Universidade do Minho. Departamento de Electrónica Industrial AUTOMAÇÃO

Transcrição

1 Electrónica Industrial AUTOMAÇÃO

2 DEI/Jaime Fonseca 2 Programa Introdução Instrumentação, sensores e medidas Características dos sensores Tipo de sensores Sensores de Temperatura Sensores de Luz Sensores de Força Sensores de Deslocamento Sensores de Som Sensores de Caudal Sensores de Distância Sistemas Electropneumáticos e Electrohidráulicos Concepção de um automatismo Características de um automatismo Estrutura de um automatismo Implementação de um automatismo

3 DEI/Jaime Fonseca 3 Programa Métodos gráficos para representação da lógica Diagrama de contactos Diagrama lógico Grafcet Autómatos programáveis Estrutura de um autómato programável Tipo de entradas Tipo de saídas CPU Memórias Cartas mais usuais Programação de autómatos Linguagens de programação Áreas de memória CPM 1 Instruções de tratamento lógico Funções em Ladder Redes industriais Conceitos gerais de redes Tipos de redes industriais Sistemas scada

4 Apresentação da disciplina Escolaridade 2h Teóricas + 1h Teórico-Prática Avaliação Exame final (2 chamadas) Trabalho prático? Início das aulas Teórico-práticas Dia 7/10/04 Elementos de estudo Apontamentos da disciplina Exercícios propostos Livros existentes na biblioteca DEI/Jaime Fonseca 4

5 Apresentação da disciplina - 5ªs feiras, das às DEI/Jaime Fonseca 5

6 Electrónica Industrial Introdução

7 DEI/Jaime Fonseca 7 Sistema Electromecânico Transdutor de Entrada Processamento (Electrónica) Transdutor de Saída Grandezas físicas: temperatura pressão deslocamento Processo... Actuação

8 Electrónica Industrial Instrumentação, Sensores e medidas

9 DEI/Jaime Fonseca 9 Transdutores grandeza física Transdutor de Entrada sinal eléctrico sinal eléctrico Transdutor de Saída grandeza física

10 DEI/Jaime Fonseca 10 Transdutores de entrada (exemplos) Tipo Entrada Potência Disponível Tensão Corrente Saída (W) (V) (A) Termopar Temperatura 0.5 x Tensão (CC) Célula fotovoltaica Luz 0.5 x Tensão (CC) Extensómetro Força Resistência Tacómetro Velocidade Tensão (CC) Microfone Som Tensão (CA) "Pickup" Vibração 0.25 x Tensão (CA) magnético Resolver Ângulo Tensão (CA)

11 Transdutores de saída (exemplos) Tipo Potência (W) Rendimento (%) Aplicações Motor eléctrico Sistemas de controlo Altifalante Sistemas de som Galvanómetro 10-6 (F.S.D.) * Sistemas de medida Voltímetro electrostático 10-6 (F.S.D.) * Sistemas de medida Relé Sistemas de controlo Tubo de raios catódicos (CRT) 10-7 Sistemas de medida e monitorização DEI/Jaime Fonseca 11

12 DEI/Jaime Fonseca 12 Transdutores (miscelândia) Tipo Entrada Saída Aplicações Extensómetro Célula de carga* Força Força/pressão Variação de resistência Variação de resistência Fotocélula Intensidade da luz Tensão Transformador diferencial (LVDT) Termopar Termistor Tacómetro Deslocamento (linear) Temperatura Temperatura Velocidade angular Variação de indutância Variação de tensão Variação de resistência Tensão Medida de força, tensão, deslocamento Medida de peso, pressão Fontes de energia,dispositivos sensíveis a luz Medida de deslocamento Sistemas de controlo e monitor. de temperatura Sistemas de controlo e monitor. de temperatura Sistemas de controlo de velocidade

13 DEI/Jaime Fonseca 13 Características dos sensores Sempre que a propriedade física de um material se altera em resposta a uma excitação então esse material pode ser usado como sensor. Características estáticas dos sensores Gama de funcionamento Resolução Erro Precisão Exactidão (accuracy) Sensibilidade Linearidade Repetibilidade e estabilidade Histerese Limite (threshold) e zona morta (Dead Zone)

14 DEI/Jaime Fonseca 14 Características dos sensores Gama Máximo e mínimo valores que podem ser medidos. Resolução A resolução define-se como a quantidade mais pequena que um sistema é capaz de distinguir. Exemplo : Considere-se o caso duma resistência variável de 100Ω com uma resolução de 1% do seu valor máximo, ou seja A resistência pode assim ser ajustada para 1Ω, 2Ω, 3Ω, etc., mas não pode fixar-se em 2.2Ω ou 4.5Ω (admitindo que se começa em 0Ω). Erro Diferença entre o valor medido e o valor real Erro aleatório Erro Sistemático

15 DEI/Jaime Fonseca 15 Características dos sensores Exactidão (Accuracy) É o desvio entre o valor medido e o valor real. Valor real -Valor Medido Exactidão(%) = 100 Valor de referência Valor de referência É um valor real definido previamente, frequentemente é o valor de fim de escala

16 DEI/Jaime Fonseca 16 Características dos sensores Precisão A precisão de um sistema é uma medida de como o desempenho do sistema se aproxima das expectativas. Exemplo : A especificação da precisão de grande parte dos aparelhos de medida dum voltímetro, p. ex., faz-se normalmente nestes termos, isto é, em termos do valor máximo de funcionamento ou fim de escala. Dizer que a classe de precisão dum voltímetro é 0.1, por exemplo, quer dizer que o maior erro que é possível cometer numa medida (tendo em conta todas as fontes de imprecisão), é 0.1% do valor máximo da escala em que se está a trabalhar. Assim, quando trabalhamos na escala de 20V, o maior erro absoluto que cometemos é: V = 0.02 V Quando medimos nesta escala, uma tensão de 5V, o erro relativo cometido é de: ± 0.02 V 5V 100% =±0.4%

