Primeiros sistemas de controle desenvolvidos durante a Revolução Industrial, no final do século XIX.

Transcrição

1 Introdução Histórica Primeiros sistemas de controle desenvolvidos durante a Revolução Industrial, no final do século XIX. Sistemas de automação mecânico, para tarefas repetitivas e arriscadas, desenvolvidos para cada tarefa e de menor vida útil. A partir de 1920 os sistemas mecânicos foram substituídos por relés. Com a invenção dos transistores e dos sistemas integrados, permitindo uma melhoria significativa na lógica de programação com estes dispositivos. A partir de 1970 os primeiros computadores comerciais começaram a ser utilizados como controladores de processos de grande porte.porém eram grandes e caros demais. 1

2 Introdução Histórica O Programable Logic Controller (PLC) ou Controlador Lógico Programável (CLP) foi desenvolvido a partir de uma demanda existente na indústria automobilística norte-americana. Suas primeiras aplicações datam de 1968 na Hydronic Division General Motors. 2

3 Características técnicas de um CLP necessárias para a indústria. Facilidade de programação e reprogramação, preferivelmente na planta, para ser possível alterar a sequencia de operações na linha de montagem; Possibilidade de manutenção e reparo, com blocos de entrada e saída modulares; Confiabilidade, para que possa ser utilizado em um ambiente industrial; Redução de tamanho em comparação ao sistema tradicional que utilizava relês; Ser competitivo em custo com relação a painéis de relês e eletrônicos equivalentes; Possibilitar entradas em 115 V e saídas com 115 V e com capacidade mínima de 2 A para operar com válvulas solenóides e contatores. Possibilitar expansões sem grandes alterações no sistema; Memória programável com no mínimo 4 Kbytes e possibilidade de expansão; Estações de operação com interface mais amigável; Possibilidade de integração dos dados de processo do CLP em bancos de dados gerenciais, para tornar disponíveis informações sobre o chão de fábrica para os departamentos envolvidos com o planejamento de produção. 3

4 Definição Considera-se o CLP um computador projetado para trabalhar no ambiente industrial. O transdutores e os atuadores são conectados a robustos cartões de interface. Comparados com um computador de escritório, os primeiro CLPs tinham um conjunto de instruções reduzido, normalmente com apenas condições lógicas e não possuíam entradas analógicas, podendo manipular somente aplicações de controle digital (discreto). Definição de CLP pelo IEC (International Electrotechinal Commission) Sistema eletrônico operando digitalmente, projetado para uso em ambiente industrial, que usa uma memória programável para armazenagem interna de instruções orientadas para o usuário para implementar funções específicas, tais como lógica, sequencial, temporização, contagem aritmética, para controlar, através de entradas e saídas digitais ou analógicas, vários tipos de máquinas ou processos. O controlador programável e seus periféricos associados são projetados para serem facilmente integráveis em um sistema de controle industrial e facilmente usados em todas suas funções previstas. 4

5 Utilização dos CLPs Toda planta industrial necessita de algum tipo de controlador para garantir uma operação segura e economicamente viável. Desde os níveis mais simples até os mais complexos. Sensores/transdutores: transdutor é um dispositivo que converte uma condição física do elemento sensor em um sinal elétrico para ser utilizado pelo CLP através de conexão às entradas do CLP. Um exemplo típico é um botão de pressão momentânea, em que um sinal elétrico é enviado do botão de pressão ao CLP, indicando sua condição atual (pressionado OU liberado). Atuadores: sua função é converter o sinal elétrico oriundo do CLP em uma condição física, normalmente ligando ou desligando algum elemento. Os atuadores são conectados às saídas do CLP. Por exemplo, ligar/desligar um motor através da saída do CLP conectado a um contator. Controladores: de acordo com os estados de suas entradas, o controlador utiliza um programa de controle para calcular os estados de suas saídas. O operador pode interagir com o controlador através de parâmetros de controle. Alguns controles são dotados de mostradores de estado em uma tela ou display. 5

6 Utilização dos CLPs 6

7 Características do sistema com CLP Benefícios Uso de componentes de estado sólido Memória programável Pequeno tamanho Microprocessador Alta confiabilidade Simplifica mudanças Flexibiliza o controle Necessita de um espaço mínimo para instalação Capacidade de comunicação Alto nível de performance Alta qualidade dos produtos Possibilidade de trabalhar com muitas funções simultaneamente Contadores/temporizadores via software Controle de relés via software Arquitetura modular Facilidade para alterar presets Elimina Hardware Reduz o custo de Hardware/cabeamento Redução de espaço Flexibilidade para instalação Facilmente instalado Redução de custos de hardware Expansibilidade Variedades de interfaces de I/O Estações remotas I/O Indicadores de diagnóstico Interfaces modulares de I/O Variáveis de sistema alocadas na memória de dados Controle de uma grande variedade de I/O Elimina um controle dedicado Elimina cabeamentos longos Reduz tempo de manutenção Sinaliza a operação correta/incorreta do sistema de controle Facilita a manutenção Facilita o cabeamento Facilita gerenciamento/manutenção Podem ser colocadas na forma de um relatório de saída 7

