Automação residencial com utilização de controlador lógico programavel

Automação residencial com utilização de controlador lógico programavel

(Parte 1 de 5)

Novo Hamburgo, dezembro de 2008.

Centro Universitário Feevale

Instituto de Ciências Exatas e Tecnológicas

Curso de Ciência da Computação Trabalho de Conclusão de Curso

Professor Orientador: Roberto Affonso Schilling

Novo Hamburgo, dezembro de 2008.

Gostaria de agradecer primeiramente a minha esposa, Marina S. Alievi e filho William S. Alievi, por todo apoio e compreensão dispensados durante todo o período do curso, sem os quais jamais teria chegado até aqui.

A Deus por não ter permitido que eu fraquejasse durante toda esta jornada.

Ao meu professor orientador, Roberto Affonso Schilling, que sempre esteve presente me apoiando e dando dicas.

Aos meus amigos Fernando Rafael Stahnke e Verônica Karling que sempre estiveram comigo qualquer que fosse a hora.

É situação muito comum, encontrada em várias residências brasileiras, o uso de diversos sistemas independentes de automação, totalmente controlados por seus proprietários, que além de gerar confusões e esquecimentos quanto a seus acionamentos, podem com isto acarretar possíveis desperdícios de energia elétrica e de água potável. Em muitos destes lares o conforto, bem como a segurança da residência e de seus moradores também é deixado em segundo plano, muitas vezes expondo assim seus moradores a riscos desnecessários. A proposta deste projeto é oferecer uma solução a alguns destes problemas aqui apresentados, com um método bastante difundido e consolidado nas indústrias, a automação com a utilização de um Controlador Lógico Programável (CLP), programado em linguagem ladder; operando sistemas de iluminação, alarmes tanto de segurança patrimonial quanto de incêndio, controles de eletro-eletrônicos, climatização de ambientes, acionamento de movimentador de portão, irrigação de jardins, abertura de persianas, aeração de aquário, entre outros automatismos que durante a elaboração desde trabalho de conclusão venham a ter a sua viabilidade possibilitada. Pretende-se propor com a adoção do CLP e de sensores discretos, que os controles destes sistemas venham a ter um custo mais acessível que os atuais sistemas de automação residencial, sem que haja a necessidade de interfaces gráficas mais elaboradas e um computador dedicado ao sistema em tempo integral.

Palavras-chave: CLP, automação residencial, ladder.

It is very common situation, found in several Brazilian residences, the use of several independent systems of automation, totally controlled by their proprietors, that besides generating confusions and forgetfulness as for their actuation, they can with this to cart possible electric power wastes and of drinking water. In many of these homes the comfort, as well as the safety of the residence and of their residents it is also left in second plan, a lot of times exposing like this their residents to unnecessary risks. The proposal of this project is to offer a solution here to some of these problems presented, with a quite spread method and consolidated in the industries, the automation with the use of a Programmable (PLC) Logical Controller, programmed in language ladder; operating illumination systems, alarms as much of patrimonial safety as of fire, controls of electro-electronic, acclimatization of atmospheres, actuation of gate movements, irrigation of gardens, opening of curtains, aquarium aeration, among other automatisms that during the elaboration of this conclusion work may have its viability possible. It intends to propose, with the adoption of PLC and of discrete sensors, that the controls of these systems may have a more accessible cost than the current systems of residential automation, without there is the need of more elaborated graphical interfaces and a computer dedicated to the system in integral time.

Key words: CLP, residential automation, ladder.

Figura 2.2 – Comparação entre quadros de relés a esquerda e o quadro de CLP a direita24
Figura 2.8 – CLP Twido - TWD28

Figura 1.1– Arquitetura Centralizada _ 17 Figura 1.2 – Arquitetura Descentralizada _ 18 Figura 2.1 – Ciclo de processamento do CLP _ 2 Figura 2.3 – CLP Bosch Rexroth L40 _ 26 Figura 2.4 – CLP SIMATIC S7-400 _ 27 Figura 2.5 – CLP Modicom Premium _ 27 Figura 2.6 – CLP WEG Linha TPW-03 _ 28 Figura 2.7 – CLP SIMATIC S7-200 _ 28 Figura 2.9 – CLP WEG Clic-02 _ 30 Figura 2.10 – CLP LOGO _ 30 Figura 2.1 – CLP Zelio Logic – SR2 / SR3 _ 30 Figura 2.12 – Exemplo de programa em ladder _ 31 Figura 2.13 – Exemplo de Lista de Instruções _ 32 Figura 2.14 – Exemplo de linha de programação em Texto Estruturado _ 32 Figura 2.15 – Exemplo de Diagrama de Bloco de Funções _ 3 Figura 3.1 – Contato normalmente aberto (NA) e normalmente fechado (NF) _ 36 Figura 3.2 – Contato (NA) e (NF), com retenção _ 36 Figura 3.3 – Chave de impulso (2 NA + 2 NF), chave de trava (2 NA +1 NF) _ 37 Figura 3.4 – Chave fim de curso e suas principais partes _ 38 Figura 3.5 – Configurações de contatos de fim de curso _ 38 Figura 3.6 – Exemplos de sinal digital e analógico _ 39 Figura 3.7 – Sensores de proximidade indutivos _ 40 Figura 3.8 – Diagrama de blocos de um sensor indutivo _ 40