17 DEI/Jaime Fonseca 17 Características dos sensores Relação entre precisão e exactidão

18 Características dos sensores Sensibilidade A sensibilidade pode entender-se como a variação da saída por unidade de variação da entrada. Exemplo: Considere-se o sistema de controlo de velocidade electrónico da fig. Neste caso a referência de velocidade é determinada pela tensão no ponto médio do potenciómetro, Er. Vamos admitir que quando Er = 5V, a velocidade é 3000rpm (rotações-por-minuto). Para Er = 6V, a velocidade é 4000rpm. A sensibilidade é então de (6 5)V para a variação correspondente de ( ) rpm, ou seja, 1000rpm/V. Tacómetro Amp. Saída (r.p.m do veio) DEI/Jaime Fonseca 18

19 Características dos sensores No exemplo anterior se quisermos provocar uma alteração de 4000rpm na velocidade, devemos variar a entrada de (4000 a dividir pela sensibilidade): E r = 4000rpm 1000rpm V = 4V Ou seja, é necessário variar a tensão E r de 5V para 9V. É possível traçar um gráfico com os pontos acima obtidos: E r Velocidade (rpm) DEI/Jaime Fonseca 19

20 Características dos sensores Linearidade A linearidade pode definir-se como o desvio da relação entre duas grandezas de uma linha recta. Resistência vs posição angular do veio (relação linear) DEI/Jaime Fonseca 20

21 DEI/Jaime Fonseca 21 Características dos sensores Recta que melhor se ajusta %linearidade = R R max 100 Linearidade independente Recta de referência (linearidade terminal) %linearidade = R R x 100

22 DEI/Jaime Fonseca 22 Características dos sensores Repetibilidade e estabilidade do zero Repetibilidade refere-se a um conjunto de medidas com o mesmo valor e pode ser expressa em percentagem por: MaxVal.. Lido MinVal.. Lid Max. Desv. Media % repetibilidade = 100 = 100 MaxVal.. Lido + MinVal.. Lid Média A estabilidade do zero refere-se à estabilidade do valor zero.

23 Características dos sensores Histerese Relação entre a entrada e a saída de um sensor. É uma característica do material que está relacionada com a inércia ao nível molecular. DEI/Jaime Fonseca 23

24 Características dos sensores Limite e zona morta O limite representa a mais pequena variação na entrada que é detectada/discernível na saída. A zona morta corresponde a uma zona em que pode existir uma variação da entrada entre valores negativos e positivos em torno do zero sem o valor de saída estabilizar. DEI/Jaime Fonseca 24

25 Sensores de temperatura Termómetros de resistência (RTD Resistance Thermometer detectors) São dispositivos normalmente constituídos por fios de platina (também denominados platinum resistance thermometers or PRT) São lineares mas com uma pobre sensibilidade. PRT Típico PRT de bainha DEI/Jaime Fonseca 25

26 DEI/Jaime Fonseca 26 Sensores de temperatura 500ºC

27 Sensores de temperatura Termístores Usam materiais com um alto coeficiente térmico de resistência. Como por exemplo óxido de magnésio, cobalto, cobalto, níquel e outros metais. Sensíveis mas de fraca linearidade DEI/Jaime Fonseca 27

28 DEI/Jaime Fonseca 28 Sensores de temperatura Resistência (Ω) Temperatura ( C)

29 DEI/Jaime Fonseca 29 Termopares Sensores de temperatura São os sensores de temperatura mais largamente usados na indústria. A sua capacidade para medir sem qualquer fonte de alimentação externa, a excelente repetibilidade, razoável custo e facilidade de fabrico são alguns dos motivos responsáveis por esta situação. C F

30 DEI/Jaime Fonseca 30 Sensores de temperatura

31 DEI/Jaime Fonseca 31 Sensores de temperatura (resumo) Características Termopar Termistor Termoresistência Gama de temperatura 190 C 2500 C (0 absoluto) 320 C 270 C 1200 C Linearidade 10 25% 10% 25% 0.17%: 20 C 100 C 1.62%: 20 C 420 C Precisão 0.1% 5% 5% 0.01% (facilmente) Estabilidade Excelente Pobre Excelente Nível de sinal 40mV/ C (ou menos) 500mV/ C 1V/ C (com uma ponte) até 200mV/ C (com uma ponte) Medida dum só ponto Excelente Excelente Pobre Área de medida Pode ser muito pequena Muito pequena Grande

32 DEI/Jaime Fonseca 32 Transdutores Ópticos (Sensores de Luz) Fotoresistência (LDR "Light Dependent Resistor") Eléctrodos de metal sobre uma superficie de sulfureto de cádmio Fotodíodo

33 DEI/Jaime Fonseca 33 Transdutores Ópticos (Sensores de Luz) Fototransístor Fotocélula η = 10% 0.5V / célula 35mA/ cm 2

34 Transdutores Baseados na Medida de Deformação - Extensómetros d 0 d 1 0 L 0 4 L 2 1 R 0 A π d = 2 0 A 1 π d = 4 1 Direcção de deformação L P R1 R R R = ρ, o = ρ ( ρ resistividade do metal) A1 A0 1 0 R L1 = L 0 = R 0 L A A 0 1 L = 1.01L 0 A = 0.99L 0 R 1.01L L 0 L A0 0.99A R 1 = R 0 = 1.02R L L 1 0 A A (1% de incremento no comprimento) (1% de diminuição na secção) F 0 1 ( R = 2% ) R G = L R L L = 1% = 0.01, L 0.02 G = = (factor de gauge) R = 2% = 0.02 R DEI/Jaime Fonseca 34

35 DEI/Jaime Fonseca 35 Extensómetros

36 Transdutores Baseados na Medida de Deformação V R v 4R ( se R >> R) R A R D = R B R C DEI/Jaime Fonseca 36

37 Medida de Força/Pressão V R v 2R ( se R >> R) DEI/Jaime Fonseca 37

38 DEI/Jaime Fonseca 38 Medida de Força/Pressão

39 DEI/Jaime Fonseca 39 Sensores de deslocamento Potenciómetros São dos dispositivos mais largamente usados para medir deslocamentos devido à sua simplicidade. Pode medir deslocamentos angulares ou lineares. É de baixo custo e de fácil utilização. v = V para v V Rr R + R r R >> Rr, Rr R

