Introdução à Automação Industrial

A automação é uma das mais inovadoras conquistas do ser humano. Em busca da sobrevivência, o homem evoluiu, e foi descobrindo as formas de energia disponíveis no planeta, utilizando-as em seu benefício, atendendo assim às suas necessidades.Estas modalidades energéticas permitiram a mecanização de diversas atividades, reduzindo drasticamente o trabalho braçal do ser humano, exigindo, porém, atividades de gerenciamento e controle, muitas vezes extremamente monótonas e repetitivas.

Dessa forma, com o desenvolvimento da automação, o ser humano libertou-se do controle de tarefas repetitivas, passando a gerenciar e planejar atividades mais complexas, proporcionais à capacidade cognitiva do cérebro humano.

A automação industrial é uma área de pesquisa que vem ampliando sua atuação gradativamente nos últimos anos. O uso de dispositivos e a aplicação de soluções desenvolvidas em automação industrial têm grande repercussão, sobretudo no setor industrial. As aplicações não se resumem a substituir o trabalho humano em tarefas exaustivas, monótonas e perigosas; elas trazem melhoria na qualidade de processos, otimização dos espaços, redução no tempo de produção e custos.

Os sistemas de controle estão presentes em praticamente todas as atividades industriais, comerciais e de serviços, sendo a base da automação de processos industriais.

Os processos industriais são formados por equipamentos mecânicos, elétricos, eletrônicos, hidráulicos ou pneumáticos que, através de sucessivas operações utilizando matéria-prima e energia, resultará num produto final e em resíduos.

Noções Básicas de Controladores Programáveis

Existem diversos equipamentos utilizados na automação industrial, porém, o controlador lógico programável (CLP) e um dos mais importantes. O CLP surgiu no final da década de 1960 e revolucionou os comandos e controles industriais. Nessa época, a automação era executada quase totalmente por relés com base em lógica fixa, ou lógica hardwired, o que resultava em enormes armários de relés eletromecânicos interligados por circuitos elétricos e extensas fiações.

Típico Painel de Relés

A primeira geração de CLPs usava componentes discretos e tinha baixa escala de integração. Sua utilização só era viável quando substituía painéis que continham mais de 300 reles. Tal equipamento ficou conhecido pela sigla PLC (programmable logic controller) – em português, CLP (controlador lógico-programável).

Segundo a Associação Brasileira de Normas Tecnicas (ABNT), CLP e um “equipamento eletrônico digital com hardware e software compatíveis com aplicações industriais”. Já para a National Electrical Manufacturers Association (NEMA), trata-se de um “aparelho eletrônico digital que utiliza uma memoria programável para o armazenamento interno de instruções para implementações específicas, tais como lógica, sequenciamento, temporização, contagem e aritmética, para controlar através de módulos de entrada e saída vários tipos de máquinas e processos”.

Com o surgimento dos circuitos integrados, foi possível viabilizar e difundir a utilização do CLP em grande escala, melhorando o poder de processamento e diminuindo o tamanho dos equipamentos.

Há pouco tempo o CLP possuía arquitetura proprietária, na qual cada fabricante produzia o próprio modelo e desenvolvia os softwares de programação e simulação exclusivos para seus equipamentos, ou seja, não existia portabilidade. Com a adoção da norma IEC 61131-3, ocorreu a padronização da linguagem de programação e a solução para softwares e aplicativos foi alcançada.

Atualmente, os CLPs possuem funções especificas de controle e canais de comunicação que permitem interligá-los entre si e a computadores em rede, formando um sistema integrado.

As vantagens da utilização do CLP em aplicações industriais são inúmeras e cada dia surgem novas, que resultam em maior economia, superando o custo do equipamento. Essa evolução oferece grande número de benefícios, por exemplo:

• Maior produtividade.

• Otimização de espaço nas fabricas.

• Melhoria na qualidade do produto final.

• Alto MTBF (tempo médio entre falhas).

• Baixo MTTR (tempo de máquina parada).

• Maior segurança para os operadores.

