198 TEMPORIZADORES PNEUMÁTICOS Servem para criar um retardo no envio ou na recepção de um sinal de comando. A figura a seguir ilustra um temporizador que retarda a emissão do sinal e sua simbologia. A aplicação do sinal em X provoca após um tempo de retardo, o aparecimento de um sinal de saída em A. A temporização é obtida através de um progressivo aumento da pressão no pequeno reservatório provocado pela entrada do sinal X que por sua vez passa através de um estrangulamento regulável. Após um tempo t a pressão é suficiente para comandar o êmbolo da válvula 3/2 vias. Interligando as conexões P com A. Ao cessar o sinal em X, o ar do reservatório sai pela membrana de retenção do estrangulamento. A figura da também ilustra graficamente os sinais em X e A em função do tempo. Válvula temporizadora que retarda a emissão do sinal. A figura a seguir ilustra uma válvula temporizadora que retarda a interrupção do sinal e sua simbologia. O princípio de funcionamento é análogo à válvula anterior. O gráfico da mesma figura ilustra os sinais em X e A em função do tempo. Válvula temporizadora que retarda a interrupção do sinal
199 ELETROPNEUMÁTICA Em eletropneumática o comando é executado por um circuito elétrico do tipo Controlador Lógico Programável (CLP) ou através de um microcomputador. Utiliza válvulas pneumáticas direcionais atuadas por solenóides (já descritas anteriormente) apenas para comandar diretamente os pistões. Na verdade o solenóide aciona um sistema pneumático que aciona a válvula. Os componentes (válvulas) que realizam o controle são substituídos por relés, comutadores de potência, interruptores, pressostatos e sensores elétricos. É recomendada para ambientes em que não há risco de explosão. A figura a seguir ilustra alguns elementos básicos de eletropneumática e seus símbolos. O botão fechador está normalmente aberto enquanto que o abridor está normalmente fechado. O comutador abre e fecha contatos ao mesmo tempo. Botões fechador, abridor e comutador. Outro elemento muito usado é o relé. O relé consiste num elemento de comutação acionado eletromagneticamente como mostrado na figura a seguir. Note na figura que um relé pode ligar e desligar vários circuitos, pois podem existir várias chaves que são atuadas (mecanicamente) pela sua bobina. Relé. A figura a seguir ilustra um circuito eletropneumático simples em que o interruptor S1 aciona o solenóide Y1 da válvula do pistão. Note o símbolo do solenóide da válvula. Os pólos + e - representam os pólos da rede elétrica.
200 Circuito eletropneumático simples. No entanto, devido às altas correntes que são em geral necessárias para acionar a válvula o circuito de acionamento é separado do circuito de controle. Assim o interruptor S1 acionaria um relé de baixa corrente K1 que acionaria o solenóide Y1 como mostrado na figura 14.4. Circuito de controle e de potência. A figura abaixo ilustra um circuito eletropneumático que comanda um cilindro de dupla ação acionada por uma válvula 5/2 vias. K1 e K2 são relés e Y1 e Y2 os solenóides das bobinas. Note que agora temos apenas interruptores elétricos (S1, S2 e S3). Circuito eletropneumático A figura abaixo ilustra dois circuitos em que o relé se mantém ligado ao ser acionado somente desligando quando acionado o botão desliga. Ao lado temos um exemplo de aplicação. O circuito é chamado "ligar dominante" quando ao pressionar simultaneamente os botões liga e desliga o circuito liga, e "desligar dominante" caso contrário.
201 O projeto dos circuitos eletropneumáticos segue o mesmo processo que os circuitos pneumáticos, podendo se usar os dois métodos (intuitivo e passo-a-passo). A figura ilustra um circuito eletropneumático que executa a seqüência direta A+B+AB-, projetado usando o método intuitivo. Aqui também há problemas com sobreposição de sinais e para seqüências indiretas devemos usar o método passo-a-passo. Circuito eletropneumático que realiza a seqüência direta A+B+A-B-.
202 No caso do método passo-a-passo cada evento do circuito será realizado pelo sub-circuito ilustrado na figura abaixo. Subcircuito responsável por um evento da seqüência no método passo-a-passo. Assim, note que cada relé Ki se mantém ligado, arma o subcircuito do evento seguinte e desarma o subcircuito do evento anterior. A figura abaixo ilustra um circuito eletropneumático que comanda a seqüência indireta A+B+C+C-A-B-. Circuito eletropneumático que comanda a seqüência A+B+C+C-A-B-. Note que, como no circuito pneumático o último subcircuito deve estar ligado para que o circuito possa ser iniciado, por isso é necessário o botão de rearme mostrado.
203 REDES DE SENSORIAMENTO Introdução Dentro de uma planta automatizada é possível classificar diferentes níveis de automação que caracterizam as hierarquias do processo de acordo com a funcionalidade específica. A figura abaixo representa a chamada Pirâmide de Automação com os diferentes níveis de automação encontrados em uma planta industrial. Pirâmide de Automação – Visão Geral Na base da pirâmide está envolvido o Controlador Programável atuando sobre máquinas e motores, estes por sua vez alimentados por inversores, conversores ou sistemas de partida suave. No topo da pirâmide, a característica marcante é a informatização ligada ao setor corporativo da empresa. Quanto aos níveis intermediários, é possível fazer uma breve descrição de cada nível: • Nível 1: É o nível das máquinas, dispositivos e componentes (chão de fábrica), onde a automação é realizada pelo controlador programável (CLP). Ex: Máquinas de Embalagem/Linhas de Montagem/Máquinas de Formulário. • Nível 2: Este nível se caracteriza quando algum tipo de supervisão está associado ao processo. É o nível onde se encontram Sistemas Supervisórios e IHM’s (Interfaces Homem Máquina), normalmente interligados em redes de comunicação. Ex: Máquina Automatizada para linha de engarrafamento e processos de batelada. • Nível 3: Este nível permite o controle do processo produtivo da planta. Normalmente é constituído por bancos de dados com informações dos índices de qualidade da produção, relatórios e estatísticas de processo, índice de produtividade, etc. Ex: Avaliação e controle de qualidade em processo químico ou alimentício. • Nível 4: Este é o nível responsável pela programação e planejamento dos elementos constituintes da fábrica, realizando o controle de suprimentos e sendo responsável pela manutenção da qualidade. Ex: Acompanhamento de suprimentos e estoques em função do planejamento produtivo da indústria.
