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FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
A Engenharia de AutomaçãoAutomação Semestre 01/2015
Engenharia de Controle e Automação
FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Sistemas Dinâmicos
Classe dos Sistemas Dinâmicos:
Tempo “time-driven” Descritos por equações diferenciais na variável tempo. Contínuos no tempo.Ex.: fenômenos térmicos, químicos, ...Sinais analógicos.
Eventos “event-driven” Descritos por Álgebra de Boole, Álgebra Dióide, Autômatos finitos, redes de Petri e programas computacionais. Eventos discretos.Ex.: sistemas on-off, sim-não,...Sinais digitais.
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Sistemas dinâmicos convencionais - tempo
Para classificar esses sistemas é necessário
observar os seus sinais:
Contínuo em amplitude e no tempo
Contínuo em amplitude e discreto no tempo
Discreto em amplitude e contínuo no tempo
Discreto em amplitude e no tempo
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Sistemas dinâmicos – eventos discretos
São sistemas cuja a evolução decorre unicamente de eventos instantâneos, repetitivos ou
esporádicos.
Os sinais são do tipo on-off, verde-vermelho, 1-2-3..., avança-recua,... As alterações dos valores são rápidas que podem ser consideradas como instantâneas Eventos instantâneos externos constituem sinais de entrada que causam eventos discretos
internos e de saída
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O Controle
Figura 1.1– Controle de temperatura elementar.
Figura 1.2- diagrama de blocos do sistema térmico.
Nesse processo (aquário), temos a necessidade de controlar a
temperatura, que é medida
através de um sensor (termômetro), que possibilita ao
controlador, fazer uma comparação com
um valor pré-ajustado (ponto de ajuste) e tomar a decisão
de ligar ou desligar o atuador
(resistor elétrico), mantendo a temperatura dentro de um
limite considerado aceitável.
As condições externas que podem influenciar na
temperatura da água, chamadas de distúrbios. A temperatura
do ambiente externo influencia
diretamente no controle, determinando uma condição diferente
de atuação no processo.
Este controle do aquário não possui precisão. Esse tipo de
controle chamamos de Liga/Desliga, o atuador (resistor)
permanece em dois estados bem definidos (nenhuma corrente
= desligado e máxima corrente =
ligado). É considerado então um controle descontínuo.
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O Controle
Figura 1.3– Controle realimentado automático.
Figura 1.4- Elementos básicos de um controle realimentado.
Nesse processo de aquecimento, temos a
necessidade de controlar a temperatura, que é
medida através de um sensor (termômetro) com
sinal analógico, que possibilita ao controlador, fazer
uma comparação com
um valor pré-ajustado (ponto de ajuste) e tomar a
decisão de abrir ou fechar o atuador
(válvula proporcional), mantendo a temperatura
dentro de um limite considerado aceitável.
As condições externas que podem influenciar na
temperatura da água, chamadas de distúrbios. Este
controle do aquário possui maior precisão. Esse tipo
de controle chamamos de malha fechada, o atuador
(resistor) trabalha em uma faixa de sinal
analógico. É considerado então um controle
contínuo.
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Automação
Definição: Sistema automático pelo qual os mecanismos controlam seu próprio funcionamento, quase sem a
interferência do homem.
Possui a vantagem de utilizar sistemas que envolvam diretamente a informação e a possibilidade da expansão
utilizando recursos de fácil acesso ; neste contexto, são de extraordinária importância os controladores
lógicos/automação programáveis (CLPs/CAPs – PLCs/PACs), que tornam a automação industrial uma realidade.
CLPs: Controladores Lógicos Programáveis
PLCs: Programmable Logic Controller
CAPs: Controladores de Automação Programáveis
PACs: Programmable Automation Controller
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AutomaçãoCLPs ou PLCs
-Linguagens: 1 ou 2 (LD e/ou ST).
-Pode ter programação de lógica on-line mas não cria endereços de
memória on-line.
-Disciplinas de controle: Intertravamento.
-Não tem RIUP (Remove Insert Under Power).
-Alguns PLCs de grande porte gerenciam I/Os em redes.
-A CPU nos PLCs modulares deve ser sempre no slot 0.
-Programa baseado em endereços de memória pré-definidos pelo
fabricante.
Exemplo: PLC5, SLC500 e MicroLogix: B3:0/0 N7:0 ...
-No software de programação da maioria dos PLCs não é possível a
criação de blocos de controle (Add-Ons) e nem estrutura de variáveis
(Tanques, Motores, ...) e nem criação de estrutura de vetores e matrizes.
-Nos PLCs a instrução de PID é para controle básico.
-A maioria dos PLCs utilizam a unidade de medida de memória em words.