40 Sensores de deslocamento Sensores de proximidade indutivos O enrolamento indutivo é afectado pela presença de materiais ferromagnéticos. A proximidade de um material ferromagnético é determinada pela medida da indutância no enrolamento. DEI/Jaime Fonseca 40

41 Sensores de deslocamento Medida de proximidade detectores de fim de curso Sensor de deslocamento digital. Consoante a sua forma de funcionamento podem ser dividido em : microswitches, float switches, pressure switches, etc. DEI/Jaime Fonseca 41

42 DEI/Jaime Fonseca 42 Sensores de deslocamento

43 Sensores de deslocamento Opto-switches Consiste num emissor de luz e num sensor de luz juntos numa mesma unidade. DEI/Jaime Fonseca 43

44 Sensores de deslocamento Transformador diferencial (LVDT) Comportamento linear Disponível para medidas até 1 m com resolução praticamente infinita Robusto DEI/Jaime Fonseca 44

45 DEI/Jaime Fonseca 45 Sensores de deslocamento Codificador absoluto (Absolute position encoder) Angulo Binário Decimal

46 Sensores de deslocamento Codificador incremental Usa uma simples linha que alterna o preto/branco Detecta o movimento nos dois sentidos, os impulsos são contados para determinar a posição absoluta (deverá ser inicialmente feito o reset). DEI/Jaime Fonseca 46

47 DEI/Jaime Fonseca 47 Sensores de deslocamento Sentido directo Sentido inverso

48 Sensores de deslocamento Outras técnicas de contagem para determinar o deslocamento Diferentes métodos usam a contagem para determinar a posição. Inductive sensor Opto-switch sensor DEI/Jaime Fonseca 48

49 Sensores de som Microfones Existem microfones de diferentes tipos: Carbono (resisitivos), capacitivos, piezoeléctricos, etc. Suporte Membrana suspensa e enrolamento íman Terminais do enrolamento DEI/Jaime Fonseca 49

50 DEI/Jaime Fonseca 50 Sensores de som Cristal Eléctrodo de metal Diafragma Eléctrodo de metal Saída Estrutura básica de um microfone de cristal Estrutura básica de um microfone capacitivo Saída

51 DEI/Jaime Fonseca 51 Sensores de Caudal Medida por diferencial de pressão (medidores do tipo Venturi )

52 DEI/Jaime Fonseca 52 Medidores do tipo rotativo Sensores de Caudal

53 DEI/Jaime Fonseca 53 Sensores de Caudal Dispositivos do tipo Vortex Medidores de caudal por ultra-sons

54 DEI/Jaime Fonseca 54 Sensores de distância Infravermelhos Ultrassons

55 Accelerometer Gyro Gas Sensor Pendulum Resistive Tilt Sensors Piezo Bend Sensor Metal Detector Gieger-Muller Radiation Sensor Pyroelectric Detector Resistive Bend Sensors UV Detector Digital Infrared Ranging CDS Cell Resistive Light Sensor Limit Switch Mechanical Tilt Sensors Touch Switch Pressure Switch Miniature Polaroid Sensor IR Pin Diode IR Sensor w/lens Thyristor Magnetic Sensor IR Reflection Sensor IR Amplifier Sensor IRDA Transceiver Magnetic Reed Switch Hall Effect Magnetic Field Sensors Polaroid Sensor Board Lite-On IR Remote Receiver Radio Shack Remote Receiver IR Modulator Receiver Solar Cell DEI/Jaime Compass Fonseca Compass 55 Piezo Ultrasonic Transducers

56 Electrónica Industrial Actuadores Electropneumáticos e Electrohidráulicos

57 DEI/Jaime Fonseca 57 Sistemas Pneumáticos Introdução Utilizam como forma de energia o ar-comprimido e são utilizados em sistemas de comando e automatização A automatização pneumática constitui, juntamente com a electrónica, o principal meio de automatização de várias indústrias; a maior parte das aplicações em "automação de baixo custo" utilizam a pneumática como sistema de controlo e automação

58 DEI/Jaime Fonseca 58 Vantagens Sistemas Pneumáticos O ar existe em volume ilimitado (não custa dinheiro) Quando comprimido pode ser facilmente armazenado para posterior utilização Não arde São sistemas não poluentes e limpos Facilmente se associam a outros sistemas de transmissão de energia Grande facilidade na automatização de sistemas Desvantagens O ar é compressível o que dificulta um posicionamento preciso O ar expande-se o que pode originar acidentes do tipo explosão Não permitem a aplicação de forças elevadas já que não é possível utilizar pressões elevadas

59 DEI/Jaime Fonseca 59

60 DEI/Jaime Fonseca 60

61 Componentes de Sistemas Pneumáticos Motores pneumáticos (elementos que transformam a energia potencial do ar-comprimido em energia mecânica) Cilindros (movimento linear) Efeito simples Cilindros de efeito simples Efeito duplo A pressão do ar pode ser aplicada ao pistão nos dois sentidos Cilindros de efeito duplo DEI/Jaime Fonseca 61

62 DEI/Jaime Fonseca 62 Componentes de Sistemas Pneumáticos Válvulas (elementos que regulam e controlam a energia) Direccionais Dirigem o ar para as diferentes partes do circuito. Reguladoras/limitadoras de pressão As reguladoras mantêm a pressão a jusante constante, independentemente da pressão a montante. As limitadores são válvulas de segurança. Reguladoras de caudal Permitem estrangular o fluxo do ar permitindo variar o seu caudal. Anti-retorno Permitem que o ar circule só num sentido. Tipos de comando Manual Mecânico Eléctrico (electroválvulas)

63 DEI/Jaime Fonseca 63 Aplicações Industria mineira Metalomecânica Industria dos plásticos Construção civil Industria alimentar Sistemas Pneumáticos Automatização mecânica

64 DEI/Jaime Fonseca 64 Sistemas Hidráulicos Introdução Os sistemas óleo-hidráulicos utilizam o óleo (actualmente sintéticos) como meio de transmissão de energia Se aos sistemas de ar-comprimido se deve associar a ideia de automatização e comando, à óleo-hidráulica deve associar-se a ideia de força