204 • Nível 5: Finalmente este nível é o responsável pelo planejamento dos recursos da empresa, onde se encontram os softwares responsáveis pela gestão de vendas e gestão financeira. Aqui são realizados a decisão e o gerenciamento de todo o sistema. Ex: Indústrias de Fermentação: sistema produtivo de fabricação de bebidas em conjunto com soluções de gestão empresarial. Da análise da Pirâmide de Automação, chega-se a conclusão que as plantas devem possuir seus níveis funcionais cada vez mais interconectados, buscando um fluxo de dados tanto entre camadas de mesmo nível (fluxo horizontal) quanto níveis diferentes (fluxo vertical). O fluxo vertical visa integrar níveis diferentes, dentro de uma visão sistêmica. Uma das maneiras de iniciar esse processo de sinergia entre as camadas que compõem a operação é iniciar a integração pelo nível 1 (operacional), onde se encontram os dispositivos e componentes da operação propriamente dita. Os sinais de processo gerados neste nível operacional são convertidos em elétricos e transmitidos aos controladores programáveis por meio dos sensores e transdutores. Deve-se observar que estes são sinais elétricos originários de operações físicas dos elementos do “chão de fábrica”. De posse desses sinais elétricos, faz-se necessário interconectar os elementos em uma rede de comunicação. Essa comunicação é feita geralmente utilizando a abordagem clássica da filosofia “mestreescravo”, em que uma estação “mestre” controla o fluxo de informações com as estações “escravas” dispostas ao longo da planta. A presença de uma estrutura física para troca de informações (meio físico) torna possível essa movimentação de dados, ou seja, uma rede de comunicação dedicada à conexão dos elementos sensores e transdutores dispostos ao longo da planta, no nível operacional. Além da estrutura física, um padrão de comunicação também é requerido, de maneira a gerenciar a troca de “pacotes” de informações. Diante disto, o uso de soluções envolvendo ASI (Actuator Sensor Interface – Interface para Sensores e Atuadores) é uma das mais tradicionais aplicações dentro do nível 1 ou “chão de fábrica”. A rede AS-Interface existe desde 1994, com a qual sinais analógicos e digitais juntos ao processo e à máquina podem ser transmitidos de forma digital. A AS-Interface é uma interface universal entre os sinais de comando e os sensores / atuadores dos níveis de chão-de-fábrica. Não faz muito tempo que a pressão para redução de custos na automação exigiu uma mudança estrutural. O que alavancou esta mudança foram os imensos custos provocados pela instalação dos cabos que tinham que ser usados para a conexão do nível de campo aos equipamentos de automação (normalmente controladores lógicos programáveis), pois cada um dos atuadores ou sensores tinha que ser conectado com o comando central e sua respectiva alimentação. Isso não provocava somente custos altos de montagem, mas também de cablagem, bem como um maior número de falhas e consequentemente, menor confiabilidade do sistema. A análise termo-a-termo do conceito AS-Interface (Interface Sensor Atuador) define a sua aplicação técnica, referindo-se a uma interface simplificada voltada à conexão de sensores e atuadores, no ambiente operacional caracterizando aplicações para as chamadas redes de sensoriamento. Dois aspectos técnicos são responsáveis pela aplicação de tal tecnologia: • o emprego de controladores e CPU’s (Unidade Central de Processamento) permitiram o uso de dispositivos digitais e uma forte descentralização dos sistemas instalados. Onde monitores (interfaces) e teclados possuem elevada importância nas soluções apresentadas. Assim sistemas descentralizados e com certo grau de “inteligência” necessitam de um aumento de
205 capacidade na comunicação entre unidades de controle e elementos periféricos, de maneira a atingir um bom desempenho. • O uso da tecnologia de via de dados digital está substituindo os cabos paralelos usados na comunicação entre controles e dispositivos digitais por um cabo único, gerando uma grande economia principalmente em hardware e periféricos. O conjunto de cabos em árvore, usado na arquitetura de comunicação tradicional, de acordo com a figura a seguir, é uma solução de elevado preço na instalação e manutenção dos equipamentos. Topologias e especificações normal e avançada A topologia de uma rede AS-Interface pode ser escolhida, permitindo que a configuração da rede se adapte melhor à aplicação, às necessidades do local e pode ser do tipo estrela, anel ou em linha (barramento). Os “escravos” podem estar localizados tanto em linha (dispostos na rede) ou em grupos. Resistores de terminação (fim de linha) não são necessários. As possíveis topologias são mostradas a seguir: Figura : Ponto-a-ponto Figura : Barramento
206 Figura : Anel Figura : Árvore A rede AS-Interface pode ser montada como instalações elétricas usuais. Por ser robusta não há nenhuma restrição quanto a estrutura (topologia de rede). Os módulos AS-Interface podem ser instalados em forma linear, estrela, árvore ou anel. Em um sistema AS-Interface normal pode-se conectar no máximo 31 escravos sendo que cada escravo pode ter até quatro entradas e quatro saídas (no total até 124 bits de entrada e 124 de saída). Em um sistema AS-Interface segundo a especificação avançada, pode-se conectar até 62 escravos A/B. Estes têm no máximo quatro entradas e três saídas (isto é, até 248 bits para entradas e 186 para saídas dentro de um sistema AS-Interface). O ASI é um sistema de interconexão entre redes, não proprietário e padronizado, voltado à conexão de sensores, atuadores e outros equipamentos atuando no nível operacional da planta. A figura a seguir dá uma visão geral da aplicação de tal tecnologia e seus elementos básicos constituintes: Figura : Visão geral do emprego de uma solução AS-Interface
207 Os sinais provindos do processo (planta) são normalmente transmitidos para um sistema de controle, através de uma grande quantidade de cabos (fios) paralelos que se originaram dos elementos dispostos na planta. Isto significa que, cada dispositivo está individualmente conectado a uma placa de entrada/saída através de um fio ou cabo dedicado. A solução envolvendo ASI possibilita retirar essa fiação e colocar em seu lugar um cabo de dois fios (não blindado), possibilitando assim, tanto o envio de informações (dados) quanto controle de energia para os dispositivos. Para tal, faz-se necessário que uma estação “mestre” se comunique com os nós (escravos) espalhados pela planta, utilizando o meio que suporte ASI enquanto uma fonte de energia, também dedicada, fornece energia necessária para os elementos dispostos na rede, interconectando e alimentando os dispositivos. O cabo de comunicação ASI é instalado como qualquer outro cabo de comunicação padrão existente no mercado. Caso seja necessário, novos pontos podem ser anexados e instalados. Essa versatilidade permite trabalhar com diferentes topologias de rede (árvore, estrela, anel, etc). Não se faz necessário o uso de blindagem nos cabos e resistores de terminação de linha. Uma solução ASI pode ser uma solução independente ou pode estar associada a outra solução de rede, fortalecendo assim o conceito de interconectividade, exemplo, a figura abaixo: Figura : Implementação de uma solução As-Interface com periféricos Principais Características As principais características envolvidas a solução AS-Interface são apresentadas a seguir: • os componentes da rede conseguem se interagir entre si em um conceito de interoperabilidade, por exemplo, cada escravo da rede consegue trabalhar em conjunto com outro escravo. Este conceito é mantido, independente, das mudanças ou extensões que venham a ocorrer no sistema. • AS-Interface é uma solução que envolve um único “mestre” por rede com varredura cíclica, a qual varre todos os “escravos” utilizando os endereços de rede.
208 • Todos os pacotes de dados envolvidos na troca de informações são pequenos, de estrutura simplificada e têm um comprimento fixo. Os bits de dados são trocados entre o “mestre” e cada “escravo”, de maneira individual, durante um ciclo de varredura. • O cabo utilizado não é blindado e é formado por 2 fios os quais transferem dados e alimentação. Embora não tenha uma blindagem, a integridade dos dados é garantida, mesmo em ambientes agressivos por mecanismos de controle da taxa de erros no envio das informações. “Escravo” Escravos são, no fundo, módulos de E/S descentralizados do controlador programável (CLP). O escravo AS-Interface reconhece os bits de dados enviados pelo mestre e envia de volta os seus próprios. Em um módulo AS-Interface padrão pode-se pendurar, de cada vez, até quatro sensores e quatro atuadores binários. Fala-se de um escravo inteligente quando o chip do AS-Interface está integrado no sensor ou atuador. Escravos AS-Interface existem tanto em módulos digitais, analógicos e pneumáticos, como também em componentes inteligentes, como por exemplo: partidas de motores, sinalizadores coluna ou botoeiras. Com os módulos pneumáticos pode-se comandar cilindros pneumáticos simples ou de ação dupla. Isto não economiza somente em cablagem, mas também em canaletas. Devido à concepção de projeto e à própria filosofia de implementação da AS-Interface, o “escravo” é concebido como um elemento compacto e pequeno, com boa relação custo / benefício, possuindo alta integrabilidade. Independente de como o “escravo” tenha sido construído, é sempre importante observar que o acoplador precisa ser uma estrutura física e não-lógica. Conforme visto anteriormente, dependendo da especificação normal ou avançada do tipo de rede os “escravos” poderão ser: • Padrão: com 4 entradas e 4 saídas, em um total de até 31 unidades por rede. • Tipo A/B: com 4 entradas e 3 saídas, em um total de até 62 unidades por rede. Lado de Rede do “Escravo” Cada “escravo” deve se comunicar sem problemas com o “mestre” e não deve interferir com a comunicação entre outros “escravos” e o “mestre”. Os terminais de operação do “escravo” devem atuar em uma faixa de tensão da ordem de 26,5 a 31,6 VDC. O “escravo”, neste ponto, pode drenar corrente da rede e fornecer a seus próprios componentes internos e à conexão sensor e/ou atuador. É de responsabilidade do usuário, durante a concepção da solução que a energia total requerida pelos “escravos” não suplante a energia disponibilizada pelo circuito. Nas junções eletromecânicas, é possível e permitido conectar e desconectar os “escravos” durante a operação. O “escravo” não necessita corrente elevada no momento de contato e troca de dados com outros “escravos”, caracterizando uma rede de comunicação de dados que drena baixa corrente. A AS-Interface opera sem um sistema de aterramento e para prevenir distorções de sinal e suprimir interferências, é considerado que as impedâncias dispersas para a “terra” sejam simétricas e que contenham certos limites de valores que não sejam excedidos. Isto deve ser levado em consideração no momento de desenvolvimento de certos módulos, facilitando a vida do usuário quanto às restrições na conexão dos elementos da rede.
