Fundamentos de Automação. Controladores

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1 Ministério da educação - MEC Secretaria de Educação Profissional e Técnica SETEC Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Sul Campus Rio Grande Fundamentos de Automação Controladores CURSO DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

2 Considerações Iniciais No meio industrial normalmente, o termo controle aplica-se a sistemas dinâmicos com comandos contínuos, utilizando sinais analógicos ou digitais. Exemplos destes tipos de sistemas incluem controle de vôo, controle de posição em máquinas de Controle Numérico (CNC), controle de temperatura, etc. Muitas vezes máquinas requerem controle nos quais as entradas e saídas são sinais on/off (ou seja, apresentam somente dois valores distintos). O resultado é um desempenho mais limitado e um controle mais simples (Ex. máquinas de lavar louça/roupa e secadoras. Uma outra função principal nestes tipos de controladores é a temporização. 2

3 Exemplo de controlador de duas Posições ou Liga-Desliga (ON- OFF) 3

4 Localização de um Controlador em um Diagrama de Controle de Processo Setpoint Controlador correção Atuador variável manipulada Processo variável controlada Transmissor Sensor realimentação 4

5 Controlador Lógico Programável - CLP Em 1968, cientes das dificuldades encontradas na época para se implementar controles lógicos industriais, David Emmett e William Stone da General Motors Corporation solicitaram aos fabricantes de instrumentos de controle que desenvolvessem um novo tipo de controlador lógico que incorporasse as seguintes características: Ser facilmente programado e reprogramado para permitir que a seqüência de operação por ele executada pudesse ser alterada, mesmo depois de sua instalação; Ser de fácil manutenção, preferencialmente constituído de módulos interconectáveis; Ter condições de operarem ambientes industriais com maior confiabilidade que os painéis de relés; Ser fisicamente menor que os sistemas de relés; Ter condições de ser interligado a um sistema central de coleta de dados; Ter um preço competitivo com os relés e demais sistemas usados até então. 5

6 Controlador Lógico Programável - CLP Na década de 70 várias implementações proporcionaram o desenvolvimento do CLP, mas foi com a evolução dos microprocessadores que, a partir do início dos anos 80, estes equipamentos passaram a se tornar atrativos nas áreas de automação da manufatura, de processos contínuos, elétrica, predial, entre outras. Destacam-se os seguintes ramos de aplicações industriais do CLP: Máquinas industriais (operatrizes, injetoras, têxteis, calçados); Equipamentos industriais para processos ( siderurgia, papel e celulose, petroquímica, química, alimentação, mineração, etc ); Equipamentos para controle de energia (demanda, fator de carga); Controle de processos com realização de sinalização, e controle Proporcional, Integral e Derivativo; Aquisição de dados de supervisão em: fábricas, prédios inteligentes,.. Bancadas de teste automático de componentes industriais; Com a redução dos custos de fabricação, facilidade de uso, aumento da sua inteligência e aplicações, o CLP também, tem se tornado cada vez mais comum em produtos eletrodomésticos, eletrônicos, residências e veículos. 6

7 CLP Estrutura Básica Programador Fonte CPU Memória Módulos de Entrada / Saída Entradas Saídas 7

8 CLP Estrutura Básica Dispositivo programador - em geral, pode ser substituído por um computador ou ainda podendo ser integrado ao controlador através de uma IHM (Interface Homem-Máquina) que possibilita o envio ou edição de programas, modificação de parâmetros de sintonia ou mesmo consulta aos valores de variáveis do processo. CPU - o elemento principal do controlador, responsável tanto pela execução dos programas do usuário quanto pelas funções associadas ao endereçamento de memória, operações aritméticas e lógicas, e relógio. Memória - dispositivo responsável pela armazenagem de dados e programas utilizados durante o funcionamento do CLP. Módulo de Entrada / Saída (I/O - Input / Output) - corresponde à conexão do controlador aos sensores e atuadores do processo. 8

9 CLP Estrutura Básica OS CLP s permitem entradas Digitais e Analógicas: Entradas Digitais: Somente possuem dois estados (variáveis discretas) relés, botões, etc.. Entradas Analógicas: Possuem um valor que varia dentro de uma determinada faixa (variáveis contínuas de 0 à 10V, -10 à 10V, 0 à 20mA e 4 a 20mA) velocidade, temperatura, nível, etc.. 9