Figura 3.1 – Sensores de proximidade capacitivos43
Figura 3.16 – Comparativo entre eficiências dos LEDs infravermelho e visível47
Figura 3.17 – Uso das lentes no LED e no fotodetector47
Figura 3.18 – Sensores ópticos do tipo barreira48
Figura 3.20 – Sensores LDR49
Figura 3.23 – Sensor ultra-sônico51

Figura 3.9 – Descrição do funcionamento de sensores indutivos _ 41 Figura 3.10 – Relação entre o sinal no oscilador e sua saída _ 41 Figura 3.12 – Sensor de proximidade capacitivo _ 43 Figura 3.13 – Sensor de proximidade capacitivo _ 4 Figura 3.14 – Descrição do funcionamento de sensores capacitivos _ 4 Figura 3.15 – Relação entre o sinal no oscilador e sua saída _ 45 Figura 3.19 – Sensor de presença com minuteria Exatron _ 49 Figura 3.21 – Sensor de foto-diodo _ 50 Figura 3.2 – Foto-transistor _ 50 Figura 3.24 – Diagrama de blocos de um sensor ultra-sônico _ 51 Figura 3.25 – Resistores de temperatura _ 52 Figura 3.26 – Curva de resistência dos sensores NTC _ 52 Figura 3.27 – Diodo de silício _ 53 Figura 3.28 – Reta de representação do diodo _ 53 Figura 3.29 – Imagem de um termopar _ 53 Figura 3.30 – Tacogerador _ 54 Figura 3.31 – Sensor de lâminas _ 54 Figura 3.32 – Acionamento por imã do sensor de lâminas _ 54 Figura 3.3 – Relés de estado sólido _ 56 Figura 3.34 – Simbologia multifilar de contator _ 56 Figura 3.35 – Partes constituintes básicas de um contator _ 56 Figura 3.36 – Exemplo de um contator _ 57 Figura 3.37 – Exemplo de uma válvula proporcional _ 57 Figura 5.1 – Tela de edição do LOGO SOFTCONFORT _ 62 Figura 5.2 – Tela de simulação do LOGO SOFTCONFORT _ 65 Figura 5.3 – Sistema de automação de portão de contrapeso _ 67 Figura 5.4 – Sistema de alarme de segurança patrimonial _ 69 Figura 5.5 – Sistema de iluminação externa _ 71

Figura 5.6 – Sistema de iluminação interna _ 73 Figura 5.7 – Sistema de stand-by da sala de estar e sistema de irrigação de jardim _ 76 Figura 5.8 – Sistema de segurança residencial contra incêndio _ 78

Tabela 2-1 Comparativo entre modos de representação de lógica binária25

LISTA DE TABELAS Tabela 2-2 GRAFCET tecnológico e SFC do Zelio Logic 2 _ 34 Tabela 5-1 Código das entradas do CLP e designações _ 63 Tabela 5-2 Código das saídas do CLP e designações _ 64 Tabela 5-3 Preços médios de mercado _ 79

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas A/D Analógico/Digital CA Corrente Alternada C Corrente Continua CLP Controlador Lógico Programável CPU Central Processing Unit D/A Digital/Analógico DIN Deutsches Institut für Normung DVD Digital Vídeo Disc EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory EPROM Electrically Programmable Read Only Memory FBD Function Block Diagram FEM Força Eletromotriz GM General Motors GRAFCET Graphe Fonctionnel de Commande, Etapes Transitions IEC International Electrotechnical Commission IHM Interface Homem/Máquina LD Ladder Diagram LED Light Emitting Diode LDR Light Dependent Resistor NA Normalmente Aberto NC Normally Close NEMA National Electrical Manufactures Association NF Normalmente Fechado

Ni - Ca Nickel – Cadmium NO Normally Open NTC Negative Temperature Coeficient PLC Programmable Logic Control PTC Positive Temperature Coeficient PROM Programmable Read-Only Memory RAM Random Access Memory SCR Silicon Controled Rectifier SFC System Function Chart TRIAC Triode for Alternating Current VCA Volt Corrente Alternada VCC Volt Corrente Contínua