Exemplo: CPU 5/05 com 64kw.
CAPs ou PACs
-Linguagens: mínimo 4: LD, SFC, FB e ST.
-Programação de lógica e banco de dados on-line.
-Disciplinas de controle: Safety, Intertravamento, CNC, Batch,
Gestão e Controle de Drives e Motion e DCS (controle de processo).
-Tem opção de RIUP conforme o modelo do PAC.
-Todos os PACs gerenciam I/Os remotos em redes.
-A CPU nos PACs modulares podem ser instalado em qualquer slot
do rack ou chassi.
-Programa baseado em tags, ou seja, o usuário nomeia as variáveis.
Exemplo: Aux_Auto, Temp_caixa, ...
-No software de programação de todos os PACs é possível a criação
de blocos de controle (Add-Ons) e estrutura de variáveis (Tanques,
Motores, ...) e criação de estrutura de vetores e matrizes.
-Nos PACs a instrução de PID é para controle avançado (PIDE)
-Todos os PACs utilizam a unidade de medida de memória em bytes.
Exemplo: CPU do CMX L32E 750kbytes. (Controlador da bancada 1
do LAB)
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AutomaçãoCLPs ou PLCs – continuação:
-Os PLCs tem scan de processamento básico como: leitura do estado
das entradas, executa o programa, escrita nas saídas e executa
comunicação.
-Nos PLCs somente pode existir uma CPU no rack ou chassi.
CAPs ou PACs – continuação:
-Os PACs tem scan de processamento conforme a prioridade e
tempo de execução das rotinas contínuas, rotinas periódicas,
rotinas por evento, prioridade de leitura e escrita das entradas e
saídas. (pipeline).
-Nos PACs podem existir mais de uma CPU no rack ou chassi.
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Automação
Além da redução de custos de instalação, PLCs ou PACs proporcionam valor acrescentado muitos
benefícios:
Confiabilidade. Uma vez que um programa foi escrito e depurado, este pode ser facilmente transferido e descarregado (download) para outros Controladores. Isso reduz o tempo de programação, minimiza a depuração e aumenta a confiabilidade. Com toda a lógica existente na memória do Controlador, não há nenhuma chance de ocorrer um erro de fiação lógica. A fiação é necessária apenas para a alimentação e as entradas e saídas.
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Automação
Flexibilidade. Alterações do programa podem ser feitas com poucas intervenções do programador. OEMs (fabricantes originais de equipamentos) podem facilmente implementar atualizações do sistema através do envio de um novo programa em vez de uma pessoa de serviço. Os usuários finais podem modificar o programa no campo, ou, inversamente, os OEMspodem impedir que os clientes finais possam alterar o programa (um recurso de segurança importante).
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Automação
Funções avançadas. Controladores podem executar uma grande variedade de disciplinas de controle, desde uma disciplina de controle simples como uma ação repetitiva de manipulação até a manipulação de dados complexos. A padronização dos Controladores abrem muitas portas para “designers”, e também simplifica o trabalho para a equipe de manutenção do sistema.
Comunicações. Comunicando-se com interfaces de operação, outros Controladores ou a facilidade na coleta de dados pelos computadores e a troca de informações.
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Automação
Velocidade. Por causa de alguns processadores de máquinas automatizadas que processam milhares de dados - e objetos que passam por uma fração de segundo na frente de um sensor – são aplicações de automação que requerem muitas vezes que o Controlador tenha a capacidade de ter uma resposta rápida.
Diagnóstico. A capacidade de resolução de problemas de dispositivos de programação e os internos ao processador possibilita obter um diagnóstico no Controlador e permite que os usuários possam facilmente encontrar e corrigir problemas de software e hardware.
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Automação
Wastewater treatment facility
Packaging
Não importa qual seja a aplicação, o uso de
Controladores ajuda a aumentar a competitividade.
Processos utilizando Controladores incluem:
acondicionamento, envasamento e
embalagem, manuseio de materiais,
usinagem, geração de energia,
climatização / construção de sistemas de
controle, sistemas de segurança,
montagem automatizada,
linhas de pintura e tratamento de água.
Controladores são aplicados em uma grande variedade
de indústrias, incluindo alimentos e bebidas,
automotivo, químico, plásticos, papel e
celulose, produtos farmacêuticos e metais.
Virtualmente qualquer aplicação que requer
controle elétrico pode-se usar um Controlador.