8 Arquitetura dos CLPs 8

9 Controladores Lógicos Programáveis Interfaces de Entradas e Saídas 9

10 Sensores Chave botoeira A chave mais comumente utilizada na indústria é a botoeira. Existem dois tipos de chaves botoeira, a de impulso e a de trava. A botoeira de impulso (push-button) é ativada quando o botão é pressionado e desativada quando o botão é solto, sendo a desativação feita por uma mola interna. O botão de trava é ativado quando é pressionado ou girado e se mantém ativado quando é liberado. Para desativá-lo é necessário pressioná-lo uma segunda vez. Dentro das chaves há dois tipos de contatos: normalmente aberto e normalmente fechado. Contato normalmente aberto (NA): sua posição original é aberta, ou seja, permanece aberto até que uma força externa seja aplicada. Frequentemente denominado no meio industrial como contato NO (normally open). Contato normalmente fechado(nf): sua posição original é fechada, permanece fechado até que uma força externa seja aplicada. Na indústria sua denominação pode ser encontrada como NC (normally closed). 10

11 Sensores Chave botoeira 11

12 Sensores Chave fim de curso As chaves fim de curso são dispositivos auxiliares de comando e de acionamento que atual em um circuito com função bastante diversificada, como: Comandos de contatores; Comando de circuitos de sinalização para indicar a posição de um determinado elemento móvel. Controle: sinaliza os pontos de início ou de parada de um determinado processo. Segurança: desliga equipamentos quanto há abertura de porta ou equipamentos e alarme. 12

13 Sensores Chave fim de curso 13

14 Sensores Chave fim de curso As chaves de fim de curso possuem os seguintes componentes: Atuador: é a parte da chave que entra em contato com os objetos a serem detectados. Cabeçote: a cabeça aloja o mecanismo que converte o movimento do atuador em movimento nos contatos. Quando o atuador é movido, o mecanismo opera comutando os contatos. Bloco de contatos: aloja os contatos elétricos da chave de fim de curso. Geralmente contém dois ou quatro pares de contatos. Existem diferentes tipos de arranjos de contatos disponíveis, sendo os listados a seguir os mais comuns: Bloco terminal: contém os parafusos de fixação. É o local em que as conexões elétricas entre a chave e os circuitos são feitas. Corpo de chave: aloja os blocos de contato da chave fim de curso. Base: aloja o bloco de terminais da chave fim de curso. 14

15 Sensores Chave fim de curso Abaixo temos as configurações de contato para chaves fim de curso: SPST (Single Pole Single Throw): relé com um único contato que pode ser normalmente aberto ou normalmente fechado. SPDT (Single Pole Double Throw): um conjunto de contatos NA e NF. Nessa configuração, quando um contato é aberto o outro se fecha. DPDT relay (Double Pole Double Throw): relé com dois conjuntos de contatos NA e NF que operam simultaneamente por uma simples ação. 15

16 Sensores Chave fim de curso Vantagens e Desvantagens Vantagens Operação visível e simples; Encapsulamento durável; Alta robustez para diferentes condições ambientais encontradas na indústria; Alto poder de repetição; Ideal para chaveamento de cargas de grande capacidade (5A em 24 Vcc ou 10A a 120 Vca) quando sensores de proximidade típicos podem operar em correntes menores que 1 A; Imunes à interferência eletromagnética; Não possuem corrente de fuga; Mínima queda de tensão; Desvantagens Vida útil menor dos contatos em comparação com a tecnologia de estado sólido; Nem todas as aplicações industriais podem utilizar sensores de contato. 16

17 Sensores Chave fim de curso Aplicações típicas 17

18 Sensores Critérios para seleção de chaves. Na seleção das chaves para uma determinada aplicação, é preciso levar em conta muitos fatores: O número de contatos; A tensão a ser chaveada e o tipo de corrente (CA ou CC); O valor da corrente a ser chaveada e a corrente a ser percorrida após o chaveamento; A frequencia de atuações; As condições ambientes como vibração, temperatura, umidade, agressividade do ambiente; O tamanho físico; A velocidade de atuação; Opcionais, como lâmpadas piloto embutida, chave de trava, entre outros; 18

19 Sensores Chaves automáticas Em muitos pontos de um processo industrial não é possível a colocação de um operador, devido aos fatores técnico, econômico e de periculosidade. Para resolver este problema, existem chaves automáticas, cuja operação é determinada pela posição de algum dispositivo ou pelo valor de alguma grandeza física. São exemplos de chaves automáticas: pressostato, termostato, chave de vazão chave de nível e chave fim de curso. Pressostato Termostato de haste Chave de vazão 19

20 Sensores Relés O relé é definido como uma chave comandada por uma bobina. É considerado uma chave porque ele liga-desliga um circuito elétrico, permitindo a passagem da corrente elétrica como resultado do fechamento de contato ou impedindo a passagem da corrente elétrica durante o estado de contato aberto. Ao contrário das chaves vistas anteriormente, o relé não necessita de intervenção humana direta para atuar. 20

21 Sensores Relés 21

22 Sensores Relés 22

23 Sensores Contatores 23

24 Sensores Relés - Aplicações Existem centenas de relés diferentes, com distintas aplicações. Os relés possuem as seguintes características: Operação remota; Operação lógica; Controle de alta tensão por meio de baixa tensão; Isolação entre circuito de controle e de chaveamento; Aplicações: Ligar e desligar correntes ou tensões em ambientes agressivos, como, por exemplo, processos industriais em que a temperatura pode ser extremamente alta ou baixa e nociva a saúde humana. Operar simultaneamente vários circuitos ou equipamentos em altas velocidades de comunicação. Ligar e desligar equipamentos lógicos de intertravamento, pela operação de um equipamento quando algum evento tiver ocorrido. Proteger equipamentos de sobrecarga. 24

25 Sensores Relés - Seleção Para a seleção dos relés devem ser definidos os seguintes aspectos: A carga a ser controlada; O tipo de sinal de controle disponível; A quantidade de contatos necessários; As condições do ambiente em que será instalado; O espaço disponível no painel para o relé. 25

26 Sensores Proximidade Os sensores de proximidade podem ser digitais ou analógicos e verificam a presença de objetivos quando há aproximação da face do sensor. Existem quatro tipos principais de sensores de proximidade: indutivos, capacitivos, ultra-sônicos e ópticos. Para especificar corretamente a aplicação, é fundamental entender como eles operam e para que aplicação são indicados. 26

27 Sensores Proximidade Indutivos Como todos os sensores de proximidade, os indutivos estão disponíveis em vários tamanhos e formatos. Como nome indica, sensores indutivos atuam baseados no princípio de variação da indutância de uma bobina, quando um elemento metálico ou condutivo passa nas suas proximidades. Devido ao seu princípio de operação, os sensores de proximidade são usados somente em objetos metálicos. 27

28 Sensores Proximidade Indutivos Bobina: a bobina e a montagem em núcleo de ferrite geram um campo eletromagnético a partir da energia do oscilador. Oscilador: fornece a energia necessária para a geração do campo magnético nas bobinas. Circuito de disparo: detecta mudanças na amplitude de oscilação. As mudanças ocorrem quando um alvo de metal se aproxima do campo magnético irradiado pelo sensor. Circuito de saída: quando um mudança suficiente no campo magnético é detectada, a saída em estado sólido fornece um sinal a uma interface para um CLP ou máquina. 28

29 Sensores Proximidade Indutivos 29

30 Sensores Proximidade Indutivos Descrição de distância nominal: Fatores de redução para os metais: 30

31 Sensores Proximidade Indutivos - Blindados Os sensores indutivos podem ser blindados e não blindados. A construção blindada inclui uma faixa metálica que envolve o conjunto núcleo de ferrite/bobina. Já os sensores não blindados não possuem essa faixa. Para sensores blindados há um campo magnético mais direcionado, o que contribui para o aumento da precisão, da direção e da distância de operação do sensor. 31

32 Sensores Proximidade Indutivos - Blindados 32

33 Sensores Proximidade Indutivos - Aplicações Devido ao fato de as peças das máquinas serem geralmente construídas em algum tipo de metal, existe um grande número de possibilidades de aplicação para este tipo de sensor. Podem ser usados em muitos casos como substitutos para chaves mecânicas (chaves fim de curso). 33

34 Sensores Proximidade Indutivos Vantagens e Desvantagens Vantagens Não é afetado por poeira ou ambientes que contenham sujeira; Não é prejudicado por umidade; Não possui partes móveis nem contatos mecânicos; Não é dependente da cor do objeto-alvo; Desvantagens Somente detecta objetos metálicos; A distância sensora é menor que em outras tecnologias de sensores de proximidade; Pode ser afetado por fortes campos eletromagnéticos. 34

35 Sensores Proximidade Indutivos Possíveis aplicações 35

36 Sensores Proximidade Indutivos Possíveis aplicações 36

37 Sensores Proximidade Capacitivos O princípio de funcionamento desse sensor consiste em um oscilador interno que não oscila até que um material seja movido nas proximidades da face do sensor. O alvo varia a capacitância de um capacitor na face do sensor, que é parte de um circuito de um oscilador. 37

38 Sensores Proximidade Capacitivos 38

39 Sensores Proximidade Capacitivos Existem duas placas do capacitor dispostas lado a lado na face do sensor; para esse tipo de sensor, o alvo externo age com o dielétrico. À medida que o alvo se aproxima do sensor, ocorre uma mudança no dielétrico, aumentando a capacitância interna do capacitor do oscilador, causando um aumento de sua amplitude o que faz com que a saída do sensor comute para 1. 39

40 Sensores Proximidade Capacitivos A superfície do sensível do sensor capacitivo é constituída por dois eletrodos de metal concêntricos. Quando um objeto se aproxima de sua superfície, atinge o campo eletrostático dos eletrodos, a capacitância do circuito oscilado aumenta e obtém-se a oscilação. 40

41 Sensores Proximidade Capacitivos Constantes dielétricas para alguns materiais Parte I 41

42 Sensores Proximidade Capacitivos Constantes dielétricas para alguns materiais Parte II 42

43 Sensores Proximidade Capacitivos 43

44 Sensores Proximidade Capacitivos Blindados e não blindados Os detectores de proximidade capacitivos, assim como os indutivos, também podem ser blindados ou não. Os blindados são mais indicados para a detecção de materiais de constantes dielétricas baixas (difíceis de detectar), devido à concentração de seu campo eletrostático altamente concentrado. Os sensores blindados são mais suscetíveis à comutação falsa devido ao acúmulo de sujeira ou umidade na face ativa do detector. 44

45 Sensores Proximidade Capacitivos Vantagens e desvantagens Vantagens Detecta metais e não-metais, líquidos e sólidos; Pode detectar através de certos materiais com densidade menor que o objeto a ser detectado. Dispositivo de estado sólido que tem longa vida útil. Desvantagens Pequena distância sensora (uma polegada ou menos) que varia de acordo com o material a ser detectado; Muito sensível a fatores ambientais (umidade); pode afetar a distância sensora. 45

46 Sensores Proximidade Capacitivos - Aplicações 46

47 Sensores Proximidade Ópticos Os sensores de proximidade ópticos são muito utilizados para detectar objetos em longas distâncias (ao contrário dos sensores indutivos ou capacitivos) e no vácuo e podem detectar qualquer tipo de material, sejam metálicos, condutivos ou porosos. Desde que os receptores e transmissores óticos utilizem feixes focados (lentes), eles podem operar próximos a outros sensores óticos sem interferência. 47

48 Sensores Proximidade Ópticos Os LEDs geralmente emitem luz e os fotodetectores são sensíveis à luz em uma grande área. Lentes são usadas para os fotodetectores e LEDs para estreitar e dar forma a essa área. À medida que área é estreitada, o alcance aumenta. Como resultado, as lentes ampliam a distância sensora dos sensores fotoelétricos. 48

49 Sensores Proximidade Ópticos Tipo barreira (feixe direto) O sensor óptico do tipo barreira consiste em duas unidades separadas, cada uma montada em lados opostos do objeto a ser detectado. 49

50 Sensores Proximidade Ópticos Tipo barreira (feixe direto) Vantagens e desvantagens Vantagens Podem detectar pequenos objetos a longas distâncias; Os objetos podem ser opacos ou pouco translúcidos; Devido à sua habilidade de detectar através de ambientes sujos, como pó, óleo, entre outros, esses sensores fornecem grande confiabilidade e necessitam de pouca manutenção. Desvantagens Mais caro, devido à exigência de emissor e receptor em separado; Necessita de duas conexões elétricas separadas; O alinhamento do feixe de luz emissor-receptor torna-se muito importante; Não detecta objetos completamente transparentes. 50

51 Sensores Proximidade Ópticos Difuso-refletido O sensor difuso-refletido tem o emissor e o receptor de luz alocados na mesma unidade. Desta forma, a luz do emissor incide no objeto-alvo e a porção refletida retorna ao receptor do próprio sensor. Uma parte é refletida e captada pelo receptor, o que ocasiona a comutação da saída do sensor. 51