65 Vantagens Sistemas Hidráulicos Os óleos possuem características auto-lubrificantes, não são corrosivos e não deixam depósitos Obtenção de forças elevadas à custa de orgãos de reduzidas dimensões Constituídos por orgãos de pequena inércia e elevada relação peso/potência o que possibilita excelentes acelerações da carga Facilidade de associação a outros sistemas de transmissão de energia Possibilidade de automação de ciclos de trabalho É relativamente fácil garantir a segurança graças à natureza não expansiva do óleo Desvantagens São muito mais caros que os sistemas pneumáticos Existe o perigo potencial incêndio (o óleo é combustível) É normalmente necessário prever sistemas de arrefecimento do óleo DEI/Jaime Fonseca 65

66 DEI/Jaime Fonseca 66

67 Componentes de Sistemas Hidráulicos Geradores Hidráulicos (Na produção de energia hidráulica ) Bombas de engrenagens (cilindrada constante) de palhetas (cilindrada constante ou variável) de êmbolos (cilindrada constante ou variável) Acumuladores (Acumulam energia sob a forma de uma determinada quantidade de óleo a determinada pressão) DEI/Jaime Fonseca 67

68 Componentes de Sistemas Hidráulicos Válvulas (São os elementos de comando e regulação da energia hidráulica) Distribuidoras (direccionais) Controlam a direcção de escoamento do óleo, comandando arranques e paragens de receptores. De retenção (anti-retorno) - permitem que o óleo circule apenas num sentido. Reguladoras de pressão Limitadoras de pressão - são válvulas de segurança De sequência - abrem quando a pressão do óleo atinge determinado valor permitindo criar sequências na distribuição do óleo no circuito Contra-pressão similares às anteriores Redutoras de pressão - as válvulas redutoras de pressão mantêm constante a pressão a jusante Reguladoras de caudal - alteram as condições de escoamento do óleo, permitindo assim controlar a velocidade de deslocamento dos receptores. Servo-válvulas, válvulas proporcionais - destinam-se a ser utilizadas em sistemas de comando com realimentação. DEI/Jaime Fonseca 68

69 Componentes de Sistemas Hidráulicos Receptores Cilindros hidráulicos - Energia hidráulica em mecânica. Motores hidráulicos - - Energia hidráulica em mecânica. Acessórios (tubagens, filtros, reservatórios, manómetros, etc.) Funcionamento do cilindros de efeito simples: A, por compressão; B, por tracção DEI/Jaime Fonseca 69

70 DEI/Jaime Fonseca 70 Aplicações Máquinas-ferramenta Sistemas Hidráulicos Maquinaria utilizada na agricultura e construção civil Maquinaria utilizada na construção fluvial e marítima Navios Siderurgia (prensas, injectoras,...) Outras indústrias (outras industrias pesadas, plásticos,...)

71 Electrónica Industrial Concepção de um automatismo

72 Características de um automatismo Automatismo : Dispositivo que permite que um sistema funcione de forma autónoma, sendo a intervenção do operador reduzida ao mínimo indispensável. Vantagens: Simplifica o trabalho do operador Retira do operador tarefas complexas, perigosas, pesadas, ou indesejadas. Alterações aos processos de fabrico Qualidade constante de fabrico Aumento de produção Economia de matéria prima e energia DEI/Jaime Fonseca 72

73 DEI/Jaime Fonseca 73 Estrutura: Estrutura de um automatismo Entradas : Dispositivos que recebem informações do sistema a controlar. Botoneiras, sensores, comutadores, fins de curso, etc. Saídas : Dispositivos actuadores e sinalizadores. Motores, válvulas, lâmpadas, displays, etc. Lógica : Bloco que define as características de funcionamento do automatismo.

74 DEI/Jaime Fonseca 74 Exemplo : Automatismo de uma porta Parte operativa : Motor que acciona o fecho e abertura da porta. Parte de controlo : O sensor de proximidade, os fins de curso, a chave de permissão e toda a lógica de exploração.

75 DEI/Jaime Fonseca 75 Implementação de um automatismo Especificações funcionais: Detalhar todo o funcionamento do sistema a automatizar. Deve pormenorizar-se toda a lógica que vai permitir a correcta exploração do sistema. Especificações tecnológicas: Descreve-se o ambiente em que o sistema vai operar, assim como as características que os equipamentos a integrar deverão possuir, de forma a permitirem um bom desempenho do automatismo. Especificações operativas: Dizem respeito à fiabilidade, segurança, flexibilidade, manutenção, diálogo homem-máquina, etc.

76 DEI/Jaime Fonseca 76 Exemplo da porta automática Especificações funcionais Pretende-se que o automatismo de exploração deste sistema, permita comandar a abertura e fecho de uma porta de acesso. O comando poderá ser automático ou manual. Para o efeito, existirá no frontal do quadro de comando, um comutador de duas posições para a selecção do modo. O modo manual usa duas botoneiras que permitirão respectivamente abrir e fechar a porta. Uma vez premida a botoneira de abertura, a porta abrir-se-á até que seja atingido um fim de curso que detecta o limite de abertura da mesma. Premindo a botoneira de fecho, a porta fechar-se-á até que seja premido um outro fim de curso que detecta o fecho. O modo automático faz uso de 2 sensores que detectam a proximidade de uma pessoa. Quando um deles é activado inicia-se a abertura da porta. Esta permanece aberta até que tenha passado um tempo que pode ir de 5 até 20s, após o desaparecimento do sinal proveniente dos sensores de proximidade. Findo este tempo, a porta inicia o fecho. Se durante o fecho, o sensor de proximidade detectar a presença de uma pessoa, deverá interromper a operação e abrir de novo a porta.