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Automação
Principais objetivos da Automação:
Reduzir custos de produção Maior nível de qualidade Controle por especificações numéricas de tolerância Maior flexibilidade de modelos de manufatura para o mercado Maior segurança coletiva para os operários Menores perdas materiais e de energia Mais disponibilidade e qualidade da informação sobre o processo Melhor planejamento e controle da produção
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Arquitetura da Automação Industrial
A pirâmide da Automação Industrial:
A automação industrial exige a realização de muitas funções. A pirâmide a seguir mostra diferentes níveis de automação encontrados em uma planta industrial.
Na base da pirâmide está freqüentemente envolvido o Controlador Programável, atuando via inversores de frequência, conversores de frequência ou sistemas de partida suave sobre máquinas e motores e outros processos produtivos. No topo da pirâmide , a característica marcante é a informação ligada ao setor corporativo da empresa com sistemas de gestão “Business Intelligence”.
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Arquitetura da Automação Industrial
Nível 5: Administração dos recursos da empresa.
Softwares para gestão de vendas e financeira.
Decisão e gerenciamento de todo o sistema.
Nível 4: Nível da programação e planejamento da
produção, realizando o controle e a logística dos
suprimentos.
Nível 3: Controle do processo produtivo da planta.
Constituído por banco de dados, com informação
sobre índices de qualidade da produção, relatórios e
estatísticas de processo, índices de produtividade,
algoritmos de otimização da operação produtiva.
Nível 2: Controladores digitais, dinâmicos e lógicos, e
de algum tipo de supervisão associada ao processo.
Aqui se encontram concentradores de informações
sobre o Nível 1, e as Interfaces Homem-Máquina
(IHM)
Nível 1: É o nível das máquinas, dispositivos e
componentes (chão-de-fábrica).
ISA-S95
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Arquitetura da Automação Industrial
Controladores para Automação.
De início o Controlador Lógico Programável (CLP ou PLC) é um dispositivo digital que controla máquinas e processos. Utiliza uma memória programável para armazenar instruções e executar funções específicas: energização/desenergização, temporização, contagem, seqüenciamento, operações matemáticas e manipulação de dados.
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Arquitetura da Automação Industrial
Controladores para Automação.
O desenvolvimento dos CLPs começou em 1968 em resposta a uma necessidade constatada pela General Motors.
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Arquitetura da Automação Industrial
Controladores para Automação.
Origem: (1968/69)Naquela época, a GM consumia dias ou semanas para se alterar um sistema de controle
baseado em relés, isto ocorria sempre que se mudava um modelo de carro ou se introduziam modificações na linha de montagem. Para reduzir este alto custo, a GM especificou um sistema de estado sólido, com a flexibilidade de um computador, que pudesse ser programado e mantido pelos engenheiros e técnicos nas fábricas. Também era preciso que suportasse o ar poluído, a vibração, o ruído elétrico e os extremos de umidade e temperatura encontrados num ambiente industrial
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Arquitetura da Automação Industrial
Sistemas de Controle tradicionais com
relés e contatoras.
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Arquitetura da Automação Industrial
Controladores para Automação.
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Arquitetura da Automação Industrial
Controladores para Automação.
Os Controladores (Controladores Industriais) se caracterizam por: Robustez adequada aos ambientes industriais;
Programação por meio de computadores pessoais;
Linguagens amigáveis para o projetista de automação de eventos discretos;
Permitir tanto o controle lógico quanto o controle dinâmico (P+I+D);
Incluir modelos capazes de conexões em grandes redes de dados.
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Arquitetura da Automação Industrial
Níveis de Complexidade da Automação:
Pequena – até 200 I/Os, pequenas redes de dados (10 nós), uma IHM com tela até 6” M. ou C.,
um PC para supervisão para até 15 telas;
Média – até 1000 I/Os, médias redes de dados (60 nós), uma IHM com tela até 10” M. ou C., um
PC para supervisão para até 25 telas;
Grande – mais de 1000 I/Os, mais de uma rede de dados do mesmo protocolo ou de diferentes
protocolos, uma ou mais IHM com tela até 15” M. ou C., um ou mais PCs para supervisão com
mais de 25 telas com arquitetura servidor/cliente podendo ter redundância de servidores;
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Arquitetura da Automação Industrial
Integration Continuum
Aplicações pequenas Aplicações Compactas Grandes aplicações
Baixa Alta
Conectividade Simples
Mecanica ligada a máquina
Máquinas stand alone
Baixo custo
Apenas controle
Eixos com servo drives
Grande capacidade de controle
Controle elétrico e mecânico
Baixos custos de engenharia
Eixos coordenados
Alimentadores de robos
Conectividade avançaca
Capacidade de trocar informação
com outros sistemas
Arquitetura de Componentes Arquitetura Integrada
Uso atual dos CLPs ou PLCs Uso atual dos CAPs ou PACs