10 CLP Estrutura Básica OS CLP s permitem saídas Digitais e Analógicas: Saídas Digitais: Somente possuem dois estados lâmpadas, conectores, etc.. Saídas Analógicas: Possuem um valor que varia dentro de uma determinada faixa. (0 à 10V, -10 à 10V, 0 à 20mA e 4 a 20mA) conversores de frequência, válvulas, etc.. 10

11 CLP Estrutura Básica Sensor de Temperatura Sensor de Nível Chave Fim-de-Curso Botoeira Entradas Analógicas Entradas Digitais Computador Programação CLP IHM Saídas Analógicas Saídas Digitais Lâmpada de Sinalização Conversor de Freqüência Válvula Relé 11

12 CLP Estrutura Básica Interfaceamento de Periféricos Interfaces especiais permitem que aparelhos sejam conectados diretamente no CLP para realizar funções como indicação das falhas da máquina ou do processo. A comunicação serial é a mais comumente utilizada para a maioria destes periféricos. O padrão mais utilizado é o RS 232C. Aspectos de Software Além do número de pontos de E/S, o que determina a utilização de um CLP são os recursos de software disponíveis, isto é, que funções ele pode executar Todos os CLP s possuem as seguintes funções básicas de software : Lógicas (E, OU); SET e RESET Temporização e contagem; Cálculos com aritmética básica (+,-,x,?); Parênteses (para associação de lógicas); Comparação de valores; Registrador de deslocamentos; 12

13 CLP Ciclo de Funcionamento e Varredura Ao ser energizado, o CLP entra no estado de execução, o mesmo cumpre as rotinas de inicialização, entra em loop. O tempo gasto para a execução do ciclo completo é chamado Tempo de Varredura (da ordem de milisegundos), e depende do tamanho do programa do usuário, e a quantidade de pontos de entrada e saída. 13

14 CLP Linguagens de Programação São definidas quatro linguagens pela norma internacional IEC Isto significa que suas sintaxes e semânticas foram definidas, eliminando a chance de dialetos. Uma vez aprendidas, é possível o uso de uma variedade de sistemas baseados nesta norma. As linguagens consistem em: Textuais: - Lista de Instruções, (Instruction List) - Texto Estruturado, (Structured Text) Gráficas: - Diagrama Ladder, (Ladder Diagram) - Diagrama de Blocos Funcionais, (Function Block Diagram) 14

15 CLP Linguagem de Diagrama de Contatos (Ladder) Esta linguagem consiste em um grupo de instruções utilizado para controlar um equipamento e sua lógica assemelha-se à lógica de relés, ou seja, para que um relé seja energizado, necessita de uma continuidade elétrica, estabelecida por uma corrente elétrica. A linguagem Ladder) permite programar desde funções binárias até funções digitais complexas. Através desta programação, damos as decisões a serem tomadas pelo CLP em relação ao equipamento automatizado. Por sua simplicidade de programação esta ainda é a linguagem mais utilizada em CLP s. 15

16 CLP Linguagem Ladder Exemplo 1 16

17 CLP Linguagem Ladder Exemplo 2 Um CLP com 8 entradas (I0.0 a I0.7) e 6 saídas (Q0.0 a Q0.5) para acionamento do equipamento CNC. Cada entrada e saída possui uma fonte de alimentação de 24 volts. Para se implementar o circuito ligar as chaves de entrada (chave de emergência, fim de curso, etc.) nos pinos de entrada. Os pinos de entrada do CLP terão como entrada zero volts quando as chaves estiverem aberta e 24 volts quando as chaves estiverem fechadas. Um programa desenvolvido e gravado na memória do CLP monitora as entradas e envia o comando correto para as saídas. 17

18 CLP Linguagem Ladder Exemplo 2 A lógica Ladder para o controle da máquina ferramenta, mostrado anteriormente na ligação de relés seria : No caso do controle da máquina ferramenta, durante o funcionamento normal, todas as chaves estarão fechadas e portanto, o motor poderá ser ligado. Quando uma das chaves for acionada, o circuito é interrompido e portanto o motor é desligado e a lâmpada sinaliza a ocorrência. 18