• Menor consumo de energia.

• Redução de refugos.

• Reutilização do cabeamento.

• Maior confiabilidade.

• Fácil manutenção.

• Projeto de sistema mais rápido.

• Maior flexibilidade, satisfazendo maior número de aplicações.

• Interface com outros CLPs através de rede de comunicação.

A evolução dos Controladores Programáveis pode ser dividida em cinco gerações.

Na 1ª geração, a programação era feita em Assembly, exigindo do programador o conhecimento completo do hardware do equipamento, isto é, de seus componentes eletrônicos.

Na 2ª geração, surgiram as linguagens de nível médio, com programas para converter em linguagem de máquina o programa desenvolvido pelo usuário.

Na 3ª geração, os CLPs apresentavam entradas de programação, permitindo sua conexão a teclados ou programadores portáteis.

Na 4ª geração, os CLPs apresentavam entrada para comunicação serial, possibilitando sua programação diretamente de um computador. O software de programação instalado no computador permitia, além da programação e transferência do programa ao CLP, testar o funcionamento do programa.

Os CLPs de 5ª geração apresentam padrões de protocolos de comunicação, facilitando a interface com outros equipamentos e também com sistemas supervisórios.

CLP Estrutura e Funcionamento

O CLP é um dispositivo microprocessado, constituído por um microprocessador ou um microcontrolador, um programa monitor, uma memória de programa, uma memória de dados, uma ou mais interfaces de entrada, uma oumais interfaces de saída e circuitos auxiliares.

Fonte de alimentação

A fonte de alimentação de um CLP tem por finalidade converter a tensão de alimentação (110 a 220 Vca) para a tensão de alimentação dos circuitos eletrônicos (5 Vcc para o microprocessador, memórias e circuitos auxiliares e12 Vcc para comunicação com o programador ou computador), bem como manter a carga da bateria e fornecer tensão para alimentação das entradas e saídas (12 ou 24 Vcc).

Unidade de processamento

A CPU é responsável pelo funcionamento lógico de todos os circuitos. Em CLP modulares, a CPU geralmente está contida em apenas uma placa separada das demais. Já em CLP de menor porte, a CPU e os demais circuitos geralmente estão contidos numa mesma placa.

Bateria

A bateria utilizada em CLP tem por finalidade manter a alimentação do circuito do relógio de tempo real e manter parâmetros ou programas (quando utilizar memória do tipo RAM),mesmo em falta de energia elétrica.

Memória do programa monitor

O programa monitor é responsável pelo funcionamento geral do CLP, gerenciando todas as atividades do CLP. Este programa não pode ser alterado pelo usuário, sendo armazenado em memórias do tipo PROM, EPROM ou EEPROM,e funciona de forma semelhante ao sistema operacional dos computadores.

Memória do usuário

Nesta memória é armazenado o programa desenvolvido pelo usuário, o qual pode ser alterado, tornando flexível a programação. Este programa geralmente é armazenado em memórias do tipo RAM, EPROM, EEPROM E FLASH-EPROM,cuja capacidade varia de acordo com a marca e o modelo de CLP.

Memória de dados

Tem por finalidade armazenar os dados do programa do usuário, tais como valores de temporizadores, contadores, senhas, etc. Geralmente, a memória de dados utiliza partes da memória RAM do CLP.

Memória imagem das entradas e saídas

Esta memória armazena informações dos estados das entradas e saídas do CLP, funcionando como uma tabela onde a CPU buscará informações durante o processamento do programa de usuário.

Circuitos auxiliares

São circuitos responsáveis pela proteção de falhas na operação do CLP, tais como:

• Evitar o acionamento indevido das saídas quando da energização do CLP;

• Evitar perda de informações em caso de desenergização do CLP;

• Evitar erros de processamento, identificando falhas no microprocessador emitindo informações de erro.

Módulos de entradas e saídas

São circuitos de interface destinados a adequar eletricamente os sinais de entrada, a fim de que sejam processados pela CPU, bem como adequar eletricamente os sinais de saída, a fim de que possam atuar nos dispositivos controlados pelo CLP.

