Universidade do Sul de Santa Catarina – UNISUL
Curso: Tecnólogo em Eletroeletrônica
Disciplina: Instrumentação Industrial
Semestre curricular: 2004/A
Professor: Edcarlo da Conceição
Apostila de Automação e Controle
Tubarão, fevereiro de 2004.
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Automação e Controle - Unisul, Provas de Tecnologia Industrial
Automação e Controle - Unisul
Tipologia: Provas
Antes de 2010
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Universidade do Sul de Santa Catarina – UNISUL
Curso: Tecnólogo em Eletroeletrônica
Disciplina: Instrumentação Industrial
Semestre curricular: 2004/A
Professor: Edcarlo da Conceição
Apostila de Automação e Controle
Tubarão, fevereiro de 2004.
1 - INTRODUÇÃO DA AUTOMAÇÃO
Você já reparou que a automação faz parte do dia-a-dia do homem moderno? Pela manhã, o rádio-relógio automaticamente dispara o alarme para acordá-lo e começa a dar as notícias do dia. Nessa mesma hora, alguém esquenta o pão para o café da manhã numa torradeira elétrica, ajustando o tempo de aquecimento. Na sala, uma criança liga o videocassete, que havia sido programado para gravar seu programa infantil predileto da semana anterior. Quando a casa esquenta pela incidência dos raios solares, o ar condicionado insufla mais ar frio, mantendo a temperatura agradável. Esses simples fatos evidenciam como a automação faz parte da vida cotidiana.
1.1 - CONCEITO
Automação é um sistema de equipamentos eletrônicos e/ou mecânicos que Controlam seu próprio funcionamento, quase sem a intervenção do homem. Automação é diferente de mecanização. A mecanização consiste simplesmente no uso de máquinas para realizar um trabalho, substituindo assim o esforço físico do homem. Já a automação possibilita fazer um trabalho por meio de máquinas controladas automaticamente, capazes de se regularem sozinhas.
1.2 - DESENVOLVIMENTO DA AUTOMAÇÃO
As primeiras iniciativas do homem para mecanizar atividades manuais ocorreram na pré-história. Invenções como a roda, o moinho movido por vento ou força animal e as rodas d’água demonstram a criatividade do homem para poupar esforço. Porém, a automação só ganhou destaque na sociedade quando o sistema de produção agrário e artesanal transformou-se em industrial, a partir da segunda
1.4 - CLASSIFICAÇÃO
A automação pode ser classificada de acordo com suas diversas áreas de aplicação. Por exemplo: automações bancárias, comerciais, industriais, agrícolas, de comunicações, transportes. A automação industrial pode ser desdobrada em automação de planejamento, de projeto, de produção. Essa automação pode ser classificada também quanto ao grau de flexibilidade. A flexibilidade de um sistema de automação depende do tipo e da quantidade do produto desejado. Isto significa que quanto mais variados forem os produtos e menor a sua quantidade, mais flexível será o sistema de automação. O quadro a seguir apresenta uma classificação de tipos de processo e de produção e respectivos sistemas de produção.
1.5 - APLICAÇÕES DA AUTOMAÇÃO
Para fixar os conceitos até aqui explicados, damos a seguir o exemplo de um sistema automático de controle de fluxo de pessoas em academias de ginástica. Este sistema tem um leitor óptico laser e um computador digital de alto desempenho. Quando um associado quer utilizar a academia, passa um cartão pessoal, com um código de barras, pelo leitor óptico (elemento sensor). O dado de entrada é convertido em sinais elétricos e enviado ao computador. O cliente é identificado (programa). Caso sua situação esteja em ordem (pagamento de mensalidades, exame médico etc.), o computador envia um sinal para liberação da catraca (elemento de acionamento) e em seguida registra a ocorrência num banco de dados, para consultas posteriores.
1.5.1 - OUTRAS APLICAÇÕES
O desenvolvimento de elementos sensores cada vez mais poderosos e o baixo custo do hardware computacional vêm possibilitando aplicar a automação numa vasta gama de equipamentos e sistemas. Por exemplo:
1.6 - PRODUTOS DE CONSUMO
· Eletroeletrônicos, como videocassetes, televisores e microcomputadores. · Carros com sistemas de injeção microprocessada, que aumentam o desempenho e reduzem o consumo de combustível.
Indústrias mecânicas
· Robôs controlados por computador. · CAD/CAM, que integra ambientes de projeto e manufatura. · CNC. Bancos · Caixas automáticos.
· aumento das ausências no trabalho, falta de coleguismo, alcoolismo ou consumo de drogas, que alteram o comportamento dos indivíduos no ambiente de trabalho. De certa forma, esse processo de alienação deriva do sentimento de submissão do trabalhador à máquina, da falta de desafios. Esses problemas, no entanto, podem ser solucionados com programas contínuos de aprendizagem e reciclagem de trabalhadores para novas funções. Além disso, as indústrias de computadores, máquinas automatizadas e serviços vêm criando um número de empregos igual ou superior àqueles que foram eliminados no setor produtivo.
