climatização / construção de sistemas de controle, sistemas de segurança, montagem automatizada, linhas de pintura e tratamento de água. Wastewater treatment facility Controladores são aplicados em uma grande variedade de indústrias, incluindo alimentos e bebidas, automotivo, químico, plásticos, papel e celulose, produtos farmacêuticos e metais. Virtualmente qualquer aplicação que requer controle elétrico pode-se usar um Controlador. Packaging

15 Automação Principais objetivos da Automação: Reduzir custos de produção Maior nível de qualidade Controle por especificações numéricas de tolerância Maior flexibilidade de modelos de manufatura para o mercado Maior segurança coletiva para os operários Menores perdas materiais e de energia Mais disponibilidade e qualidade da informação sobre o processo Melhor planejamento e controle da produção

16 Arquitetura da Automação Industrial A pirâmide da Automação Industrial: A automação industrial exige a realização de muitas funções. A pirâmide a seguir mostra diferentes níveis de automação encontrados em uma planta industrial. Na base da pirâmide está freqüentemente envolvido o Controlador Programável, atuando via inversores de frequência, conversores de frequência ou sistemas de partida suave sobre máquinas e motores e outros processos produtivos. No topo da pirâmide, a característica marcante é a informação ligada ao setor corporativo da empresa com sistemas de gestão Business Intelligence.

17 Arquitetura da Automação Industrial ISA-S95 Nível 5: Administração dos recursos da empresa. Softwares para gestão de vendas e financeira. Decisão e gerenciamento de todo o sistema. Nível 4: Nível da programação e planejamento da produção, realizando o controle e a logística dos suprimentos. Nível 3: Controle do processo produtivo da planta. Constituído por banco de dados, com informação sobre índices de qualidade da produção, relatórios e estatísticas de processo, índices de produtividade, algoritmos de otimização da operação produtiva. Nível 2: Controladores digitais, dinâmicos e lógicos, e de algum tipo de supervisão associada ao processo. Aqui se encontram concentradores de informações sobre o Nível 1, e as Interfaces Homem-Máquina (IHM) Nível 1: É o nível das máquinas, dispositivos e componentes (chão-de-fábrica).

18 Arquitetura da Automação Industrial Controladores para Automação. De início o Controlador Lógico Programável (CLP ou PLC) é um dispositivo digital que controla máquinas e processos. Utiliza uma memória programável para armazenar instruções e executar funções específicas: energização/desenergização, temporização, contagem, seqüenciamento, operações matemáticas e manipulação de dados.

19 Arquitetura da Automação Industrial Controladores para Automação. O desenvolvimento dos CLPs começou em 1968 em resposta a uma necessidade constatada pela General Motors.

20 Arquitetura da Automação Industrial Controladores para Automação. Origem: (1968/69) Naquela época, a GM consumia dias ou semanas para se alterar um sistema de controle baseado em relés, isto ocorria sempre que se mudava um modelo de carro ou se introduziam modificações na linha de montagem. Para reduzir este alto custo, a GM especificou um sistema de estado sólido, com a flexibilidade de um computador, que pudesse ser programado e mantido pelos engenheiros e técnicos nas fábricas. Também era preciso que suportasse o ar poluído, a vibração, o ruído elétrico e os extremos de umidade e temperatura encontrados num ambiente industrial

21 Arquitetura da Automação Industrial Sistemas de Controle tradicionais com relés e contatoras.

22 Arquitetura da Automação Industrial Controladores para Automação.

23 Arquitetura da Automação Industrial Controladores para Automação. Os Controladores (Controladores Industriais) se caracterizam por: Robustez adequada aos ambientes industriais; Programação por meio de computadores pessoais; Linguagens amigáveis para o projetista de automação de eventos discretos; Permitir tanto o controle lógico quanto o controle dinâmico (P+I+D); Incluir modelos capazes de conexões em grandes redes de dados.

24 Arquitetura da Automação Industrial Níveis de Complexidade da Automação: Pequena até 200 I/Os, pequenas redes de dados (10 nós), uma IHM com tela até 6 M. ou C., um PC para supervisão para até 15 telas; Média até 1000 I/Os, médias redes de dados (60 nós), uma IHM com tela até 10 M. ou C., um PC para supervisão para até 25 telas; Grande mais de 1000 I/Os, mais de uma rede de dados do mesmo protocolo ou de diferentes protocolos, uma ou mais IHM com tela até 15 M. ou C., um ou mais PCs para supervisão com mais de 25 telas com arquitetura servidor/cliente podendo ter redundância de servidores;

25 Arquitetura da Automação Industrial Uso atual dos CLPs ou PLCs Uso atual dos CAPs ou PACs Aplicações pequenas Aplicações Compactas Grandes aplicações Conectividade Simples Mecanica ligada a máquina Máquinas stand alone Baixo custo Apenas controle Baixa Eixos com servo drives Grande capacidade de controle Controle elétrico e mecânico Baixos custos de engenharia Integration Continuum Eixos coordenados Alimentadores de robos Conectividade avançaca Capacidade de trocar informação com outros sistemas Alta Arquitetura de Componentes Arquitetura Integrada

26 Perguntas? FENG ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO