(Parte 1 de 5)

Professor: Carlos Alexandre P.Pizzino Maio/2007

Profesor Carlos Alexandre Pizino1

Automação Industrial e CLPs

Sistemas de controle7
1. Introdução7
1.1 Teoria de Erros7
2. Sistemas de Controle Industrial8
3. Sistemas de Controle em Malha Aberta e Malha Fechada9
3.1 Malha aberta9
3.2 Malha fechada10
4. Transitório e Indicadores de Performance1
5. Tipos de Controladores Industriais:1
5.1 Controle ON-OFF ou LIGA-DESLIGA ou de histerese:12
5.2 Controle Proporcional ou P:13
5.3 Controle Proporcional +Integral ou PI:14
5.4 Controle Proporcional + Derivativo ou PD:15
5.5 Controle Proporcional + Integral + Derivativo ou PID:16
5.6 Implementação dos Blocos PID20
6. Sistemas de Controle Digital20
6.1 Conversor A/D21
6.2 Conversor D/A2
7. Dispositivos de Entrada (Sensores e Transdutores):23
7.1 Parâmetros Fundamentais de Sensores:24
7.2 Tipos de Saída de Sensores:26
8. Atuadores27
Controladores Lógicos Programáveis (CLP)28
1. Introdução28
2. Evolução das aplicações29
3. Vantagens30
4. Conceitos e aplicações30
5. Princípio de funcionamento32
5.1 Outros tipos de processamento3
5.1.1 Processamento por interrupção3
5.1.2 Processamento comandado por tempo34
5.1.3 Processamento por evento34
6. Arquitetura34
6.1 Unidades de Entrada35
6.1.1 Unidade de entrada digital35
6.1.1.1 Entrada em corrente contínua36
6.1.1.2 Entrada em corrente alternada36
6.1.2 Unidade de entrada analógica37
6.1.2.1 Transdutores analógicos38
6.2 Unidades de Saída38
6.2.1 Unidade de Saída Digital:38
6.2.1.1 Atuadores Digitais39

Sumário 6.2.1.2 Saída em corrente contínua................................................................. 39

Profesor Carlos Alexandre Pizino2
6.2.1.3 Saída em corrente alternada40
6.2.1.4 Unidade de saída analógica41
6.2.1.5 Atuadores analógicos42
6.3 Unidade de Processamento42
6.3.1 Memórias42
6.3.1.1 Arquitetura de Memória de um CLP42
6.3.1.2 Estrutura4
6.3.2 Watchdog Timer45
6.3.3 Interface de Programação45
6.3.4 Interface Homem-Máquina45
Linguagens de Programação46
1. Introdução46
2. Tipos de linguagens de programação no CLP47
2.1 - Linguagens Textuais48
2.1.1Texto Estruturado (Strutured Text – ST)48
2.1.2 Lista de Instruções (Instruction List – IL)48
2.2 Linguagens Gráficas48
2.2.1 Diagrama Ladder (LD)48
2.2.2 Diagrama de Blocos Funcionais (Function Block Diagram – FBD)49
3. Programação em LADDER49
3.1 Principais Símbolos de Programação50
3.2 Estrutura da Linguagem51
3.2.1 Instruções booleanas51
3.2.2 Circuito Misto54
3.2.3 Blocos especiais56
3.2.3 Outros blocos61
Exercícios62
Programação de lógica seqüencial em CLPs64
1. Introdução64
2. Grafcet65
2.1 Descrição do Grafcet65
2.1.1 Etapa6
2.1.2 Transição6
2.1.3 Arcos orientados6
2.1.4 Ação6
2.1.4.1 Ordem contínua67
2.1.4.2 Ordem condicional67
2.1.4.3 Com retardo (D)68
2.1.4.4 Limitada no tempo (L)68
2.1.4.5 Impulsional (P)68
2.1.4.6 Em diversas etapas69
2.1.4.7 Memorizada70
2.1.5 Receptividade70

Automação Industrial e CLPs 3. Comportamento dinâmico do Grafcet ..................................................................... 72

Profesor Carlos Alexandre Pizino3
3.1 Situação inicial72
3.2 Evolução entre situações73
3.3 Estrutura seqüencial74
3.3.1 Exemplo 175
3.4 Seleção entre seqüências76
3.4.1 Exemplo 2 – seleção de seqüências7
3.4.2 Exemplo 3 – repetição de seqüências79
3.5 Paralelismo80
3.5.1 Exemplo 4 – paralelismo81
Do Grafcet à linguagem de Relés83
1. Introdução83
2. Metodologia83
2.1 Exemplo 1 – seqüência linear84
2.2 Exemplo 2 – Seleção entre seqüências8
Redes industriais93
1. Introdução93
2. Arquitetura de sistemas de automação94
3. Redes de campo96
3.1 Redes digitais96
3.2 Padronização Internacional97
4. Introdução às tecnologias98
4.1 Fieldbus Foundation98
4.1.1 Introdução98
4.1.2 Conceitos Básicos98
4.2 Profibus100
4.2.1 Introdução100
4.2.2 Perfil de Comunicação (Communication Profile)101
4.2.3 Perfil Físico (Physical Profile)102
4.2.4 Perfil de Aplicação (Aplication Profile)103
4.2.5 Características Básicas103
4.2.6 Arquitetura do Protocolo103
4.2.7 Meio de Transmissão104
4.2.8 Protocolo de acesso ao meio106
4.2.9 Funções básicas Profibus – DP107
4.2.9.1 Características básicas108
4.2.9.2 Funções de diagnóstico108
4.2.9.3 Configuração do sistema e tipos de dispositivos108
4.2.10 Perfil de Comunicação FMS109
4.2.1 Automação de processo (PA)109
4.2.1.1 Características Básicas10
4.2.1.2 Arquivos “GSD”10
4.2.1.3 Ident Number11
4.2.1.4 Descrição Eletrônica do Dispositivo (EDD)11

Automação Industrial e CLPs 4.2.1.5 Conceito FDT (Fieldbus Device Tool)..............................................11

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4.2.12 Opções de Implementação1
4.2.12.1 Implementação de dispositivos simples112
4.2.12.2 Implementação de dispositivos inteligentes112
4.2.12.3 Implementação de mestres complexos112
4.2.12.4 Implementação de interfaces IEC 61158-2112
4.12.13 Certificação de Dispositivos112
SCADA (SUPERVISORY CONTROL AND DATA ACQUISITION)114
1. Introdução114
1.2 Os objetos de um supervisório115
1.2.1 Variáveis simples ou primitivas115
1.2.2 Variáveis compostas116
1.2.3 Principais funções de um supervisório118
SDCD (Sistemas digitais de controle distribuído)120
1. Introdução120
2. Controle distribuído120
3. Arquitetura de um SDCD121
3.1 Sistemas híbridos122
4. Sistemas HOT STAND BY122
5. Protocolos da camada de aplicação usados em Automação123
5.1 MMS – Manufacturing Message Specification (RS512 - ISO 9506)123
5.2 O protocolo OPC (OLE FOR PROCESS CONTROL)123
Parte experimental126
1. Estudo do CLP ATOS Série TICO126
1.1 Características de programação/hardware126
1.2 Especificações elétricas127
1.2.1 Entrada digital (corrente contínua)127
1.2.2 Entrada digital (corrente alternada)127
1.2.3 Saída digital (corrente contínua)127
1.2.3 Saída digital (relé)128
1.3 Esquemas de ligação128
1.4 Mapeamento de memória129
1.4.1 Mapeamento de memória das entradas130
1.4.2 Mapeamento de memória das saídas131
1.4.3 Temporizadores e Contadores131
1.5 Instruções de Programação132
1.5.1 Load ou carregamento132
1.5.2 Carregamento de NF132
1.5.3 Output133
1.5.4 Output negado133
1.5.5 Output não em fim de linha133
1.5.6 Output negado não em fim de linha134
1.5.7 SET-RESET134

Automação Industrial e CLPs 1.5.8 Monoestável no acionamento................................................................... 134

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1.5.9 Monoestável no desacionamento135
1.5.10 TMR135
1.5.1 CNT136
1.5.12 MOVK137
1.6 Winsup137
1.6.1 Descrição da interface Winsup137
1.6.2 Descrição do gerenciador de projeto139
1.6.3 Criação de um novo projeto140
1.6.4 Elaboração do programa do usuário140
1.6.5 Barra de ferramentas do Ladder141
1.6.6 Comentário dos operandos141
1.6.7 Envio do Programa142

Automação Industrial e CLPs 1.6.8 Supervisão................................................................................................ 143

Profesor Carlos Alexandre Pizino6

Automação Industrial e CLPs

Apresentação

O objetivo deste trabalho foi reunir material sobre os principais assuntos relacionados à área de automação e controle discreto, destinados aos alunos do curso técnico em eletrônica com ênfase em automação e instrumentação e ao curso de especialização em automação e instrumentação.

Este material pressupõe que o leitor domina conhecimentos que devem ter sido adquiridos em outras disciplinas.

A primeira parte do material desenvolve alguns conceitos sobre sistemas de controle de maneira bem superficial para o conhecimento do aluno.

A segunda parte do material desenvolve os conceitos e os princípios de funcionamento dos controladores lógicos programáveis.

A terceira e quarta partes exploram a programação destes dispositivos tanto utilizando lógica combinacional quanto a seqüencial.

As redes industriais, supervisórios e os sistemas digitais de controle distribuído são abordados logo após em tópicos conceituais.

A última parte foi destinada à parte prática do curso, visando mostrar ao leitor os conhecimentos básicos para as práticas.

De modo geral, espero que este trabalho possa contribuir de alguma forma para o enriquecimento do aluno no que tange ao conhecimento e aplicação dos principais dispositivos utilizados na automação, além é claro de dar uma idéia do estado da arte em que se encontra tal segmento.

Contamos com a colaboração dos mestres e alunos no sentido de apontarem eventuais erros neste material para que em versões futuras possamos corrigi-las e dessa forma concorrer para o melhoramento desta pequena contribuição.

Rio de Janeiro, 1 de maio de 2007.

Prof. Carlos Alexandre P.Pizzino

Profesor Carlos Alexandre Pizino7

Automação Industrial e CLPs

Sistemas de controle 1. Introdução

A necessidade de controlar um processo já é bastante antiga. Nasceu desde o momento em que o homem passou a manufaturar bens para suas necessidades. Da manufatura saiu o conceito de se sistematizar os procedimentos envolvidos na manufatura de um bem. Surge assim o conceito de processo de manufatura. Estes procedimentos são ordenados e podem ser agrupadas em etapas ou fases.

A principal característica do processo de manufatura é que o homem era o responsável pelo controle e pela execução de todos os procedimentos envolvidos no processo. O problema era que a produtividade era baixa e a qualidade fortemente dependente do ser humano. Com o surgimento da máquina à vapor, começa a surgir a idéia de se usar máquinas para executar etapas do sistema produtivo. Entretanto as primeiras máquinas a vapor não tinham elementos de controle automático. Eram ainda dependentes do homem para o controle de suas ações, mas já representavam um avanço em termos de força e velocidade em relação ao ser humano.

Com invenção do regulador mecânico para a pressão do vapor, feito por James

Watt, a máquina passou a ter um uso industrial importante, pois agora a pressão do vapor era regulada automaticamente por um dispositivo, podendo a máquina assim efetuar um trabalho ou uma etapa de um processo. Surge o processo industrial em substituição ao processo de manufatura, onde máquinas realizam parte do processo de produção.

Entretanto, ainda não existia o controle automático no processo, dado que toda ação da máquina dependia da supervisão e atuação do homem. A idéia era fazer com que a máquina ganhasse cada vez mais autonomia no processo de fabricação, tal qual o ocorreu com o controle do vapor. Ou seja, buscava-se o controle de automático de processo. Mas o controle de processo usando meramente elementos mecânicos era algo difícil de conseguir e o controle automático de processo praticamente não avançou muito até o século X. Com o século X, vieram a eletricidade e os controles elétricos e eletrônicos, mais versáteis e dinâmicos que os controles mecânicos e assim a automação de processos adquiriu a dimensão que este até os dias de hoje.

1.1 Teoria de Erros

O erro é caracterizado como algo indesejável no sistema, entre em sistemas de controle o estudo dos erros leva as formas mais eficientes e exatas de se efetuar um controle. O erro pode ser definido como um desvio entre um valor real e um valor efetivamente encontrado. Pode ter várias origens, mas podem ser classificados de duas formas: Erros determinísticos ou sistemáticos: É aquele erro que decorre de um desvio fixo entre a grandeza lida e a esperada por motivo de uma folga ou desajuste. É um tipo de erro que é sempre repetitivo, desde que as condições sejam idênticas. Pode estar relacionada à uma grandeza física, como por exemplo, um erro de um

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Automação Industrial e CLPs extensômetro em virtude de temperatura. Pode ser eliminado por meio de compensação.

Erros aleatórios: É aquele que ocorre devido a fatores imponderáveis e que não podem ser modelados. A dimensão de erro aleatório só pode ser estabelecida por meio de análise estatística.

Na natureza costumam ocorrer os dois tipos de erros simultaneamente. Diante da natureza desta classificação dos erros, criou-se dois conceitos básicos para a caracterização dos desvios. A exatidão e a precisão.

A exatidão dá uma idéia do desvio médio de uma medida em relação ao valor real. A baixa exatidão é causada por erros determinísticos.

A precisão é uma medida da variabilidade de uma medida em torno de um valor médio. É causada pelo erro aleatório.

2. Sistemas de Controle Industrial

Existem várias formas de se implementar sistemas de controle automático, entretanto, a mais utilizada é usando sistemas eletroeletrônicos devido principalmente a versatilidade e dinamismo necessários à um controle de processo. Além disso, sistemas elétricos são mais fáceis de implementar que sistemas dinâmicos. Dado que um sistema de controle é predominantemente elétrico e os processos envolvem transformações mecânicas, químicas e físicas, devemos converter o sinal de um controlador eletrônico no sinal adequado ao processo, tanto do ponto de vista da natureza, quanto do ponto de vista de magnitude. Este elemento é o atuador. É ele quem atua diretamente sobre o processo, sempre em resposta à saída do controlador.

Para que o controlador gere o sinal de controle para o atuador gerar o sinal de controle do atuador ele precisa de uma referência, ou seja, um sinal na sua entrada que diga ao controlador o que ele deve fazer com o processo. Este é o sinal de referência, ou sinal de entrada. A figura 1 ilustra o relacionamento entre o controlador, o atuador e o processo.

Figura 1 – controlador, o atuador e o processo.

Em um sistema de controle precisamos saber como anda o processo e obter informações a respeito de parâmetros do mesmo. Ou seja, precisamos de um dispositivo capaz de converter uma grandeza física do processo em uma grandeza elétrica para que possamos medir o andamento do processo. Este elemento é o transdutor e ele se relaciona com o processo conforme a figura 2.

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Figura 2 – transdutor

3. Sistemas de Controle em Malha Aberta e Malha Fechada

Com relação a forma de implementação os sistemas de controle, podem ser classificados de duas formas : em malha aberta e em malha fechada.

3.1 Malha aberta

Quando o controlador gera o sinal para o atuador, com base no sinal piloto, sem obter nenhuma informação do sobre o andamento do processo. Ou seja, é um sistema sem realimentação, sendo que o sinal de entrada é o próprio set-point. (Figura 3)

Figura 3 – sistema de malha aberta

OBS: Observe que no caso da malha aberta o transdutor e o indicador são itens opcionais não sendo importantes para o controle.

Exemplo: controle de um forno

Operador com uma determinada experiência, estima o tempo que o forno deve ficar ligado a plena potência para que a temperatura chegue a um determinado valor. De uma maneira geral, a temperatura ficará um pouco acima ou um pouco abaixo do valor desejado. A temperatura final do forno provavelmente irá variar dependendo de variações temperatura ambiente.

Características básicas: • imprecisão

• nenhuma adaptação a variações externas (perturbações)

• dependência do julgamento e da estimativa humana

• são em geral simples e baratos, pois não envolvem equipamentos sofisticados para a medição e/ou determinação do sinal de controle.

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3.2 Malha fechada

Quando o controlador gera o sinal para o atuador, com base no sinal piloto, porém agora ele recebe informação sobre o andamento do processo, através de um transdutor. O sinal entrada, no caso, corresponde a diferença entre o set-point e o sinal do transdutor, por isso, também é chamado de sinal de erro. (Figura 4)

Figura 4 – sistema de malha fechada

Exemplo: controle de um forno

Suponha agora que a temperatura interna do forno é medida e o seu valor é comparado com uma referência pré-estabelecida. Se a temperatura dentro do forno é menor que a referência, então se aplica ao forno uma potência proporcional a esta diferença. Neste sentido, a temperatura dentro do forno tenderá a crescer diminuindo a diferença com relação à referência.

A temperatura do forno tenderia sempre a estabilizar no valor de referência ou em um valor muito próximo desta, garantindo ao sistema de controle uma boa precisão.

Além disto, variações da temperatura externa (que fariam variar a temperatura dentro do forno) seriam compensadas pelo efeito da realimentação, garantindo ao sistema capacidade de adaptação a perturbações externas.

Características básicas: • aumenta a precisão do sistema

• rejeita o efeito de perturbações externas

• melhora a dinâmica do sistema e, eventualmente, estabilizar um sistema naturalmente instável em malha aberta.

• diminui a sensibilidade do sistema a variações dos parâmetros do processo, ou seja, tornar o sistema robusto

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4. Transitório e Indicadores de Performance

Quando ajustamos o set-point a saída leva um tempo para atingir seu valor final.

Este tempo é chamado de transitório e é muito importante seu conhecimento para fins de determinação do comportamento do sistema e avaliação da performance do controlador. Para fins de avaliação da performance de um sistema de controle, existem alguns indicadores básicos, muito utilizados para a especificação de um sistema de controle. São os principais:

• Regulação: É uma avaliação do sistema com relação á sua capacidade de reduzir o erro entre o valor real da grandeza física controlada e o valor esperado ao final do transitório. O erro no caso é chamado de erro em regime permanente. Se o erro for grande, a regulação do sistema é ruim, se o erro for pequeno a regulação será boa.

• Estabilidade: É a capacidade que um sistema tem de dada uma certa entrada limitada fornecer uma resposta limitada. Ou seja, se o processo converge para algum ponto, para uma dada entrada é um sistema estável. Se não, é um sistema instável.

• Tempo de acomodação: É o intervalo de tempo em que ajustada uma entrada, o sistema demora para convergir. Ou seja, é o intervalo de tempo em que dura a fase de transitório.

• Tempo de subida: É o tempo necessário para que a saída vá de 0 à 100%, ou de 10 à 90% do seu valor final.

• Sobrelevação: Conhecido como “overshoot” é o valor máximo atingido pela grandeza física da planta em relação ao valor esperado. É medida em percentagem da entrada ajustada. Ocorre na fase de transitório.