77 Exemplo da porta automática Especificações tecnológicas O sensor que detecta a proximidade de uma pessoa, deve ser um modelo para ser montado sobre a porta (um no interior e outro no exterior) e deve ser de infravermelhos passivo, com saída por transístor. A sua sensibilidade deve ser tal, que a saída deste só active quando estiver uma pessoa a menos de 2 metros da porta. O motor que acciona a abertura e fecho da porta, ser eléctrico, trifásico,..,etc. Especificações operativas O comutador automático-manual dever ser um modelo com chave. Deve existir um contador de operações de abertura e fecho da porta, de forma a identificar o momento das operações de manutenção que deverão efectuar-se de em manobras...etc. DEI/Jaime Fonseca 77

78 DEI/Jaime Fonseca 78 Métodos gráficos para representação da lógica Diagrama de contactos Diagrama lógico Grafcet

79 Diagrama de contactos Diagrama de contactos Este método de representação, implementa a sequência lógica usando contactos colocados em série e em paralelo, tal como num esquema eléctrico. O símbolo de contacto é ligeiramente alterado como se pode ver nas figuras seguintes. DEI/Jaime Fonseca 79

80 DEI/Jaime Fonseca 80 Diagrama de contactos Esquema eléctrico Diagrama de contactos

81 Diagrama lógico Diagrama lógico Esta representação do automatismo, implementa a lógica, usando circuitos lógicos E e OU. Para representar o mesmo circuito do exemplo anterior, teríamos : DEI/Jaime Fonseca 81

82 DEI/Jaime Fonseca 82 Grafcet Grafcet (GRAFo de Comando Etapa-Transição) : inspirado nos diagramas de estado surge como uma ferramenta útil para descrição das três fases de especificação de um caderno de encargos (especificações funcionais, tecnológicas e operacionais). Permite descrever de uma forma simples o comportamento de um automatismo sequencial de uma forma clara, simples e de fácil compreensão. Por outro lado facilita o diálogo entre pessoas com níveis de formação diferente. Grafcet de nível 1 (especificações funcionais): Onde se registam os aspectos funcionais que constituem um caderno de encargos especificado de uma forma rigorosa (especificações funcionais). Grafcet de nível 2 (especificações tecnológicas e operacionais): Onde os aspectos tecnológicos já surgem com a definição precisa das entradas e saídas, constitue uma tradução do caderno de encargos pronta a ser implementada directamente através de sequenciadores, módulos lógicos ou autómatos programáveis.

83 Grafcet Um sistema automatizado pode decompor-se em duas partes interactivas: Parte operativa: Sistema físico a automatizar. Parte de comando (ou autómato): Equipamento que determina as ordens destinadas ao sistema físico e os sinais visuais em função das informações enviadas pela parte operativa e das instruções recebidas do operador. OPERADOR Sinalizações Instruções PARTE COMANDO Autómato Ordens Informações PARTE OPERATIVA Processo a automatizar DEI/Jaime Fonseca 83

84 DEI/Jaime Fonseca 84 Grafcet Elementos do Grafcet ETAPAS (às quais estão associadas acções). TRANSIÇÕES (às quais estão associadas receptividades). LIGAÇÕES ORIENTADAS (une as etapas às transições e estas às etapas) > Etapa > Transição > Etapa

85 DEI/Jaime Fonseca 85 Grafcet Etapas Caracterizam-se por um comportamento invariante da parte de comando em relação às suas entradas e saídas. Num determinado instante, uma etapa pode estar activa ou inactiva. O conjunto das etapas activas definem inteiramente a situação do autómato. Representa-se por um rectângulo e é referenciado por um número, ao qual se pode associar um nome relacionado com a sua respectiva função. Um rectângulo com linha dupla simboliza a etapa inicial do Grafcet. Estas etapas são sempre activadas ao iniciar um Grafcet. Após a inicialização deste estas actuam como etapas normais. Uma etapa pode ter mais que uma entrada e mais que uma saída. 0 INÍCIO 30 ESPERA 5 6 AVANÇA ESPERA

86 Grafcet Acções São executadas quando a etapa com que estão relacionadas está activa. Podem ser externas, afectando as saídas, ou internas relacionadas com blocos funcionais como por exemplo os temporizadores e os contadores. São referenciadas através do símbolo correspondente, podendo também incluir uma breve descrição. A execução das acções pode depender também da verificação de uma expressão lógica (condição) envolvendo: Entradas; Variáveis auxiliares relacionadas com blocos funcionais (temporizadores e contadores); O estado (activo ou inactivo) de outras etapas (X). 20 INÍCIO Ligar o sinalizador L Arrancar o motor M OU 20 INÍCIO L=1 M=1 E1/ X30 20 INÍCIO L=1 M=1 DEI/Jaime Fonseca 86

87 Grafcet Transições Indicam a possibilidade de evolução entre etapas. Essa evolução ocorre quando uma transição é transposta, originando uma alteração na situação do autómato. A transposição depende da validação da transição e da verificação da sua receptividade. Uma transição encontra-se validada sempre que todas as etapas imediatamente precedentes estão activas. (E0 + E1) * T0 + X22 DEI/Jaime Fonseca 87

88 Grafcet Regras de evolução Regra 1: Na inicialização do sistema devem activar-se todas as etapas iniciais e sómente as iniciais. Regra 2: Uma transição diz-se validada quando todas as etapas imediatamente precedentes estão activas. A transposição duma transição realiza-se no caso de : a transição estar validada; a receptividade associada à transição ser verdadeira a + b.c = 0 ou 1 a + b.c = 0 a + b.c = Transição não validada Transição Validada Transição Transposta DEI/Jaime Fonseca 88

89 Grafcet Regras de evolução (Cont.) Regra 3: A transposição de uma transição provoca a activação das etapas imediatamente a seguir, ao mesmo tempo que se desactivam todas as imediatamente precedentes. Quando existem várias etapas ligadas a uma mesma transição representa-se o conjunto das ligações por dois traços paralelos. Regra 4: Várias transições validadas simultâneamente com receptividades verdadeiras são transpostas também em conjunto. Regra 5: Se, no decurso do funcionamento, uma mesma etapa deve ser simultaneamente desactivada e activada, ela permanece activa a + b.c = 0 ou 1 a + b.c = 0 a + b.c = Transição não validada Transição Validada Transição Transposta DEI/Jaime Fonseca 89