209 “Mestre” O Mestre da AS-Interface forma uma conexão com redes superiores. Ele organiza através de atividade própria o trânsito de dados no cabo AS-Interface e os disponibiliza se necessário a um sistema bus num nível superior. Paralelamente à consulta dos sinais, o mestre transmite também parâmetros a cada um dos participantes, controla a rede continuamente e realiza diagnósticos. Ao contrário de sistemas de barramentos de comunicação de dados complexos, a AS-Interface é quase completamente capaz de se autoconfigurar. O usuário não precisa configurar nada, como por exemplo: direito à entrada, taxa de dados, tipo de telegrama, etc. O mestre executa automaticamente todas as funções que são necessárias para o funcionamento correto da AS-Interface. Além disso, ele possibilita o auto-diagnóstico do sistema. Ele reconhece as falhas em qualquer ponto da rede, indica o tipo de falha e pode ainda determinar em que escravo ocorreu o problema. O “mestre” possibilita a interface entre o sistema de transmissão e o controle, de acordo com a figura a seguir, onde se verifica que todas as entradas / saídas são mapeadas com 4 bits pelo escravo, somando-se a isso, o “mestre” oferece possibilidades para diagnóstico de possíveis problemas que ocorram na rede. A configuração da rede é continuamente monitorada e comparada com configurações armazenadas. Por exemplo, se um “escravo” falha, ele pode ser trocado rapidamente e o “mestre” automaticamente fornece o seu endereçamento. Estrutura “Mestre” A especificação do “mestre” é composta por 4 camadas principais, as quais são responsáveis pelo encaminhamento da mensagem pelo cabo de comunicação até a estação de controle. De acordo com a figura a seguir, é possível ter uma idéia da localização dessas camadas: Uma importante tarefa das camadas é a manipulação de erros ou operações anormais, não permitindo que estas informações sejam transmitidas para endereços de rede incorretos. Características básicas do funcionamento do”Mestre”: Leitura e Escrita cíclica para todos os Escravos lendo as entradas/escrevendo nas saídas. Operação Padrão. • Comunicação com as Entradas e Saídas Operação Extendida • Com blocos de funções e/ou chamada de funções no Mestre (por exemplo, para configurar escravos).
210 • Pré-planejamento deve considerar a configuração Monitoramento de escravos e fonte ASInterface. Interação Mestre / Escravos Processo de Comunicação - Mestre Troca de Dados Mestre-Escravo
211 Interação mestre-escravo Campos de Dados do Mestre LES, LAS, LPS O mestre controla três listas internas (Tabelas): • LRS ... Lista de escravos reconhecidos • LAS ... Lista de escravos ativos • LCS ... Lista de escravos configurados Atualização da lista pelo escravo: • Endereço do Escravo • Perfil do Escravo (Código I/O e de ID)
212 Estrutura da mensagem do AS-Interface Codificação de Sinal Modulação APM (Alternate Pulse Modulation) O Sinal não possui componente DC • Isso é um requisito quando dados e energia são transmitidos em um único cabo Permite espectro de banda em freqüência • Reduz reflexões no fim do cabo Aumenta os impulsos (2 por Bit) • Sincronização é feita mais fácil • Redundância resulta em efetivo reconhecimento de erro
213 Medição do reconhecimento de erro Start bit: Impulso Negativo Alternância: Troca de polaridade depois de cada impulso Pausa de Impulso: Sempre no início de um comprimento definido entre dois pulsos Dados: Um pulso na segunda metade do bit Checagem de Paridade: Soma de todos os pulsos positivos é par End bit: Impulso positivo Interrogation length: Nenhum impulso diretamente após o end bit Funcionamento do Mestre AS-Interface Os Escravos: módulos de I/O, sensores, botoeiras, etc.
214 Escravo AS-Interface IP67: por que usar cabos perfilados? Auto programação dos endereços dos escravos, no caso de uma troca de um módulo defeituoso. Cabo de Comunicação O cabo amarelo e perfilado, padrão da AS-Interface, tornou-se um tipo de marca registrada. Ele possui uma seção geometricamente determinada e transmite ao mesmo tempo dados e energia auxiliar para os sensores. Para os atuadores é necessária uma tensão auxiliar alimentada adicionalmente (24VCC). Para se poder utilizar a mesma técnica de instalação para os atuadores, foram especificados cabos com as mesmas características, mas de outra cor. Desta forma, o cabo para a energia auxiliar 24VCC é um cabo perfilado preto. O isolamento dos condutores é composto normalmente por uma borracha (EPDM). Para aplicações com exigências maiores podem se utilizar cabos com outras composições químicas como: TPE perfilado (elastômero termoplástico) ou PUR perfilado (poliuretano). Como condutor de transmissão podem ser utilizados também cabos redondos com sistema de condução duplo sem condutor PE. Uma blindagem do condutor não é necessária em função da técnica de transmissão empregada. O chamado cabo padrão amarelo ou “YELLOW CABLE” é o mais simples componente e talvez o mais vital para o sistema AS-Interface, sendo constituído por 2 fios. Este cabo tem a capacidade de transmitir ao mesmo tempo dados e energia para os “escravos” conectados e atuadores. Figura : Yellow Cable: configuração e método de conexão
215 O cabo amarelo ou “YELLOW CABLE” como é conhecido é um cabo achatado com dois isolados entre si, com as seguintes características: • Dois fios dispostos ao longo de um cabo achatado. • Tamanho externo total de 8 por 4 mm2 • Seção transversal do fio de 2 por 1,5 mm2 • Proteção de polaridade reversa. •Não-blindado. • Padrão DIN VDE 0295 Classe 6 • Código de cores: Azul (-) e Marrom (+). A seção de corte do fio é de 1,5 mm2 , no entanto, uma tensão de corte de 3V no final do cabo permanece dentro da faixa de tolerância de tensão sensível para atuadores onde a corrente de 2 A é usada até uma distância máxima de 100m. Figura : Cabo de Comunicação – Vista em corte AS-Interface Versão 2.1 Comparação
216 Escravos v 2.1: quais são as diferenças? Escravos A/B: Como isso funciona? Para escravos padrão o tempo de ciclo continua 5 ms!!!
217 Versão 2.1 permite qualquer combinação entre escravos padrão e A/B Safety at Work – O Princípio
218 Exemplo de Circuito: Monitor com um circuito de segurança
219 Transmissão de valores analógicos Transferência de dados com os analógicos: o que acontece com tempos? Como dimensionar uma fonte AS-Interface? 1) Módulos AS-i (< 40 mA cada um) 2) Sensores a serem utilizados em cada entrada - sensores indutivos (~ 40 mA cada) - sensores ópticos (~ 90 mA cada) 3) Consumo do Mestre AS-i (< 40 mA) Exemplo: 120E / 90S - 30 módulos de 4E/3S + mestre - consumo total = 31 x 40= 1,2A - 100 sensores indutivos - consumo total = 100 x 40 = 4A - 20 sensores ópticos - consumo total = 20 x 90 = 1,8A (Atenção - limite de corrente por módulo, normalmente < 250 mA!)