Entradas e saídas do CLP

Todos os CLPs têm os mesmos componentes básicos. Esses componentes trabalham juntos para trazer informações para o CLP a partir do campo, ]avaliar essas informações e enviar informações de volta para vários campos. Sem nenhum desses componentes principais, o CLP não funcionará corretamente.

Num processo estão presentes variáveis digitais (discretas) e variáveis analógicas. Entende-se por variável analógica aquela que varia continuamente em função do tempo, como, por exemplo, a temperatura de uma sala, a qual pode assumir qualquer valor dentro de uma determinada faixa. Já as variáveis digitais assumem situações binárias, como, por exemplo, motor ligado ou desligado, presença de uma pessoa ou não.

Para que um CLP, através de um programa, controle adequadamente um determinado processo, é necessário que o mesmo possua dispositivos de entrada/saída compatíveis com as variáveis do processo e com as estratégias de controle desejadas.

Os módulos de entrada e saída (E/S) de um CLP conectam a interface com o sistema externo. Existem diversos tipos de módulos (analógicos, digitais e inteligentes), com número variável de entradas e saídas. Os módulos de entrada do CLP recebem sinais dos sensores e das botoeiras de campo. Os módulos de saída comunicam aos atuadores qual será a ação de controle ou sinalização.

Em CLPs de medio e grande portes, os módulos de E/S são encaixados em slots situados na caixa da UCP (Unidade Central de Processamento) ou em rack de expansão separado, permitindo flexibilidade na configuração do CLP. A utilização de slots também possibilita que o módulo danificado seja substituído rapidamente.

Nos CLPs de pequeno porte (microCLPs), a quantidade de entradas e saídas é pequena e fixa (menor que oito) e geralmente se resume a sinais digitais.

Os módulos de E/S digitais operam com sinais de dois estados: ON ou OFF. Os módulos de entrada digital são capazes de detectar e converter sinais de entrada em níveis lógicos de tensão usados no CLP; os de saída digital convertem os sinais lógicos de saída usados no CLP em sinais próprios capazes de energizar os atuadores.

Alguns módulos de E/S digitais trabalham com sinais contínuos; outros operam com sinais alternados. Para uso em CC (corrente contínua), o valor de tensão padrão adotado é de 24 V, pois permite uma relação sinal/ruído adequada para ambientes industriais. Já para os módulos de CA (corrente alternada), o padrão é de 110 ou 220 V.

Módulo Discreto (Relé)

O termo refere-se a uma saída de comutação Off. Um tipo de módulo CLP que produz sinais discretos é um módulo de relé. Possui um relé físico que abre ou fecha para fazer ou interromper um circuito conectado aos seus terminais. Os módulos de relé possuem vários pares; cada um dos quais está conectado aos contatos internos do relé.

Contato aberto

Contato fechado

Módulo Discreto (Transistor)

Outro tipo de módulo discreto é o módulo de saída de afundamento (sinking output module), assim denominado porque a corrente convencional flui para seu terminal quando uma saída específica é ligada. A corrente convencional flui de um potencial positivo para negativo.

Saída não ativada

Saída ativada

Representação de eventos quando a saída é ativada:

1 - Um transistor NPN é ativado

2 - O terminal de saída vai para LOW

3 - A corrente convencional flui do positivo da fonte de alimentação através do dispositivo de campo para o terminal de afundamento do módulo de saída através do transistor para o negativo da fonte de alimentação.

Módulos de entrada AC

Os módulos de entrada AC detectam a presença ou ausência de tensão AC e convertem essa tensão em um nível baixo para entrada na CPU. A tensão AC indica o status do dispositivo de campo. O nível de tensão é geralmente de 24, 110 ou 220 VAC. Os módulos estão disponíveis para até 1.000 VAC. Um diagrama esquemático do módulo de entrada AC é mostrado abaixo. Quando o dispositivo de campo completa o circuito de entrada, existe um caminho para AC. Um LED na frente do módulo indica que a entrada está presente.