INTRODUÇÃO _ 14 1 DOMÓTICA _ 16

1.1.1 Arquitetura Centralizada17
1.1.2.2 Desvantagens das Arquiteturas Descentralizadas18
2 DESCRIÇÕES ACERCA DE CLP19

1.1 CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS DOMÓTICOS _ 16 1.1.1.1 Vantagens das Arquiteturas Centralizadas _ 17 1.1.1.2 Desvantagens das Arquiteturas Centralizadas _ 17 1.1.2 Arquitetura Descentralizada _ 17 1.1.2.1 Vantagens das Arquiteturas Descentralizadas _ 18

2.3 MÓDULOS DE ENTRADAS E SAÍDAS21

2.1 HISTÓRIA DO CLP _ 19 2.2 GERAÇÕES DE CLP _ 20 2.4 ESTRUTURA BÁSICA DE UM CLP _ 2 2.5 VANTAGENS E DESVANTAGENS DO USO DE CLPS _ 23 2.6 LÓGICA E SIMBOLOGIA BINÁRIA _ 25 2.7 TIPOS E FABRICANTES DE CLPS _ 25 2.7.1 CLPs de grande porte _ 26 2.7.2 CLPs de médio porte _ 27 2.7.3 CLPs de pequeno porte _ 29 2.8 LINGUAGEM DE PROGRAMAÇÃO DE CLPS _ 30 2.8.1 Linguagem Ladder _ 31 2.8.2 Lista de Instruções _ 32 2.8.3 Texto Estruturado _ 32 2.8.4 Diagrama de Blocos de Funções _ 3 2.8.5 Seqüenciamento Gráfico de Funções _ 3

3.1 SENSORES35

3 SENSORES E ATUADORES PARA CLP _ 35 3.1.1 Chaves _ 35 3.1.1.1 Chave tipo botoeira _ 36 3.1.1.2 Chave fim de curso _ 37 3.1.2 Sensores de proximidade _ 39 3.1.2.1 Sensores de proximidade indutivos _ 39 3.1.2.2 Sensores de proximidade capacitivos _ 42 3.1.3 Sensores Ópticos_________________________________________________ 46

3.2.1.1 Relés de estado sólido5

3.1.3.1 Sensores Ópticos do tipo barreira (feixe direto) _ 47 3.1.3.2 Sensores de presença _ 48 3.1.3.3 Sensores de luz LDR _ 49 3.1.3.4 Sensores de luz foto-diodo _ 49 3.1.4 Sensores ultra-sônicos _ 50 3.1.5 Sensores de temperatura _ 51 3.1.5.1 Sensores de temperatura NTC e PTC _ 52 3.1.5.2 Sensores de temperatura baseados em diodo _ 52 3.1.5.3 Sensores de temperatura tipo termopar _ 53 3.1.6 Sensores de movimento _ 54 3.1.6.1 Sensor de movimento tipo taco-gerador _ 54 3.1.6.2 Sensor de movimento baseado em reed-switch _ 54 3.2 ATUADORES PARA CLP _ 5 3.2.1 Saídas digitais _ 5 3.2.1.2 Contatores _ 56 3.3 SAÍDAS ANALÓGICAS _ 57 3.3.1 Válvulas proporcionais _ 57

4 SOLUÇÕES EM AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL _ 58

4.1 PROJETO SMART HOUSE _ 58 4.2 SISTEMA DE AUTOMAÇÃO INSTABUS _ 60

5 DESCRIÇÃO DE FUNCIONAMENTO DAS AUTOMATIZAÇÕES PROPOSTAS _ 62

5.1 SISTEMA DE AUTOMAÇÃO DE PORTÃO DE CONTRAPESO _ 6 5.2 SISTEMA DE ALARME DE SEGURANÇA PATRIMONIAL _ 68 5.3 SISTEMA DE ILUMINAÇÃO EXTERNA _ 70 5.4 SISTEMA DE ILUMINAÇÃO INTERNA _ 72 5.5 SISTEMA DE STAND-BY DA SALA DE ESTAR _ 75 5.6 SISTEMA DE IRRIGAÇÃO DE JARDIM _ 75 5.7 SISTEMA DE SEGURANÇA RESIDENCIAL CONTRA INCÊNDIO _ 7 5.8 TABELA DE PREÇOS DOS PRINCIPAIS COMPONENTES PARA A AUTOMAÇÃO _ 79

CONSIDERAÇÕES FINAIS _ 80 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS _ 82