220 - Fator de Serviço: 0,5 < F < 1,0 - verificar sempre se os sensores podem estar atuados simultaneamente (dado do cliente!) - E as Saídas??? - Fonte Auxiliar: normalmente em 24VCC! Dimens. similar da fonte (alimentação do atuador via cabo preto) Modularidade da AS-Interface O emprego de soluções modulares tem se tornado a característica principal de aplicações utilizando AS-Interface. Cada módulo é composto de duas partes: a parte inferior chamada de módulo de acoplamento oferece uma grande facilidade de instalação no momento de formação de novas redes. A parte superior, chamada de módulo do usuário, contém as funções de “escravo” para a rede. Entre elas, existe uma interface eletro-mecânica padronizada, a chamada EMI, que tem como função simplificar a instalação de novos módulos, garantindo flexibilidade na inclusão de novas conexões de rede. A figura, a seguir, exemplifica as possíveis conexões dos elementos em rede: Figura : Construção de uma rede AS-Interface com módulos de conexão Da figura acima, é interessante observar que a construção de toda a rede As-Interface foi realizada por meio da interconexão de módulos, onde o cabo de conexão é formado por apenas dois fios. Os módulos de acoplamento são mostrados em a e b, bem como outras possibilidades de conexão. Dentro deste contexto, fica a pergunta de como uma rede pode ser ampliada para assumir novos sensores / atuadores (“escravos”). Essas ampliações pedem a colocação de repetidores, cuja função é amplificar sinais permitindo alcance de até 500 m, e extensores, que simplesmente permitem extensão da rede até 100 m. Critérios para um correto uso de repetidores e extensores devem ser obedecidos, de acordo com as figuras a seguir:
221 Figura : Modularidade com emprego de repetidores Figura : Modularidade com emprego de repetidores e extensores Operação com Repetidor e Extensor
222 Repetidor • Permite extensão do cabo por mais 100m (pode-se chegar até 500m) • Escravos podem ser instalados em ambos os lados do repetidor • As Fontes AS-Interface são necessárias em ambos os lados do repetidor • Isolação galvânica para os dois cabos (dois lados) • Mesma construção de um módulo de aplicação IP67 • Mestre pode ser instalado até 100m de distância do segmento AS-Interface • Escravos podem ser instalados somente nos 100m seguintes (saída do extensor) • Nenhuma fonte é necessária entre o mestre e o extensor • Não faz isolação galvânica dos dois segmentos •Instalados em módulos Benefícios da AS-Interface Comparativo de Custos: Técnica Convencional x AS-Interface Simplicidade • Endereçamento de escravos via Endereçador • Botão no master possibilita configuração automática: reconhecimento automático dos escravos já endereçados • O modo de operação pode ser definido como Protegido: Transfere a configuração do sistema como obrigatória • Integração de sinais fail-safe via bus de campo usando CLP padrão Se um escravo falha: • Mestre reconhece uma falha e marca o endereço do escravo • Um escravo em falha tem que ser trocado, e na troca o mestre escreve o endereço necessário automaticamente para o novo escravo idêntico (requisitos de manutenção reduzidos) • Garantia de uma construção Simples fácil instalação e operação • Transferência de dados e energia num único cabo economia nos custos de fiação e instalação • Alta segurança na operação via monitoramento contínuo dos escravos conectados • Simples e fácil comissionamento e manutenção
223 REDES DE COMUNICAÇÃO A utilização de processamento distribuído e de redes vem apresentando um crescimento significativo nos últimos anos. O advento dos chamados “sistemas distribuídos” tem exigido o desenvolvimento de novos modelos de programação e também de ferramentas apropriadas para o compartilhamento de recursos e de informações. Nos últimos anos vem-se verificando uma forte tendência de substituir sistemas computacionais centralizados, geralmente baseados em equipamentos de grande porte, por sistemas distribuídos, compostos por diversos similares de menor porte. Para contribuir com essa tendência salienta-se que os processadores se tornaram muito mais baratos nos últimos anos, a modularidade obtida conduz a sistemas de mais fácil instalação, manutenção e expansão, além de permitir que o processo continue operando mesmo que um dos integrantes apresente uma falha. Esse controle distribuído, no entanto, somente é viável se todos os integrantes do sistema puderem trocar informações entre si de modo rápido e confiável. Dessa necessidade surgiu u m campo vastíssimo de tecnologia em redes de comunicação. Diversos são os tipos, padrões, protocolos e centros de pesquisa e desenvolvimento em torno desse assunto. Rede de comunicação é o conjunto de equipamentos e software utilizados para propiciar o trânsito de informações entre os diversos níveis hierárquicos e participantes de um processo industrial é chamado de rede de comunicação para automação. Atualmente, uma das características importantes de uma rede de comunicação é que ela seja aberta. Figura 9 - Trânsito de informações através de uma rede de comunicação Vantagens do uso de redes abertas · Flexibilidade para estender a rede e conectar diferentes módulos na mesma linha · Cobertura de distâncias muito maiores que as conexões tradicionais · Redução substancial da quantidade de cabos · Ampliação do domínio da aplicação · Redução global de custos · Simplificação da instalação e operação
224 · Redução do custo de engenharia (acumulação do know-how devido à experiência) · Disponibilidade de ferramentas para instalação e diagnose · Possibilidade de conectar produtos de diferentes fabricantes Requisitos para uma rede industrial · Determinismo · Flexibilidade · Interoperabilidade · Custo efetivo baixo · Confiabilidade e segurança · Facilidade de uso · Solução completa para automação · Ser aberto · Padronizado · Veloz Grupos interessados em redes Existem três categorias de profissionais particularmente interessados no uso das redes: a) Consumidores: todos os operadores e administradores que no dia-a-dia utilizam o computador para fazer setups de sistemas, download de receitas e controle de processos, bem como acompanhamento de resultados; b) Integradores: empresas que utilizam as ferramentas de hardware e software disponíveis no mercado para implementar soluções de automação usando redes de comunicação; c) Fornecedores: empresas que desenvolvem equipamentos de visualização de dados, controle de variáveis, aquisição de dados e medição de grandezas para conexão direta em redes de comunicação. A Weg enquadra-se nos três grupos, pois é consumidora enquanto usa redes de comunicação nos mais diversos setores de fabricação e corporativo; é integradora enquanto fornece soluções completas de automação industrial baseadas em redes para seus clientes internos e externos e é fornecedora enquanto desenvolve equipamentos como o drive CFW-09, que podem ser diretamente ligados às modernas redes de comunicação. Meios físicos, topologias e protocolos para redes Como MEIO para tráfego das informações utilizam-se cabos condutores elétricos de diversos tipos, fibras óticas ou até mesmo ondas de rádio. A escolha do meio está associada a fatores como distância entre estações participantes, atenuação do sinal, imunidade a perturbações externas e velocidade de transferência das informações. Tradicionalmente utilizam-se cabos condutores elétricos que apresentam bom desempenho em todos os quesitos de escolha. Observa-se, no entanto uma tendência de uso da fibra ó tica como meio de trans porte para redes industriais, devido às suas excelentes características e à redução no seu custo devido ao crescente uso no setor de telecomunicações.
225 As redes de comunicação são elaboradas a partir de três tipos de topologia ou da combinação dessas. Figura 10-Tipos de topologia para interligação de equipamentos em rede Protocolo O protocolo de uma rede é o conjunto de regras e convenções de linguagem que são empregadas entre os participantes da rede para a troca de informações. Os protocolos, assim como as línguas, são muitos e cada um com suas particularidades. Existem, no entanto alguns que se sobressaem devido à grande disseminação do seu uso e aprovação junto aos fabricantes de equipamentos, integradores e usuários. Protocolos mais usados Os protocolos atualmente aceitos são baseados em um documento desenvolvido pela ISO (International Standards Organization). Esse documento denominado OSI (Open System Interconnection) é um modelo de referência para o desenvolvimento de protocolos de comunicação. A estrutura do modelo OSI é baseada em 7 camadas. Softwares desenvolvidos com base nesse modelo são ditos ABERTOS, pois qualquer fabricante de equipamentos pode usá-lo para desenvolvimento de produtos que almejem ser usados em rede. Destacam-se hoje os seguintes padrões de rede que seguem o modelo OSI (Normalizado): · PROFIBUS · DeviceNET · ETHERNET Redes PROFIBUS A PROFIBUS, de origem européia, é um padrão aberto de comunicação para um largo campo de aplicações em automação da manufatura, predial e processo. A independência de fabricante e abertura são garantidas pelo padrão PROFIBUS EN50170. Com o PROFIBUS, dispositivos de fabricantes diferentes podem se comunicar s em adaptações especiais de interface. Existem três tipos de PROFIBUS: a FMS, a DP e a PA. Dessas a DP é a mais utilizada. PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification) Solução de uso geral para tarefas de comunicação no nível célula. Serviços poderosos de FMS permitem largo campo de aplicações e proporcionam grande flexibilidade. Pode também ser usado para tarefas complexas e extensas de comunicação.
226 PROFIBUS-DP (Descentralized Peripheria) Otimizado para alta velocidade e conexão de baixo custo. Esta versão de PROFIBUS é projetada especialmente para comunicação entre sistemas de controle de automação e I/O distribuído em nível de dispositivo. Figura 11- A rede Profibus -DP é a mais utilizada atualmente PROFIBUS-PA (Process Automation) Projetado especialmente para automação de processo (instrumentação). Permite que transmissores e atuadores sejam ligados em uma linha comum de rede regular em áreas intrinsecamente seguras. O PROFIBUS -PA permite comunicação de dados e alimentação sobre a rede usando tecnologia de 2 fios de acordo com a Norma Internacional IEC 1158-2. Figura 12- Estrutura típica baseada em rede PROFIBUS Redes DeviceNET A DeviceNET, de origem norte-americana, é um protocolo de comunicação para ligar dispositivos industriais com o fins de c urso, sensores fotoelétricos, manifolds, partidas de motor, sensores de processo, leitores de código de barra, drivers de freqüência variável e interface de operador a uma única rede. O DeviceNET é baseado num protocolo de comunicação chamado CAN. O CAN foi originalmente desenvolvido pela Bosch para o mercado de automóvel europeu para substituir os caros chicotes de
227 cabo por um cabo em rede de baixo custo interligando componentes inteligentes como o computador de bordo, freios ABS, alarmes , etc. Figura 13- Estrutura típica baseada em rede DeviceNET Redes Ethernet O padrão Ethernet é um dos mais populares e difundidos nas redes corporativas ( escritórios) instaladas e certamente é o mais empregado em novos projetos. Sua popularidade deve-se a difusão em larga escala dos micro-computadores. Ao contrário da PROFIBUS e DeviceNET, a ETHERNET não é determinística e ocorrem colisões de dados na rede. Isso do ponto de vista da automação é não recomendável, pois pode comprometer o desempenho do sistema que está sendo controlado. Como o tempo não é tão crítico nas transações de informações no nível corporativo e de escritório, uma vez detectada uma colisão as mensagens são retransmitidas obedecendo a uma lógica própria da ETHERNET. Na PROFIBUS e Device-NET as colisões não ocorrem, pois o controlador de acesso ao meio entrega um token (ficha) ao integrante da rede que está na vez de transmitir. Existe um escalonamento pré-definido que torna o sistema determinístico. O grande interesse das empresas e dos consumidores em geral tem levado a desenvolvimentos e aprimoramentos da ETHERNET que recentemente elevou a taxa de transmissão máxima de 10 para 100Mbits/s na chamada Fast Ethernet. Mas o trabalho não para por aí. Foi iniciado mais um grupo de trabalho com a denominação IEEE 802.3z e IEEE 802.3ab cujo objetivo é apresentar as especificações de mais um tipo de rede ETHERNET sinalizando em 1000Mbits/s, chamada de Gigabit Ethernet. O desenvolvimento do novo padrão começa a demonstrar que a era d os cabos elétricos pode estar chegando ao fim. As novas especificações já serão baseadas na tecnologia de fibra ótica. Outra grande novidade é que o problema da falta de determinismo na rede Ethernet também vem sendo tratado e soluções baseadas na utilização de equipamentos especiais, chamados SMART HUB, estão começando a se tornar realidade. Os sistemas de automação de médio e grande porte que não sejam baseados em rede de comunicação já estão ultrapassados. Os modernos equipamentos como PCs, Drives (Soft-Starter, Inversores, Servo-drives), CCM inteligentes (CCM-03i) e CLPs já são concebidos voltados para este tipo de aplicação. A arquitetura utilizada nos projetos modernos de automação está buscando um único padrão ou um número menor de tipos de redes para interligar seus participantes. A arquitetura utilizada pela Weg em seus mais recentes projetos segue também essa tendência usando a penas dois níveis de rede.
228 O trabalho dos comitês normatizadores buscando a padronização dos protocolos , o aumento do uso e barateamento da fibra ótica como meio físico bem como o aumento da velocidade de transmissão irão contribuir significativamente para o uso generalizado das redes de comunicação para automação industrial. SUPERVISÃO E CONTROLE Um sistema de controle de uma máquina, conjunto de máquinas ou processo, pode configurar-se de diversas formas: individualmente, centralizado ou distribuído. A definição e adoção da forma mais adequada vão depender, também, de uma avaliação dos diversos aspectos envolvidos, tais como, complexidade do sistema, flexibilidade desejada, nível de redundância, integração, manutenabilidade, custo, etc. O que vale a pena destacar, é que o controlador programável, independentemente da configuração adotada, aparece como uma excelente opção, como equipamento de controle. Os recursos de software para funções de sequenciamento e intertravamento, controle de malha aberta e fechada, bem como, a disponibilidade de distribuição do controle, através das redes de comunicação e dos seus módulos especiais inteligentes, permitindo, desta forma, a implementação parcial ou total da redundância no sistema, confirma m nossa afirmação. Os sistemas modernos de automação industrial estão sendo baseados em arquiteturas verticalmente distribuídas, conforme a figura 3. A implementação do nível de supervisão do controle do processo, ou seja, da interface homemprocesso, assume, também, papel muito importante dentro desta estrutura hierárquica de controle. Evidentemente, existem várias maneiras de implementação, e a utilização de CP’s, no nível de controle, possibilita tais opções. A utilização dos tradicionais painéis sinópticos de controle, em função da ocupação em demasia, muitas vezes, do espaço disponível, bem como, pela pouca flexibilidade para possíveis alterações, tem sido preterida.
229 A opção que vem se apresentando como bastante atraente, sendo cada vez mais empregada, tanto no mercado internacional como brasileiro, é a utilização dos microcomputadores e seus periféricos, como interface homem-processo. O êxito da utilização deste equipamento em conjunto com CP’s, é decorrente da sua série de vantagens proporcionadas: ambiente de hardware e software propício para o desenvolvimento de programas dedicados às funções de supervisão, tendo em vista, o bom suporte de software, especificamente linguagens de programação de alto nível; capacidade de memória e velocidade de processamento adequadas à maioria das aplicações; modularidade e portabilidade dos programas; facilidade de acréscimo de novas funções e de manutenção das já existentes; linguagem gráfica de fácil manuseio para construção de telas de sinópticos de processos, etc.; custo relativamente baixo. A tendência verificada é a da utilização de microcomputadores compatíveis com o IBM-PC. A forma construtiva destes microcomputadores depende basicamente do local onde será instalado. Podendo ser um micro industrial de mesa, uma workstation com monitor e teclado incorporado, ou uma placa que pode ser conectada no próprio Rack do CP. As principais funções implementadas pelo microcomputador são as seguintes: Apresentação de sinópticos do processo, com atualização dinâmica dos valores reais e teóricos das variáveis controladas; Apresentação de frontais de instrumentos, com informações relativas a cada malha, tais como, limites de alarme, ponto de ajuste (set-point), parâmetros de controle (ganhos), etc.; Registro de tendência (representação gráfica x tempo), em tempo real, das variáveis controladas; Registro de tendência histórica, através da armazenagem das informações anteriores, com apresentação sob solicitação ou freqüência pré-determinada; Registros de alarmes ( ocorrências, conhecimento e retorno ao normal), e eventos (troca de estado das malhas, alteração de set-points, limites de alarmes, etc), com indicação da data, hora e descrição do evento o u alarme; Hard-copy das telas em impressoras; Manutenção de biblioteca de procedimentos padrão, para ser consultada pelo operador em caso de tomadas de decisão; entre outras. A adoção de dois microcomputadores acoplados à rede de comunicação, com subdivisão de atribuições, bem como, a possibilidade de operação backup de cada um deles, ou seja, o controle integral de um no caso de uma falha do outro, é uma prática largamente empregada.
230 Figura 15 - Exemplo de tela utilizada em um sistema de supervisão
Anotações
Acionamentos Elétricos Industriais 1
233 INTRODUÇÃO Esta apostila tem como objetivo prover uma visão geral das características e recursos hoje disponíveis no mercado de Controladores Programáveis (CP’s), bem como, a sua aplicação nos diversos campos da automação industrial e controle de processos, onde as necessidades de flexibilidade, versatilidade, disponibilidade, alta confiabilidade, modularidade, robustez e baixos custos, o torna uma excelente opção. Mas, o que é um Controlador Programável? Como surgiu? Mesmo antes da industrialização da eletrônica digital, os projetistas de comando elaboravam circuitos digitais como contatos programáveis. O programa era armazenado em plugs multi-pinos e as instruções codificadas por meio de ligações elétricas entre os pinos destes plugs. Esses programas eram muito limitados, e, sua principal função era a seleção das operações das máquinas e/ ou processos. Desta forma, além de uma operacionalidade muito baixa, existiam outros problemas: alto consumo de energia, difícil manutenção, modificações de comandos dificultados e onerosos com muitas alterações na fiação ocasionando número de horas paradas, além das dificuldades em manter documentação atualizada dos esquemas de comando modificado. Com a industrialização da eletrônica, os custos diminuíram, ao mesmo tempo em que a flexibilidade aumentou, permitindo a utilização de comandos eletrônicos em larga escala. Mas alguns problemas persistiram, e quem sentia estes problemas de forma significativa era a indústria automobilística, que a cada ano com o lançamento de novos modelos, tinham seus painéis sucateados implicando em custos de alteração muitas vezes maiores do que a instalação de novos painéis. Porém, em 1968 a GM através de sua Divisão Hidromatic preparou as especificações detalhadas do que posteriormente denominou-se Controlador Programável (CP). Estas especificações retratavam as necessidades da indústria, independentemente do produto final que iria ser fabricado. Em 1969 foi instalado o primeiro CP na GM executando apenas funções de intertravamento. Historicamente os CP’s tiveram a seguinte evolução: De 1970 a 1974, em adição às funções intertravamento e seqüenciamento (lógica), foram acrescentadas funções de temporização e contagem, funções aritméticas, manipulação de dados e introdução de terminais de programação de CRT (Cathode Ray Tube). De 1975 a 1979 foram incrementados ainda maiores recursos de software que propiciaram expansões na capacidade de memória, controles analógicos de malha fechada com algoritmos PID, utilização de estações remotas de interfaces de E/S (Entradas e Saídas) e a comunicação com outros equipamentos “inteligentes”. Com os desenvolvimentos deste período, o CP passou a substituir o microcomputador em muitas aplicações industriais. Nesta década atual, através dos enormes avanços tecnológicos, tanto de hardware como de software, podemos dizer que o CP evoluiu para o conceito de controlador universal de processos, pois pode configurar-se para todas as necessidades de controle de processos e com custos extremamente atraentes.
234 A AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Antes de iniciarmos nosso estudo dos controladores programáveis, precisamos sedimentar alguns conceitos importantes. Um destes conceitos está relacionado com as respostas para algumas perguntas: O QUE É CONTROLE? Conforme o dicionário (Aurélio Buarque de Holanda Ferreira) podemos definir a palavra controle como segue: [Do fr. contrôle.] S. m. 1. Ato, efeito ou poder de controlar; domínio, governo. 2. Fiscalização exercida sobre as atividades de pessoas, órgãos, departamentos, ou sobre produtos, etc., para que tais atividades, ou produtos, não se desviem das normas preestabelecidas. Figura 1- Diagrama de blocos de um sistema de automação O controle, vendo sob o ponto de vista tecnológico, tem um papel importantíssimo no desenvolvimento de ações planejadas, modelando processos desde os mais simples até os mais complexos. Entendendo o que é malha aberta e malha fechada Sistema de Comando: Consiste num conjunto de elementos interligados em ë malha aberta, isto é, as informações processadas nesses elementos apresentam-se num único sentido, da entrada para a saída.
235 Sistema de Controle: Consiste num sistema de malha fechada, isto é, além do fluxo de informação no sentido direto (da entrada para a saída), existe outro no sentido contrário (da saída para a entrada), chamada realimentação ou Feedback. O QUE É AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL? Todas as vezes, relacionado a um processo, que introduzimos alguma nova técnica de controle estamos falando de automação industrial. Na verdade a utilização destas técnicas estará diretamente relacionada com o aumento de produtividade, qualidade, flexibilidade e confiabilidade. Note que o termo automação descreverá um conceito muito amplo, envolvendo um conjunto de técnicas de controle, das quais criamos um sistema ativo, capaz de fornecer a melhor resposta em funções das informações que recebe do processo em que está atuando. Dependendo das informações o sistema irá calcular a melhor ação corretiva à ser executada. Neste ponto podemos verificar as características relacionadas com os sistemas em malha fechada, também denominados sistemas realimentados (ver figura 1). A teoria clássica de controle define e modela, matematicamente, estas características dando uma conotação científica e tecnológica a este assunto. NOÇÕES DE LÓGICA COMBINACIONAL (RESUMO DE REVISÃO) Nesta seção iremos trabalhar alguns conceitos importantes para o desenvolvimento de um processo lógico de raciocínio que mais adiante nos permitirá compreender como são relacionados todos os fatores relevantes à elaboração de projetos envolvendo controladores programáveis. 1.1.1 OPERAÇÕES FUNDAMENTAIS A teoria matemática das proposições lógicas foi apresentada em 1854(1), pelo filósofo e matemático inglês George Boole (1815-1864), definindo assim os conceitos básicos da chamada álgebra de Boole para dois valores (sistema binário). Mas foi somente em 1938(2), que o engenheiro americano Claude Elwood Shannon, aplicou a teoria de Boole ao estudo e simplificação de funções usadas em telefonia, percebendo que as leis que regem as relações entre proposições lógicas eram as mesmas que se aplicavam para dispositivos de chaveamento de dois estados, já que estes dispositivos podem assumir os seguintes estados, como por exemplo : “ligado” ou “desligado”, “aberto” ou “fechado”, “potencial alto” ou ” potencial baixo”, “verdadeiro” ou “falso”. (1) Intitulado como An Investigation of the Laws of Thought (2) Trabalho entitulado como Symbolic Analysis of Relay and Sw itching
236 1.1.1.1 FUNÇÕES BOOLEANAS A álgebra de Boole está estruturada da seguinte maneira: Um conjunto S; três operações definidas sobre S (operação E, OU e COMPLEMENTO); Os caracteres 0 e 1. Não abordaremos de forma detalha os teoremas, postulados e leis desta teoria (pois já foram vistos na disciplina ELETRÔNICA APLICADA). Mas a idéia de uma função lógica segue o mesmo conceito das funções da álgebra tradicional, onde uma função assume um único valor para cada combinação de valores possíveis assumidos pelas suas variáveis. Note que na realidade, uma função lógica (booleana) com n variáveis irá apresentar um total de combinações dadas por 2 n . Se adotarmos um procedimento formal para análise dos valores possíveis para uma função booleana chegaremos a conclusão que o processo seria bastante cansativo e muito susceptível a erros, relacionados basicamente com a falta de atenção. Para facilitar esta análise foi proposta, pelo matemático inglês Charles Lutwidge Dogson(3) -(1832-1898), uma forma tabular de representação conhecida como tabela verdade (trutht able). A seguir mostraremos as equações algébricas e a tabela verdade dos operadores fundamentais da álgebra booleana. (3) Cujo pseudônimo era Lewis Carrol, nome adotado quando escreveu o livro Alice no País das Maravilhas 1.1.1.2 OPERADOR “AND“ 1.1.1.3 OPERADOR “OR”
237 1.1.1.4 OPERADOR “NOT” 1.1.1.5 OPERADOR “NAND” 1.1.1.6 OPERADOR “NOR” 1.1.1.7 OPERADOR “XOR”
238 TIPOS DE SINAIS 1.1.2 SINAIS ANALÓGICOS São sinais que variam continuamente no tempo conforme uma regra de comparação à uma referência definida. Exemplos: potenciômetros, transdutores de temperatura, pressão, célula de carga, umidade, vazão, medidores, válvulas e atuadores analógicos, acionamentos de motores, etc. 1.1.3 SINAIS DIGITAIS São sinais que variam continuamente no tempo assumindo apenas dois valores definidos e distintos. Podemos ainda encontrá-los subdivididos em dois tipos: 1.1.3.1 SINGLE BIT Dispositivos deste tipo apresentam sinais que poderão ser representados por bits individuais. Exemplos: botões, chaves seletoras, chaves fim-de-curso, pressostatos, termostatos, chaves de nível, contatos de relês, contatos auxiliares de contatores, alarmes, solenóides, lâmpadas, bobinas de relês, bobinas de contatores, etc. 1.1.3.2 MULTI BIT Dispositivos deste tipo apresentam sinais representados por bits agrupados em conjunto, formando assim o que chamamos de “palavra binária”. Exemplos : encoder absoluto, chave thumbwheel, etc. Definição de um Controlador Programável (IEC 61131 -1) Sistema eletrônico digital, desenvolvido para uso em ambiente industrial, que usa uma memória programável para armazenamento interno de instruções do usuário, para implementação de funções específicas, tais como, lógica, seqüenciamento, temporização, contagem e aritmética, para controlar, através de entradas e saídas, vários tipos de máquinas e processos. O CP e seus periféricos, ambos associados, são projetados de forma a poder ser integrados dentro de um sistema de controle industrial e finalmente usados a todas as funções as quais é destinado. Aplicação Genérica do CLP. Os principais blocos que compõem um CLP são: • CPU - Unidade Central de Processamento: compreende o processador (microprocessador, microcontrolador ou processador dedicado) o sistema de memória (Rom e Ram ) e os circuitos auxiliares de controle ; • Módulos de E/S - Podem ser discretos (sinais digitais 12VCC, 120VCA contatos NA, contatos NF) ou analógico (4 - 20mA, 0 - 10VCC, termopar). • Fonte de Alimentação: responsável pela tensão de alimentação fornecida à CPU e aos módulos de E/S. Em alguns casos fornece saída auxiliar (baixa corrente). • Base ou Rack: Proporciona conexão mecânica e elétrica entre o CPU, os módulos de E/S e a fonte de alimentação. Contém o barramento de comunicação entre eles, no qual os sinais de dados, endereço, controle e tensão de alimentação estão presentes.
239 Pode ainda ser composta por módulos especiais: contador rápido, interrupção por hardware, controlador de temperatura, controlador PID, co-processadores (transmissão via rádio, posicionamento, de eixos, etc.) e comunicação em rede, por exemplo. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO O Controlador Programável, como todo sistema microprocessado, tem seu princípio de funcionamento baseado em três passos: Com a partida, o CP executará as seguintes tarefas: 1. Transferirá os sinais existentes na interface de entrada para a memória de dados (RAM). 2. Iniciará a varredura do software aplicativo armazenando na memória de programa (SCAN), utilizando os dados armazenados na memória de dados. Dentro deste ciclo, executará todas as operações que estavam programadas no software aplicativo, como intertravamento, habilitação de temporizadores/contadores, armazenagem de dados processados na memória de dados, etc... 3. Concluída a varredura do software aplicativo, o CP transferirá os dados processados (resultados de operações lógicas) para a interface de saída. Paralelamente, novos dados provenientes da interface de entrada irão alimentar a memória de dados. ASPECTOS DE HARDWARE O diagrama de blocos abaixo representa a estrutura básica de um controlador programável com todos os seus componentes. Estes componentes irão definir o que denominamos configuração do CLP. Figura 2 - Diagrama de blocos simplificado de um controlador programável
240 1.1.4 FONTE DE ALIMENTAÇÃO A fonte fornece todos os níveis de tensão exigidos para as operações internas do CP (Ex.: CPU, Memória, E/S). 1.1.5 CPU A CPU é o cérebro do sistema. Ela lê o sinal das entradas na memória de dados, executa operações aritméticas e lógicas baseadas na memória de programa, e gera os comandos apropriados para a memória de da dos controlar o estado das saídas. Abaixo são apresentadas algumas considerações e características principais: Utiliza microprocessadores ou microcontroladores de 8, 16 ou 32 bits e, em CP’s maiores, um coprocessador (microprocessador dedicado) adicional para aumentar a capacidade de processamento em cálculos complexos com aritmética de ponto flutuante. A maioria dos fabricantes de CP’s especifica os tempos de varredura como função do tamanho do programa (p.e.10ms/1k de programa), e situam-se na faixa desde 0,3 até 10ms/k, caracterizando a existência de CP’s rápidos e lentos. “Alguns fabricantes provêem recursos de hardware e software que possibilitam interrupções na varredura normal de forma a ler uma entrada ou atualizar uma saída imediatamente. Recursos de auto-diagnose para detecção e indicação de falhas (Comunicação, memória, bateria, alimentação, temperatura, etc.) são também disponíveis em alguns CP’s. Normalmente os indicadores estão localizados na parte frontal do cartão da UCP. 1.1.6 MEMÓRIAS Memória de Dados: também conhecida como memória de rascunho. Serve para armazenar temporariamente os estados E/S, marcadores presets de temporizadores/ contadores e valores digitais para que o CPU possa processá-los. A cada ciclo de varredura a memória de dados é atualizada. Geralmente memória RAM. Memória de Usuário: serve para armazenar as instruções do software aplicativo e do usuário ( programas que controlam a máquina ou a operação do processo), que são continuamente executados pela CPU. Pode ser memória RAM, EPROM, EPROM, NVRAM ou FLASH-EPROM. 1.1.7 INTERFACES DE ENTRADA/SAÍDA O hardware, de E/S, freqüentemente chamado de módulos de E/S, é a interface entre os dispositivos conectados pelo usuário e a memória de dados. Na entrada, o módulo de entrada aceita as tensões usuais de comando (24VCC,110/220 VCA) que chegam e as transforma em tensões de nível lógico aceitos pela CPU. O módulo de saída comuta as tensões de controle fornecidas, necessárias para acionar vários dispositivos conectados. Os primeiros CP’s, como já mencionado anteriormente, eram limitados a interfaces de E/S discretas, ou seja, admitiam somente a conexão de dispositivos do tipo ON/OFF (liga/desliga, aberto/fechado, etc.), o que, naturalmente, os limitavam um controle parcial do processo, pois, variáveis como temperatura, pressão, vazão, etc., medidas e controladas através de dispositivos operados normalmente com sinais analógicos, não eram passíveis de controle. Todavia, os CP’s de hoje, provêem de uma gama completa e variada de interfaces discretas e analógicas, que os habilitam a praticamente qualquer tipo de controle.
241 As entradas e saídas são organizadas por tipos e funções, e agrupadas em grupos de 2, 4, 8, 16 e até 32 “pontos” (circuitos) por interface (cartão eletrônico) de E/S. Os cartões são normalmente do tipo de encaixe e, configuráveis, de forma a possibilitar uma combinação adequada de pontos de E/S, digitais e analógicas. A quantidade máxima de pontos de E/S, disponíveis no mercado de CP’s, pode variar desde 16 a 8192 pontos normalmente, o que caracteriza a existência de pequenos, médios e grandes CP’s. Embora uma classificação de CP’s devesse considerar a combinação de diversos aspectos (n.º de pontos de E/S, capacidade de memória, comunicação, recursos de software e programação, etc.), para propósitos práticos, podemos considerar a seguinte classificação: Micro e Mini CP´s; CP´s de pequeno porte; CP´s de médio porte; CP´s de grande porte. As figuras abaixo apresentam uma idéia básica de como estas interfaces são implementadas. Figura 3 – Configuração típica de uma interface de entrada analógica Figura 4 – Configurações típicas para interfaces de entrada digital Figura 5 – Configuração típica para interfaces de saída analógica. Figura 6 – Configurações típicas para interfaces de saída digital a relé
242 Figura 7 – Configuração típica para uma interface de saída digital a transistor. 1.1.8 PERIFÉRICOS Figura 8 - Periféricos mais utilizados Dentre os diversos equipamentos periféricos ao CP’s podemos destacar os de programação, que basicamente, tem por finalidade principal a introdução do programa de controle na memória do CP e a visualização e documentação do mesmo. Os equipamentos de programação mais comumente utilizados são os mostrados na figura 8. 1.1.8.1 TERMINAL INTELIGENTE Sendo microprocessado, é capaz de executar funções de edição de programas e outras independentemente da UCP do controlador. Ele possui sua própria memória com software para criação, alteração e monitoração dos programas. A grande vantagem é a de poder também editar e armazenar os programas de controle sem estar acoplados ao CP. Esta capacidade é conhecida como programação “off -line”. Em geral, estes terminais possuem acionadores de ”Floppy-Disks” (discos flexíveis) e programadores de EPROM’s o que possibilita também o arquivo de programas tanto em Floppy-Disks como em EPROM’s. Alguns terminais possuem ainda uma interface de rede o que permite acoplá-los às redes locais de comunicação. Este arranjo permite o terminal acessar qualquer CP na rede, alterar parâmetros ou