Um retificador converte a AC em CC. O acoplador óptico isola o módulo de entrada da CPU e reduz efetivamente o nível de tensão CC para um nível seguro para operações da CPU.

A maioria dos módulos de entrada AC usa uma fonte de alimentação AC externa para "interrogação" dos dispositivos de campo. As fontes de alimentação AC integradas aumentam o tamanho do módulo e exigem considerações adicionais sobre dissipação de calor.

As entradas AC podem usar uma conexão neutra comum para vários pontos ou pode haver um neutro "isolado" para cada ponto para proteção adicional contra falhas. O módulo de entrada mostrado na imagem acima usa C1 neutro para os pontos 00-07 e C2 neutro para os pontos 10-17. Módulos de entrada AC analógicos não são comumente usados porque não há sinais de corrente ou tensão AC analógicos padronizados.

Módulos de entrada digital CC

Módulos de entrada CC discretos detectam a presença ou ausência de tensão CC e convertem essa tensão em um nível baixo para entrada na CPU. A tensão CC é usada para indicar o status do dispositivo de campo. A imagem abaixo mostra um diagrama esquemático do módulo de entrada DC.

A tensão CC pode ser fornecida pelo módulo de entrada (entrada do coletor) ou pode ser fornecida por uma fonte de alimentação externa (entrada da fonte).

Assim como nos módulos de entrada CA, a entrada é acoplada à CPU para isolamento e proteção da CPU. Um LED fornece indicação quando a entrada está presente (verdadeira).

Módulo de entrada analógica CC

Os módulos de entrada CC analógicos detectam um nível de tensão ou corrente CC, convertem essa variável em um sinal digital proporcional e transmitem esses dados para a CPU para processamento. Os módulos podem ser configurados para operar em faixas de sinal de instrumentação padrão, como 4-20 mA, 10-50 mA, 0-10V.

Um diagrama esquemático de um módulo de entrada DC analógico é mostrado abaixo:

Depois que o módulo converte o valor analógico em digital, o CLP pode ativar e desativar as funções de controle em valores analógicos predefinidos. Por exemplo, quando o valor analógico de entrada atinge 70%, um alarme soa.

Módulos de saída AC

Os módulos de saída AC controlam os estados ON/OFF dos dispositivos de campo de saída AC, como relés, bobinas e solenoides. Normalmente, eles não usam energia para os dispositivos de campo. A imagem abaixo é um diagrama esquemático do módulo.

A CPU usa um sinal DC de baixa tensão para ativar um opto-acoplador no módulo de saída. O opto-acoplador aciona um TRIAC ou SCR que, por sua vez, completa o caminho da corrente para a fonte de alimentação externa e o dispositivo de campo. Como na maioria dos módulos de CLP, a classificação de tensão e o número de pontos são selecionáveis e as saídas podem ter neutros comuns ou isolados.

Módulos de saída discreta DC

Módulos de saída DC discretos controlam os estados on/off dos dispositivos de campo de saída DC. A energia é fornecida por uma fonte de alimentação externa. Um diagrama esquemático do módulo é mostrado abaixo:

A CPU envia um sinal CC de baixo nível para um optoacoplador que completa o caminho da corrente DC externa que energiza o dispositivo de campo de saída. As conexões do dispositivo de campo podem ser "sinked" ou "sourced".

Módulos de saída analógica CC

Os módulos de saída DC analógica convertem dados digitais da CPU em dados analógicos para uso do dispositivo de campo. Um conversor digital para analógico (D/A) no módulo executa a conversão. Abaixo para um diagrama esquemático do módulo.

As saídas analógicas estão em conformidade com os sinais de instrumentação padrão (4-20 mA, 10-50 mA, 0-5V, 0-10V). Uma fonte de alimentação CC externa é usada para alimentar o dispositivo de campo de saída e o acoplador óptico no módulo.

Entradas e Saídas Digitais

Nos CLPs de pequeno porte (micro-CLPs), a quantidade de entradas e saídas é pequena e fixa (menor que oito) e geralmente se resume a sinais digitais.