19 Considerações na escolha de um CLP A seguir estão relacionados os oito tópicos mais importantes que se deve considerar quando está a procura do CLP ideal para a sua aplicação: Determine quando o seu sistema é novo ou já existente: O seu sistema será instalado desde o início ou existem produtos já instalados que seu novo sistema terá que ser compatível com estes? Por que isto é importante: Com certeza existem produtos que não são compatíveis com todos os CLPs. Tenha certeza que todos os produtos já existentes sejam compatíveis com o CLP que está procurando para que economize seu tempo e dinheiro. Defina qualquer condição ambiental que irá afetar a sua aplicação: Existem específicas questões ambientais que irão afetar seu sistema (temperatura, ruídos, vibrações, códigos específicos para sua facilidade, etc.)? Por que isto é importante: Certamente o meio ambiente pode afetar na operação de um CLP. Por exemplo, um típico CLP tem a sua faixa de temperatura de 0-60 graus Celsius. Se sua aplicação incluir qualquer condição ambiental extrema, precisará encontrar produtos que satisfaçam tais condições, ou projetar uma instalação que reúna estas especificações. 19

20 Considerações na escolha de um CLP Determine quantos dispositivos analógicos e discretos sua aplicação terá: Quantos dispositivos discretos e analógicos o sistema terá? Quais tipos (AC, DC, etc.) serão necessários? Por que isto é importante: O número e o tipo de dispositivos que seu sistema incluirá, é diretamente relacionada ao número de I/O que será necessária para seu sistema. Você precisará escolher um CLP que suporte a quantidade de I/O que serão utilizadas e tenham módulos que suportem os tipos de sinal utilizados. Determine quando o seu sistema irá utilizar qualquer característica especial: Sua aplicação irá utilizar algum contador rápido ou posicionamento? Quanto a um clock em tempo real ou outra função especial? Porque isto é importante: Funções especiais não são necessariamente possíveis utilizando módulos de I/O padrões. Planejando primeiramente quando ou não sua aplicação irá requerer tais características, irá ajudar determinar se você precisará adquirir os módulos especiais para o seu sistema. 20

21 Considerações na escolha de um CLP Determine o tipo da CPU que irá utilizar: Quanta memória o seu sistema necessita? Quantos dispositivos o sistema terá (determina a memória de dados)? Qual o tamanho do programa e quantos tipos de instruções serão incluídos (determina a memória de programa)? Porque isto é importante: A memória de dados se refere a quantidade de memória necessária para a manipulação de dados dinâmicos e de armazenamento do sistema. Por exemplo, contadores e temporizadores normalmente utilizam a memória de dados para armazenar os valores registrados, valores correntes e outras marcas. Cada tipo de instrução requer uma quantidade de memória diferente, normalmente especificada no manual de programação do CLP. Mas a memória se tornou barata e facilmente é feito um upgrade se necessário. Determine onde as I/Os estarão localizadas: O seu sistema terá apenas I/Os locais, ou ambas I/O locais e remotas? Por que isto é importante: Se sua aplicação irá necessitar de elementos a uma longa distância da CPU, então você irá precisar de um modelo de CLP que suporte I/O remota. Você também terá que determinar se a distância e a velocidade suportada pelo CLP irão se adequar para a sua aplicação. 21

22 Controladores Considerações na escolha de um CLP Determine os requisitos de comunicação: O seu sistema terá que se comunicar com outra rede ou outro sistema? Porque isto é importante: As portas de Comunicação não são necessariamente incluídas junto com os CLPs. Sabendo primeiramente que seu sistema irá ou não comunicar com outro sistema, ajudará na escolha da CPU que suportará os requisitos de comunicação ou módulos adicionais de comunicação se necessário. Determine os requisitos do programa: O seu programa necessita apenas de funções tradicionais ou é necessário funções especiais? Por que isto é importante: Alguns CLPs não suportam todos os tipos de instruções. Você terá que escolher um CLP que suporte todas as instruções que necessite para uma aplicação especifica. Por exemplo, funções PID para realizar controles de processo de ciclo fechado. 22

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