243 programas, e monitorar quaisquer elementos sem estar acoplado diretamente a qualquer CP. Com software adequado, este arranjo pode permitir também um meio centralizado de aquisição e apresentação, inclusive gráfica, dos dados dos diferentes controladores da rede. Uma desvantagem, é que estes terminais não são intercambiáveis entre diferentes fabricantes de CP’s. 1.1.8.2 MICROCOMPUTADORES Com o advento dos microcomputadores pessoais (PC’s) e com a crescente utilização dos mesmos em ambientes industriais, a grande maioria dos fabricantes d esenvolveram software especiais que possibilitaram utilizá-los também como programadores tanto “on line” como “off line”. A grande maioria destes software foram desenvolvidos com base na linha de micros compatíveis com os IBMPC’s, facilitando inclusive a compilação de programas em linguagens de alto nível (BASIC, C, PASCAL, etc.). Há atualmente uma acentuada utilização destes equipamentos com CP’s, principalmente como Interface Homem-Máquina/Processo no nível de Supervisão do controle de processos, tema este que abordaremos mais adiante. 1.1.8.3 MINI-PROGRAMADORES (TERMINAIS DE BOLSO) São bastante compactos, assemelhando-se em muito com as calculadoras de mão. Este equipamento é preferencialmente utilizado para aplicação no campo, para testes e parametrização. 1.1.8.4 OUTROS PERIFÉRICOS Ainda dentro da família de equipamentos periféricos aos CP’s podemos destacar os seguintes: INTERFACE HOMEM/MÁQUINA: Com dimensões reduzidas, são utilizados principalmente para introdução e visualização de dados e mensagens. São compostos de um teclado numérico-funcional, muitas vezes do tipo membrana, e de display alfanumérico, sendo gerenciados por um microprocessador. IMPRESSORAS: São utilizadas normalmente para prover cópia do programa de controle e geração de relatórios e mensagens ao operador. A comunicação é feita normalmente através de interfaces de comunicação serial padrão RS 232C 1.1.9 INTERFACEAMENTO DE PERIFÉRICOS COMUNICAÇÃO SERIAL: É a mais comumente utilizada para a maioria dos periféricos e é feita utilizando-se simples cabos de par traçado. Os padrões mais utilizados são o RS 232C, loop de corrente 20mA, e o RS-422/RS-485 em alguns casos. RS-232C: Este padrão define basicamente as características dos sinais elétricos, bem como os detalhes mecânicos (pinagem) da interface. É empregada para velocidades de transmissão de até 20k baud (bits/seg) e distância máxima de 15 metros. (Com a utilização dos modems esta distância pode ser ampliada). RS-422/RS-485: É uma versão melhorada do padrão RS-232C. Ela possibilita, principalmente, o emprego de velocidade de transmissão de até 100k baud para distância de até 1200m, podendo alcançar velocidades da ordem de MBaud para distâncias menores. LOOP DE CORRENTE 20mA: A interface de loop de corrente é idêntica a RS-232C e, evidentemente como é baseada em níveis de corrente em vez de tensão, possibilita o emprego em distâncias bem maiores. Muitos CP’s oferecem ambos os padrões, RS-232C e loop de corrente.
244 Aspectos de Software Além do número de pontos de E/S, o que determina a utilização de um CP são os recursos de software disponíveis, isto é, que funções ele pode executar. Todos os CP’s possuem as seguintes funções básicas de software: - Lógica E, OU e XOR; - SET e RESET - Temporização e contagem; - Cálculos com aritmética básica (+), (-), (x), (:); - Parênteses (para associação de lógicas); - Comparação de valores; - Registrador de deslocamento; - Salto. A medida que os CP’s tem sua capacidade de processamento aumentada, surge a necessidade de funções de software mais avançadas, tais como: - Cálculos com ponto flutuante; - Cálculos integrais e trigonométricos; - Malhas de controle PID; - Posicionamento; - Contagem rápida; - Leitura de sinais analógicos; - Leitura de sinais de temperatura; - Linearização de sinais analógicos; - Lógica fuzzi; - Outros. 1.1.10 LINGUAGENS DE PROGRAMAÇÃO A programação traduz as funções a serem executadas; para tanto ela deve ser a mais simples possível. Utilizando-se de linguagem específica, baseando-se na memotécnica, a linguagem de programação usa abreviações, figuras e números de tal forma a se tornar acessível a todos os níveis tecnológicos. Os tipos de funções são associações lógicas ( “E”, “OU”, etc), funções de memória ( SET, RESET, etc), funções de contagem, temporização, aritméticas e outras mais específicas. A forma visual que a instrução se apresenta depende unicamente do tipo de sistema utilizado pelo programador. Seja por exemplo, a associação lógica “OU” entre duas informações que chamaremos de entradas por traduzirem informações do processo. O resultado desta associação será armazenado em uma memória para depois ser utilizado, na dependência da ordem de operação. Podemos representar essa associação na forma de diagrama de contatos (Ladder). Podemos ainda representar a associação através de um esquema de funcionamento ou diagrama lógico.
245 As vantagens e desvantagens de cada uma das formas de linguagem de programação são dependentes dos conhecimentos do programador. A linguagem mais difundida até agora tem sido o diagrama de contatos (LADDER), devido a semelhança com os esquemas elétricos usados para o comando convencional e a facilidade de visualização nas telas de vídeo dos programadores (CRT). As funções aplicadas aos processadores de palavra (byte processor) são baseadas na mesma filosofia, porém as operações são de uma gama mais variada. O Software pode apresentar-se de forma linear, onde o programa é varrido desde a primeira instrução até a última não importando-se com a necessidade ou não de ser executada parte do programa. Essa programação linear é característica dos processadores mais simples (Bit Processor). Outra forma de programação é a programação estruturada onde um programa principal é lido e, conforme a seqüência dos eventos, os blocos de programa e funções são executados. A programação estruturada permite a otimização do Software adaptando assim as necessidades de cada comando, oferecendo ainda a possibilidade de utilização de subrotinas e subprogramas. Alguns Softwares de programação permitem migrar de uma linguagem para outra. Como por exemplo, de Ladder para lista de instrução, de Ladder para diagrama lógico e vice versa.
246 SISTEMAS ASSOC IADOS Atualmente os controladores programáveis trabalham isoladamente, exceto em aplicações muito pequenas, e de maneira geral eles compõem com outros equipamentos um sistema integrado de controle. A seguir abordaremos algumas questões interessantes com relação a este aspecto. 1.1.11 REDES DE COMUNICAÇÃO Para contribuir com essa tendência salienta-se que os processadores se tornaram muito mais baratos nos últimos anos, a modularidade obtida conduz a sistemas de mais fácil instalação, manutenção e expansão, além de permitir que o processo continue operando mesmo que um dos integrantes apresente uma falha. Esse controle distribuído, no entanto, somente é viável se todos os integrantes do sistema puderem trocar informações entre si de modo rápido e confiável. Dessa necessidade surgiu um campo vastíssimo de tecnologia em redes de comunicação. Diversos são os tipos, padrões, protocolos e centros de pesquisa e desenvolvimento em torno desse assunto. Rede de comunicação é o conjunto de equipamentos e software utilizados para propiciar o trânsito de informações entre os diversos níveis hierárquicos e participantes de um processo industrial é chamado de rede de comunicação para automação. Atualmente, uma das características importantes de uma rede de comunicação é que ela seja aberta. Já foi analisado na disciplina ELEMENTOS DE AUTOMAÇÃO os aspectos relativos às Redes de Comunicação e os meios físicos, topologias e protocolos utilizados na automação induatrial. VAMOS A PARTIR DESSE PONTO, INICIAR OS PROCEDIMENTOS PARA O MANUSEIO E UTILIZAÇÃO DO CP WEG TPW3-PCLINK: O que se apresenta neste material é uma serie de experiências práticas que visam enriquecer o conteúdo teórico administrados até o momento. As experiências e diagramas foram confeccionados de maneira que se possa tirar o maior proveito da estrutura montada para fins didáticos, além é claro, de contribuir para uma maior aprendizagem. Dentre todas as tarefas previstas há um apanhado de sugestões de programas que abordam desde a mais simples aplicação do CLP até sistemas de automação mais elaborados. A seqüência na qual as tarefas foram organizadas obedecem uma ordem que oportuniza um Gradual aumento das habilidade técnicas e, acima de tudo, ao raciocínio lógico relacionados ao uso da programação de CLP´s de forma a permitir que no uso da Bancada Didática possa ser desenvolvidos novos projetos a partir dos já executados ou até mesmo construir novas formas de utilização para o equipamento disponibilizado. Todos os fundamentos e base de estudo foi desenvolvido pelo CTC – CENTRO DE TREINAMENTO DE CLIENTES DA WEG NO SEU MANUAL DO ALUNO REFERENTE AO KIT DIDÁTICO CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL BOM ESTUDO PRÁTICO!!!