Os módulos de E/S digitais operam com sinais de dois estados: ligado ou desligado. Os módulos de entrada digital são capazes de detectar e converter sinais de entrada em níveis lógicos de tensão usados no CLP; os de saída digital convertem os sinais lógicos de saída usados no CLP em sinais próprios capazes de energizar os atuadores.

Entradas Digitais

Apesar das variáveis físicas, tais como temperatura, pressão, força, massa etc, terem comportamento analógico, a maioria dos processos são controlados através de informações digitais, provindas de sensores, botoeiras, chaves fim de curso, termostatos, pressostatos etc, tornando as entradas digitais as mais presentes e as mais utilizadas em CLPs.

Dispositivos:

• Microchaves.

• Chaves push-button.

• Chaves fim de curso.

• Sensores de proximidade.

• Chaves automáticas.

• Portas lógicas.

• Células fotovoltaicas.

• Contatos de starters de motores.

• Contatos de reles.

• Pressostatos.

• Termostatos.

• Sensor de proximidade.

• Sensor de presença.

Saídas Digitais

As saídas digitais são as mais utilizadas em CLPs devido à sua simplicidade, uma vez que estas poderão assumir somente duas situações, acionada e desacionada. Quando uma saída digital está acionada, esta se comporta como uma chave fechada, energizando o dispositivo atuador. Quando uma saída digital está desacionada, esta se comporta como uma chave aberta, desenergizando o dispositivo atuador.

Dispositivos:

• Anunciadores.

• Relés de controle.

• Lâmpadas.

• Portas lógicas.

• Buzinas.

• Starters de motores.

• Válvulas elétricas.

• Solenoides.

• Bobinas de contatores que acionarão cargas de elevadas correntes e tensões.

• Solenoides de válvulas pneumáticas.

• Válvulas solenoides.

• Disjuntores.

• Pequenos motores.

Entradas e Saídas Analógicas

Entradas Analógicas

As entradas analógicas de um CLP são geralmente empregadas em processos que exigem um controle mais preciso, identificando e atualizando a cada varredura o valor instantâneo da variável de entrada. As principais variáveis físicas medidas por entradas analógicas são temperatura e pressão. Para isso, são utilizados dispositivos, tais como sensores de pressão e termopares, que convertem as variáveis físicas em sinais elétricos proporcionais, cujas amplitudes são reconhecidas pelas entradas analógicas do CLP. Esses sinais elétricos podem ser de tensão ou corrente, cuja faixa de valores mais utilizada é, respectivamente, 0 a 10 Vcc e 4 a 20 mA.

Dispositivos:

• transdutores diversos;

• transmissores eletrônicos;

• instrumentos analíticos;

• potenciômetros.

Saídas Analógicas

As saídas analógicas de um CLP são geralmente utilizadas em processos que exigem um controle mais preciso, ajustando o funcionamento dos atuadores às necessidades do processo. Os sinais elétricos das saídas analógicas poderão ser de tensão ou corrente, cuja faixa de valores mais utilizada é, respectivamente, 0 a 10 Vcc e 4 a 20 mA. Dessa forma, os atuadores receberão das saídas analógicas sinais elétricos variáveis, não apenas energizando os equipamentos, mas, principalmente, definindo a intensidade de sua atuação no processo.

Dispositivos:

• indicadores analógicos;

• drives de motores;

• registradores;

• transdutores I/P;

• válvulas elétricas.

Endereçamento

Para que trabalhem com sinais analógicos, os CLPs necessitam de um conversor analógico-digital (A/D) nas entradas e, de modo similar, de um conversor digital-analógico (D/A) nas saídas.

A tabela abaixo apresenta as características das entradas analógicas para um CLP genérico.

A tabela abaixo mostra o endereçamento das entradas analógicas.

A tabela abaixo apresenta as características das saídas analógicas para um CLP genérico.

A tabela abaixo mostra o endereçamento das saídas analógicas.

Usuário não registrado. Compre o treinamento em jats.com.br.