Com proposta de melhorar a qualidade de vida, aumentar a segurança, bem estar, redução nos afazeres domésticos, bem como diminuição de custos, surgiu a domótica, termo que, é uma fusão da palavra latina domus (casa) e do moderno, robótica. A domótica, que também pode ser referenciada por expressões como smart building, intelligent building, edifícios inteligentes, é um novo domínio de aplicação tecnológica, tendo como objetivo básico melhorar a qualidade de vida, reduzindo o trabalho doméstico, aumentando o bem estar e a segurança de seus habitantes. Visa também uma utilização racional e planejada dos diversos meios de consumo. A domótica procura uma melhor integração através da automatização nas áreas de segurança, de comunicação e de controle, e gestão de fluidos (Vecchi, Ogata, 1999).

A domótica tem interessado aos clientes pessoas físicas, assim deixando de ser uma área exclusivamente das empresas do ramo da construção, cada vez mais oferecendo soluções, proporcionando maior conforto, segurança e também a redução nos gastos de energia elétrica e água potável.

A proposta deste trabalho, no entanto é fugir dos sistemas domóticos clássicos com alto valor de projeto e instalação, projetando um sistema de automação residencial de baixo custo. Seu projeto baseado em conceitos difundidos nas indústrias, com a utilização de um CLP, sensores e atuadores discretos, de fácil aquisição junto ao mercado, que atuarão na supervisão, controle e monitoramento de equipamentos, como ares-condicionados, sistemas de iluminação, sistemas de irrigação de jardins, entre outros automatismos possíveis.

Capítulo 1 será apresentado uma breve descrição do que vem a ser domótica e a classificação dos sistemas domóticos, quanto ao seu tipo de arquitetura, vantagens e inconvenientes destas arquiteturas.

Capítulo 2 será apresentado a evolução do CLP, características, vantagens e desvantagens em soluções com uso do CLP, lógica e simbologia binária básica, bem como alguns fabricantes de CLP, alguns de seus modelos e exemplos de linguagens de programação de CLPs.

Capítulo 3 será descrito alguns tipos de sensores e atuadores comumente utilizados em projetos de automação com uso de CLPs.

Capítulo 4 será descrito algumas soluções de automatismos residenciais já existentes, com diferentes sistemas.

Capítulo 5 será comentado sobre o software que será utilizado no desenvolvido do projeto de automação proposto neste trabalho de conclusão, bem como a descrição do funcionamento do sistema de automatização, aqui proposto.

1 DOMÓTICA

A domótica é uma tecnologia que permite a gestão de todos os recursos prediais. O termo domótica resulta da junção da palavra domus (casa) com robótica (controle automatizado de algo). É este último elemento que rentabiliza o sistema, simplificando a vida diária das pessoas, satisfazendo as suas necessidades de comunicação, de conforto e segurança. Quando a domótica surgiu, com os primeiros edifícios, nos anos 80, pretendia-se controlar a iluminação, condições climáticas, a segurança e a interligação entre os três elementos (WIKIPEDIA, 2008a). Nos nossos dias, a idéia base é a mesma. A diferença é o contexto para o qual o sistema está pensado, não um contexto militar ou industrial, mas doméstico. Apesar de ainda ser pouco conhecida e divulgada, mas pelo conforto e comodidade que pode proporcionar, a domótica promete vir a ter muitos adeptos (WIKIPEDIA, 2008a).

Desta forma permite o uso de dispositivos para automatizar as rotinas e tarefas de uma casa. Normalmente são feitos controles de temperatura ambiente, iluminação e som, distinguindo dos controles normais por ter uma central que comanda tudo, que pode ser acoplada a um computador e/ou internet (WIKIPEDIA, 2008a). Este novo ramo da tecnologia tem o objetivo básico de melhorar a qualidade de vida, reduzir o trabalho doméstico e aumentar o bem estar e segurança. Estando esta tecnologia cada vez mais presente na construção de edifícios, residenciais e também em rede de serviços externos.

1.1 Classificação dos sistemas domóticos

A arquitetura de um sistema domótico, como qualquer sistema de controle, especifica a forma como os diferentes elementos do sistema de controle vão se localizar. Existem duas arquiteturas básicas, arquitetura centralizada e distribuída.

1.1.1 Arquitetura Centralizada

Em um sistema de domótica com arquitetura centralizada, um controlador centralizado, envia as informações para os atuadores e interfaces segundo o programa, a configuração e as informações que recebe dos sensores, sistemas interconectados e as ações dos usuários (CASADOMO, 2008). Na Figura 1.1 é possível de ser observada esta arquitetura.

Figura 1.1– Arquitetura Centralizada Fonte: CASADOMO (2008)

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