90 DEI/Jaime Fonseca 90 Grafcet Estrutura base: sequência única; sequências simultâneas; sequências exclusivas a.b a.b

91 Electrónica Industrial Autómatos programáveis

92 Estrutura de um autómato programável Do ponto de vista do utilizador, o autómato é uma "caixa preta" que processa informação. Os Controladores Lógicos Programáveis (PLC's) podem apresentar aspectos físicos diferentes, diferentes performances e custos muito díspares; no entanto, os seus elementos constituintes são fundamentalmente os mesmos. Sendo um equipamento capaz de controlar processos, naturalmente dispõe de dispositivos de aquisição e saída de informações. Sendo também um equipamento programável, integra um microprocessador e uma memória para guardar o programa. Para alimentar os circuitos atrás descritos, existirá também uma fonte de alimentação. Finalmente, para que possa ser introduzido o programa e para que possa existir um diálogo básico para o exterior, dispõe também a possibilidade de ligar dispositivos de programação. Interface Entradas volátil não volátil ROM RAM EPROM Memória CPU Unidade Central de Processamento da Informação Interface Homem x Máquina Interface Saídas DEI/Jaime Fonseca 92

93 DEI/Jaime Fonseca 93 Tipos de entradas Por relé Por transístor Por acoplador óptico

94 DEI/Jaime Fonseca 94 Tipos de saídas Por relé Por transístor Por triac

95 CPU É este o bloco que tem a função de ler os valores lógicos presentes nas entradas, executar as instruções que constituem o programa e transferir para as saídas as ordens provenientes dessas instruções. Tem ainda a seu cargo gerir todos os periféricos e diagnosticar defeitos que possam ocorrer internamente. Tempo de ciclo depende: Velocidade de trabalho do microprocessador Número de instruções do programa Tipo de instruções usadas no programa Número de periféricos DEI/Jaime Fonseca 95

96 Memória É na memória que se encontra o programa a ser executado pelo autómato. A memória tem como função salvaguardar todas as instruções do programa, mesmo quando este não está a ser alimentado. A memória caracteriza-se pela sua capacidade que pode ser expressa de três formas: Número de bits ou Kbts (1Kbts = 1024 bits) Número de Bytes ou KB (1Byte = 8 bits) Número de Words ou KW (1 Word = 16 bits) Quanto à tecnologia podem ser: RAM (Random Access Memory) EPROM (Erasable Programable Read Only Memory) EEPROM ( Electricaly Erasable Programable Read Only Memory) FLASHRAM DEI/Jaime Fonseca 96

97 DEI/Jaime Fonseca 97 RAM Memórias Podem ser escritas e alteradas facilmente. São as mais usadas na fase de desenvolvimento. Perdem a informação quando não alimentadas (usual a utilização de pilhas). EPROM Não perde a informação no caso de falhar a alimentação. Morosa qualquer alteração pois tem que ser apagada por exposição a raios ultravioletas e novamente programada com recurso a equipamento específico. EEPROM Não perde a informação no caso de falhar a alimentação. Pode ser apagada e escrita pelo autómato mas com um número limitado de ciclos de escrita. Custo mais elevado do que o de uma RAM. FLASHRAM Características semelhantes às da EEPROM permitindo também leitura e escrita no próprio circuito onde é usada. Limitada também pelo número de escritas. Mais rápida a velocidade de escrita do que a EEPROM.

98 DEI/Jaime Fonseca 98 Cartas mais usuais Entrada e saída digitais: Estas podem ser a relé, transístor ou triac. As saídas a relé são normalmente preferidas porque na maior parte das vezes dispensam os relés de acoplamento aos actuadores. Analógico/Digitais: Os sinais analógicos são recebidos por módulos de entrada que possuem conversão analógica/digital. Os módulos de saída dirigem os sinais destinados aos actuadores depois de toda a informação ter sido processada internamente pela unidade central. As gamas usuais são: (0V a 10V) ou (4mA a 20mA) ou (1V a 5V). Digital/Analógico: Os módulos de saídas analógicas destinadas, por exemplo, a válvulas proporcionais ou a variadores de velocidade, executam a conversão digital/analógica dentro das gamas já adiantadas anteriormente para os módulos de entrada. Cartas especiais: Os módulos especiais destinam-se por exemplo ao posicionamento de um ou mais eixos num motor passo-a-passo ou a reconhecer sinais de alta frequência, como: geradores de impulsos (encoders) ou fotocélulas que geram sinais cujo período é de milisegundos e que dificilmente poderão ser vistos nas entradas consideradas normais.