• Sensibilidade: Avaliação da mudança do comportamento do sistema frente à pequenas variações de parâmetros do sistema.

• Rejeição de distúrbios: Capacidade de um sistema de rejeitar distúrbios ou ruídos oriundos de perturbações no sistema.

5. Tipos de Controladores Industriais:

Há principalmente 5 tipos básicos de controladores usados largamente na industria. São eles:

• Controle ON-OFF; • Controle Proporcional ou P;

• Controle Proporcional e Integral ou PI;

• Controle Proporcional e Derivativo ou PD;

• Controle Proporcional, Integral e Derivativo ou PID.

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5.1 Controle ON-OFF ou LIGA-DESLIGA ou de histerese:

É a forma de controlador mais simples que existe e consiste em um circuito comparador que compara o sinal de entrada com dois sinais de referência, chamados de limite inferior e superior. Quando o sinal de entrada fica menor que o limite inferior, a saída do controlador é ativada e o atuador é acionado com sua potência máxima. Quando o sinal de entrada fica maior que o limite superior, a saída é desligada e o atuador desligado. A diferença entre o limite superior e o inferior é chamada de histerese. Normalmente, a histerese é ajustável de forma tal que o set-point fique entre o limite inferior e o superior. Desta forma o sistema controla fica oscilando de um valor máximo à um mínimo e não atinge nenhum valor específico.

Não é um controlador do tipo que você específica por exemplo, 100ºC e ele estabiliza nisso. É um controlador do tipo nível de água onde se tem um nível máximo e um nível mínimo. Quando o nível está no mínimo aciona o atuador, que no caso seria a bomba d’água, e esta e vai enchendo a caixa d’água. Quando o nível máximo é atingido, a saída será desligada e o atuador, no caso a bomba, é desligada. Aí consumo de água faz o nível baixar e atinge o nível inferior novamente e o ciclo se repete.

A grande vantagem deste sistema é o fato de que é um sistema muito barato e que como o atuador somente liga e desliga nos momentos em que os limites são atingidos, o controlador e o atuador sofrem pouco desgaste.

A grande desvantagem é que a grandeza controlada (temperatura, pressão, etc.) não estabiliza em nenhum ponto e sim oscila entre o ponto desejado, indo do limite inferior ao superior.

Na figura 5 vemos um controle simples de temperatura. O set-point foi de 100ºC, o limite superior é 120ºC e o inferior de 80ºC. A histerese é de 40ºC. Observe como a temperatura oscila em torno do valor desejado que é de 100ºC, indo de 120ºC à 80ºC o tempo todo.

Figura 5 – controle ON/OFF

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5.2 Controle Proporcional ou P:

O controle proporcional já é mais sofisticado que o controlador ON-OFF, dado que a resposta do controle é proporcional ao sinal na sua entrada. Se o sinal na sua entrada é pequeno, a reposta será um valor pequeno também. Se a entrada for grande a saída será grande também. Em suma, um controlador proporcional é na verdade um amplificador. Ele é representado na figura 6.

Figura 6

No caso a saída é um sinal K vezes maior que a entrada. Entretanto o sinal de saída não pode crescer indefinidamente, porque há limite tanto inferior quanto superior. Quando estes limites são atingidos dizemos que o sistema saturou. Portanto, há uma região onde o sinal responde proporcionalmente ao sinal de entrada, e outra região onde o sistema satura e não ainda o sinal de entrada aumentar que o sistema não vai além daquele limite. Na figura 7, percebemos que acima do limite superior, o atuador está com 100% de sua capacidade e abaixo do limite inferior o atuador está com 0% de sua capacidade, ou seja, totalmente desligado. A região entre o limite inferior e superior o atuador está com uma saída proporcional à entrada, e esta região é chamada de banda proporcional do sistema.

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