52 Sensores Proximidade Ópticos Difuso-refletido Vantagens e desvantagens Vantagens Não é necessário um refletor (fita refletora) ou espelho; Dependendo do ajuste, diferentes objetos podem ser detectados; Os objetos podem ser translúcidos, transparentes ou opacos e mesmo assim uma porcentagem da luz é refletida. Desvantagens Para menores distâncias é requerida menor reflexão das superfícies dos materiais; Para maiores distâncias, maiores taxas de reflexão são necessárias. 52

53 Sensores Proximidade Ópticos Retrorreflexivo Os sensores do tipo retrorreflexivo são os mais sofisticados de todos. Nesse tipo de sensor, o emissor e o receptor estão localizados em uma unidade. Os elementos retrorreflexivos podem ser um espelho prismático ou fitas refletoras. Estes elementos não precisam ser alinhados perpendicularmente, permitindo uma inclinação de até 15º. 53

54 Sensores Proximidade Ópticos Retrorreflexivo Vantagens e desvantagens Vantagens Maior facilidade de instalação que o do tipo barreira, pois tem corpo único e é de fácil alinhamento; Mais barato que o feixe transmitido, porque a fiação é mais simples (corpo único); Possibilidade de detecção de objetos transparentes, para os quais sempre há uma atenuação, permitindo ajustes no potenciômetro de sensibilidade do sensor de forma a detectar esse objeto; Os objetos podem ser opacos, translúcidos e até transparentes; Desvantagens Uma possível falha no emissor é avaliada como detecção de um objeto; O espelho prismático ou fitas refletoras podem se sujar, provocando falhas no funcionamento; Possui alcance mais curto que o feixe transmitido; Pode não detectar objetos brilhantes; Possui menor margem de detecção que o sensor de feixe transmitido. 54

55 Sensores Proximidade Ultra-sônico O sensor de proximidade ultra-sônico opera de acordo com o mesmo princípio do sonar, em que um sinal de ultra-som é enviado da face do sensor, se um alvo é colocado na frente do sensor e está dentro de sua escala, o sinal é refletido pelo alvo e retorna ao sensor. O retorno desse sinal chama-se eco e, quando acontece, o sensor detecta se alvo está presente pela medida do tempo de atraso entre o sinal transmitido e o eco. O sensor pode calcular a distância entre o sensor e o objeto-alvo pela medição do tempo transcorrido. 55

56 Sensores Proximidade Ultra-sônico A frequencia de atuação do sensor ultra-sônica está entre 25 Khz a 500 Khz para aplicações industriais e 5 MHz ou acima para a área médica. 56

57 Sensores Proximidade Ultra-sônico 57

58 Sensores Proximidade Ultra-sônico 58

59 Sensores Proximidade Ultra-sônico 59

60 Sensores Proximidade Ultra-sônico Considerações sobre ambiente Ruído: Sensores ultra-sônicos possuem circuito de supressão de ruídos que garantem a confiabilidade em ambientes com ruídos. Pressão atmosférica: Não foram projetados para trabalhar em baixas e altas pressões atmosféricas, podendo danificar o sensor. Temperatura do ar: A temperatura do ar influencia a velocidade de propagação do som. Quanto a maior a temperatura menor a velocidade de propagação e amplia a distância sensora. Turbulência do ar: Correntes de ar, turbulência e camadas de diferentes densidades causa refração sonora, prejudicando a precisão do sensor. Proteção do sensor: Deve-se proteger o sensor de umidade, bem como criar métodos para evitar turbulência em ambientes líquidos. 60

61 Sensores Proximidade Ultra-sônico Considerações sobre ambiente 61

62 Sensores Proximidade Ultra-sônico Vantagens e desvantagens Vantagens Podem detectar objetos a distância até 15 metros; Um sensor de proximidade ultra-sônico tem uma resposta que independente da cor da superfície ou reflexibilidade ótica do objeto. Desvantagens Devem ser colocados perpendicularmente ao objeto a ser detectado para que a distância sensora seja a especificada; Têm mínima distância sensora; Mudanças no ambiente como temperatura, pressão, umidade e turbulência no ar podem afetar a performance do sensor; Objetos com pouca densidade, como espumas e roupas, tendem a absorver energia e podem causar dificuldades para detecção a longas distâncias. 62

63 Sensores Proximidade Ultra-sônico Aplicações 63

64 Sensores Proximidade Ultra-sônico Aplicações 64