99 Electrónica Industrial Programação de autómatos

100 DEI/Jaime Fonseca 100 Booleana Linguagens de programação mnemónica Diagramas de escada (Ladder) Grafcet

101 DEI/Jaime Fonseca 101 Ficha técnica CPM1 10CDR-A

102 DEI/Jaime Fonseca 102 Áreas de memória CPM1

103 DEI/Jaime Fonseca 103 Áreas de memória CPM1

104 DEI/Jaime Fonseca 104 Áreas de memória CPM1

105 DEI/Jaime Fonseca 105 Áreas de memória CPM1

106 DEI/Jaime Fonseca 106 Áreas de memória CPM1

107 DEI/Jaime Fonseca 107 Instruções de tratamento lógico

108 DEI/Jaime Fonseca 108 Instruções de tratamento lógico

109 DEI/Jaime Fonseca 109 Instruções de tratamento lógico

110 DEI/Jaime Fonseca 110 Instruções de tratamento lógico

111 DEI/Jaime Fonseca 111 Instruções de tratamento lógico

112 DEI/Jaime Fonseca 112 Instruções de tratamento lógico

113 DEI/Jaime Fonseca 113 Instruções de tratamento lógico

114 DEI/Jaime Fonseca 114 Instruções de tratamento lógico

115 DEI/Jaime Fonseca 115 Instruções de tratamento lógico

116 DEI/Jaime Fonseca 116 Instruções de tratamento lógico

117 DEI/Jaime Fonseca 117 Instruções de tratamento lógico

118 DEI/Jaime Fonseca 118 Utilização de memória temporária

119 DEI/Jaime Fonseca 119 Utilização de memória temporária

120 DEI/Jaime Fonseca 120 Exemplo Circuito com realimentação

121 DEI/Jaime Fonseca 121 Exemplo Circuito com realimentação

122 DEI/Jaime Fonseca 122 Funções set e reset

123 DEI/Jaime Fonseca 123 Função Keep(11)

124 DEI/Jaime Fonseca 124 Função Keep(11)

125 DEI/Jaime Fonseca 125 Função DIFU(13)

126 DEI/Jaime Fonseca 126 Função DIFD(14)

127 DEI/Jaime Fonseca 127 Exemplo Comando do motor

128 DEI/Jaime Fonseca 128 Temporizadores

129 DEI/Jaime Fonseca 129 Temporizadores

130 DEI/Jaime Fonseca 130 Contadores

131 DEI/Jaime Fonseca 131 Contadores

132 DEI/Jaime Fonseca 132 Função CMP(20)

133 DEI/Jaime Fonseca 133 Função CMP(20)

134 DEI/Jaime Fonseca 134 Função MOV(21)

135 DEI/Jaime Fonseca 135 Função MOV(21)

136 DEI/Jaime Fonseca 136 Função SFT(10)

137 DEI/Jaime Fonseca 137 Função SFT(10)

138 DEI/Jaime Fonseca 138 Exemplo-Programação de processos sequenciais

139 DEI/Jaime Fonseca 139 Exemplo-Programação de processos sequenciais

140 DEI/Jaime Fonseca 140 Exemplo-Programação de processos sequenciais

141 DEI/Jaime Fonseca 141 Exemplo-Programação de processos sequenciais

142 Electrónica Industrial Terminais MMI (Man Machine Interface)

143 DEI/Jaime Fonseca 143 O que é um terminal MMI

144 DEI/Jaime Fonseca 144 Vantagens em usar um terminal MMI

145 DEI/Jaime Fonseca 145 Vantagens em usar um terminal MMI

146 DEI/Jaime Fonseca 146 Vantagens em usar um terminal MMI

147 DEI/Jaime Fonseca 147 Vantagens em usar um terminal MMI

148 DEI/Jaime Fonseca 148 Vantagens em usar um terminal MMI

149 Electrónica Industrial Redes Industriais

150 Flow Flow Conceitos gerais de redes Hierarquia num barramento industrial Temperature Control Panel Pressure Alarm Conditions STOP Enterprise Temperature Control Panel Pressure Alarm Conditions STOP Control Fieldbus Devicebus Fisher Sensorbus N N N N N N DEI/Jaime Fonseca 150

151 DEI/Jaime Fonseca 151 Conceitos gerais de redes Hierarquia ao nível da funcionalidade Enterprise bus (Ethernet) Control bus (HSE (High Speed Ethernet), ControlNet) Redes intermédias para facilitar a ligação à Internet. A norma IEEE1451 determina como sensores e actuadores podem ser ligados directamente a uma rede de controlo. Fieldbus (Foundation Fieldbus, Profibus PA) Redes especializadas em variáveis analógicas e controlo. Device bus (DeviceNet, Profibus DP, Interbus-S) Interligam dispositivos inteligentes mais complexos. As mensagens aqui são orientadas ao byte. Sensor bus (CAN, ASI, Seriplex, LonWorks) Normalmente utilizadas para interligar sensores e actuadores discretos. Basicamente transmitem estados e bits de comando.

152 DEI/Jaime Fonseca 152 O modelo OSI Conceitos gerais de redes 7 Application 6 Presentation 5 Session Application layers 4 Transport 3 Network 2 Data link 1 Physical Data transport layers

153 Conceitos gerais de redes Escolhendo uma rede industrial Requisitos da aplicação Facilidades/conformidade da camada física Desempenho da rede Facilidades de integração com equipamento existente Requisitos de velocidade e tempo Disponibilidade de equipamentos Custo Instalação, dispositivos, treino e manutenção. DEI/Jaime Fonseca 153

154 CAN O protocolo CAN foi desenvolvido por Robert Bosch e tem como principal aplicação a implementação de uma rede intraveicular Classe C, particularmente exemplificada na indústria automóvel, que se tem mostrado uma cliente em potencial do CAN Publicação pela Bosch da especificação do CAN Introdução da Kvaser de um protocolo em camadas baseado em CAN, chamado CAN Kingdom Primeiros carros da Mercedes-Benz a usar redes CAN Introdução do protocolo DeviceNet por Allen-Bradley 1995 Publicação do protocolo CANopen pela CIA DEI/Jaime Fonseca 154

155 DEI/Jaime Fonseca 155 CAN Características do protocolo CAN Número máximo de unidades: 110 A prioridade de mensagens definida pelo utilizador, com latência máxima garantida para mensagens de maior prioridade Protocolo multi-master que utiliza NON - Destructive Collision Resolution Sistema flexível Característica de detecção e sinalização de erros construídas dentro do protocolo CAN, com retransmissão automática de mensagens corrompidas Comprimentos estimados em projectos de 500m a 1km Utiliza bitwise arbitration, isto é, um dispositivo pode transmitir a qualquer momento quando o barramento estiver disponível (CSMA), em caso de colisão, o bit 0 no identificador é dominante, definindo assim a prioridade dos dispositivos 11 ou 29 bit no campo de identificação

156 CAN Existem dois formatos de frames que são utilizados no protocolo CAN, o Standard CAN e o Extended CAN. O standard CAN possui um identificador de 11 bits O extended CAN surgiu para promover a compatibilidade com outros protocolos de comunicação série usados em aplicações automóveis nos EUA e para ainda ser compatível com a versão 2.0A. Possui um identificador de 29 bits (11+18 extended) DEI/Jaime Fonseca 156

157 DEI/Jaime Fonseca 157 CAN Taxa de transmissão 1 Mbit/s 800 kbit/s 500 kbit/s 250 kbit/s 125 kbit/s 62.5 kbit/s 20 kbit/s 10 kbit/s Comprimento máximo da rede 30m 50m 100m 250m 500m 1000m 2500m 5000m

158 Controladores CAN Intel B FullCAN. Stand-alone Philips 82C BasicCAN. Stand-alone Philips 82C SLIO NEC upd B FullCAN. Stand-alone Nat. Semi COP A BasicCAN. On-chip Siemens 81C90 2.0A FullCAN. Stand-alone Siemens SABC167C 2.0B FullCAN. On-chip Motorola TOUCAN 2.0B FullCAN. On-chip Motorola MSCAN 2.0B BasicCAN. On-chip Motorola MCAN 1.0 BasicCAN. On-chip DEI/Jaime Fonseca 158

159 DeviceNet Camada física É uma rede de comunicação de baixo custo idealizada para interligar equipamentos industriais, tais como: Sensores indutivos de proximidade, capacitivos, fotoeléctricos, válvulas, solenóides, motores de passo, sensores de processos, leitores de código de barras, variadores de frequência, painéis e interfaces de operação. DeviceNet é um dos 3 standard aberto da (ODVA) os outros dois são o ControlNet e Ethernet/IP CAN na camada de comunicação 125kbps (500m), 250, or 500 kbps Até 64 dispositivos por rede Sinal diferencial (CAN high + CAN low) Alimentação disponível no barramento 11 bit arbitration ID PC Trunk Drop DEI/Jaime Fonseca 159

160 DeviceNet Camada de aplicação Tipos de comunicação Ligações ponto-a-ponto Ligações Multicast Tipos de ligação Multicast Polled O escravo só responde quando o master faz um pedido. Strobed O master envia uma mensagem por difusão. Todos os escravos respondem com a informação do seu sensor. Usado somente para sensores simples como por exemplo foto sensores e fins de curso. Change-of-state O escravo envia uma mensagem para o master sempre que detecta alterações na informação do sensor. Cyclic O escravo envia uma mensagem para o master periodicamente. DEI/Jaime Fonseca 160

161 DEI/Jaime Fonseca 161 DeviceNet

162 DEI/Jaime Fonseca 162 Profibus O PROFIBUS (PROcess Field BUS), pode ser definido como FieldBus (barramento de campo aberto) e é utilizado numa ampla gama de aplicações para a indústria. As redes deste tipo visam a interligação de sensores, actuadores, transdutores, racks de entrada/saída e sistemas de controlo local de forma bidireccional, atribuindo a cada dispositivo um maior poder de computação e tornando-o um dispositivo mais inteligente. PROFIBUS distingue equipamentos Master e Slave: Os Masters controlam a transmissão dos dados no barramento. Um Master pode emitir mensagens quando quiser, sob reserva de obter o acesso à rede. Os Slaves são equipamentos periféricos (tipicamente blocos de entradas e saídas, inversores, válvulas, terminais, sensores, actuadores) que não tem autorização para aceder ao Bus. As suas acções limitam-se ao processamento das mensagens recebidas ou à transmissão de mensagens a pedido do Master.

163 Profibus and FOUNDATION Fieldbus Camada Física Profibus PA (Process Automation) and FOUNDATION Fieldbus Standard is IEC Kbps Até 32 dispositivos por segmento Mais com repetidores Sinal diferencial Alimentação disponível no barramento Até 1900 m Mais com repetidores PC IS Barrier DEI/Jaime Fonseca 163

164 Profibus camada de aplicação O PROFIBUS está dividido em três protocolos de transmissão designados por perfis de comunicação, com funções bem definidas: DP, FMS e PA. Estes perfis têm por objectivo definir a forma como os dados são transmitidos em série pelo utilizador sobre um mesmo suporte físico. DP - Rede de dispositivos FMS Integração de células PA Áreas classificadas e processos DEI/Jaime Fonseca 164

165 DEI/Jaime Fonseca 165 Profibus camada de aplicação Perfil DP trata-se do perfil de comunicação mais difundido na indústria e o mais utilizado devido à sua rapidez, à sua performance e a sua ligação a baixo custo. Este perfil está reservado à comunicação entre automatismos e periféricos não centralizados. Ele substitui perfeitamente a transmissão clássica de sinais paralelos de 24V e os sinais analógicos em anel 4-20 ma. Perfil FMS (Fieldbus Message Specification) trata-se de um perfil universal, sobressai nas tarefas de comunicação exigentes e é acompanhado de múltiplas funções aplicativas evoluídas gerando a comunicação entre equipamentos inteligentes (Redes de controladores programáveis, sistemas de controlo de processos, painéis de operação, PC s, etc.). Submetido à evolução do PROFIBUS e à persuasão do mundo TCP/IP ao nível de célula, é de constatar que o perfil FMS tem um papel cada vez menos importante na comunicação industrial do futuro. Perfil PA (Process Automation): Comunicação nas indústrias de processo; Acoplamento de instrumentos de medição a controladores programáveis, sistemas de controlo de processos, PCs; Transmissão de dados e energia no mesmo cabo.

166 DEI/Jaime Fonseca 166 Profibus

167 Electrónica Industrial SCADA

168 DEI/Jaime Fonseca 168 Sistemas SCADA SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition Aplicação informática para controlo de processos, proporcionando comunicação entre os dispositivos de campo (controladores programáveis,...) e o computador, o qual faz a monitorização do sistema, gestão de alarmes, controlo do processo. A informação referente ao processo produtivo é disponibilizada a outros sectores da empresa, nomeadamente, controlo de qualidade, manutenção, supervisão.

169 Sistemas SCADA Equipamento PC Equipamento de campo (controladores) Redes dedicadas (Field Bus) Displays gráficos Rede Ethernet DEI/Jaime Fonseca 169

170 Sistema SCADA Funções Gestão de alarmes Visualização de dados monitor/impressora Gravação de históricos em ficheiro/base de dados com possibilidade de importação numa folha de cálculo Execução de programas de controlo que eventualmente alterem o estado dos autómatos Múltiplas estações por servidor com possibilidade de acesso remoto DEI/Jaime Fonseca 170

171 Sistema SCADA Requisitos Sistemas abertos, com possibilidade de alterações e inovações Redes locais e de gestão transparentes para o utilizador Sistemas fáceis de instalar, sem grandes necessidades de hardware Programas fáceis de usar, com interfaces amigáveis para o utilizador DEI/Jaime Fonseca 171

172 Sistema SCADA Módulos Configuração Interface gráfico com o utilizador Controlo do processo Gestão e gravação de dados Comunicações DEI/Jaime Fonseca 172