1.8 - NOÇÕES DE CONTROLE DE PROCESSO
Introdução
O controle automático tem representado um papel vital no avanço da engenharia e da ciência, além de sua estrema importância em sistemas de veículos espaciais, mísseis guiados. Pilotagem de aviões, robóticos e outros mais. o controle automático tornou-se uma parte importante e integral dos modernos processos industriais e de fabricação. Ele é também essencial em operações industriais tais como controle de posição, velocidade, pressão, temperatura, umidade, viscosidade e fluxo em processos industriais.
1.8.1 - CONCEITOS UTILIZADOS EM CONTROLE
• Sistemas: Um sistema é uma combinação de componentes que atuam
conjuntamente e realizam um certo objetivo.
• Perturbações (ou distúrbios): Uma perturbação é um sinal que tende a afetar
adversamente o valor da saída do sistema.
• Sistemas de controle realimentados: Um sistema que mantém uma relação
prescrita entre a saída e alguma entrada de referência comparando-as e utilizando a diferença como um meio de controle.
Exemplo:
Conceitos utilizados em controle
• Servossistemas: Um servossistema (ou servomecanismo) é um sistema de
controle realimentado que controla, alguma posição mecânica, velocidade ou aceleração. Portanto, os termos servossistema e sistema de controle de posição (ou de velocidade, ou de aceleração) são sinônimos.
• Sistemas de controle em malha fechada: Em um sistema de controle em malha
fechada, o sinal de erro atuante, que é a diferença entre o sinal de entrada e o sinal realimentado (saída). É introduzido no controlador de modo a reduzir o erro e trazer a saída do sistema a um valor desejado. O termo controle de malha fechada sempre implica o uso de ação de controle realimentado a fim de reduzir o erro do sistema. Exemplo
• O sistema de controle em malha fechada é geralmente de custo e potência mais
altos.
Regulador de WATT
O Sistema Controlado é o motor e a variável controlada é a velocidade do motor. A diferença entre a velocidade desejada e a velocidade real é o sinal de erro. O sinal de controle (a quantidade de combustível) a ser aplicado ao motor é o sinal atuante. A entrada externa para perturbar a variável controlada é a perturbação (distúrbio). Uma mudança inesperada na carga é uma perturbação.
MALHA ABERTA
MALHA FECHADA
1.9 - AÇÕES BÁSICAS DE CONTROLE
• Controladores de duas Posições ou Liga-Desliga (ON-OFF)
Controladores Proporcionais; Utilizam o valor de erro e tentam compensar este valor com um valor proporcional ao mesmo;
• Controladores Proporcional, Integral e Derivativo;
Ação Integral: A ação integral resumidamente atua no sistema de forma a anular o erro em regime permanente.
Ação Derivativa: A ação derivativa atua no sistema de forma a obter um controlador com alta sensibilidade. Este controle antecipa o erro atuante e inicia uma ação corretiva.
2.1 - PRINCIPAIS FABRICANTES:
Klocner Moeller Altus Atos Allen Bradley WEG Aromat Siemens
2.2 - CONCEITOS BÁSICOS
2.2.1 - CARACTERÍSTICAS DAS ENTRADAS E SAÍDAS - E/S
Para que as CPU's dos PLC's possam realizar as suas funções de controle, elas precisam receber informações do campo. Para que estas informações cheguem até a CPU, existem módulos de entrada e saída, ou seja, módulos que servirão de interface entre a CPU e os sinais provenientes do processo a ser controlado. Estes módulos servem para tornar compatíveis os níveis de sinais de tensão e corrente que são provenientes dos sensores de campo, com o nível de sinal com o qual a CPU pode receber suas informações. A saída digital basicamente pode ser de quatro tipos: transistor, triac, contato seco e TTL podendo ser escolhido um ou mais tipos. A entrada digital pode se apresentar de várias formas, dependendo da especificação do cliente, contato seco, 24 VCC, 110 VCA, 220 VCA, etc. A saída e a entrada analógicas podem se apresentar em forma de corrente (4 a 20 mA, 0 a 10 mA, 0 a 50 mA), ou tensão (1 a 5 Vcc, 0 a 10 VCC, -10 a 10 VCC etc). Em alguns casos é possível alterar o ranger da através de software.
2.2.2 - MÓDULOS DE ENTRADA
Os módulos de entrada são interfaces entre os sensores localizados no campo e a lógica de controle de um controlador programável. Considera-se cada sinal recebido pelo CLP, a partir de dispositivos ou componente externos como um ponto de entrada. Ex: Micro-Chaves, Botões, termopares, relés etc. Estes módulos são constituídos de cartões eletrônicos, cada qual com capacidade para receber em certo número de variáveis. Pode ser encontrada uma variedade muito grande de tipos de cartões, para atender as mais variadas aplicações nos ambientes industriais. Mas apesar desta grande variedade, os elementos que informam a condição de grandeza aos cartões, são do tipo:
ELEMENTO DISCRETO: As grandezas físicas, as quais são atribuídos unicamente dois valores ou níveis chamamos de grandezas binárias. Trabalha com dois níveis definidos. Por exemplo: Contato aberto-contato fechado / nível baixo-nível alto.
ELEMENTO ANALÓGICO: Um sinal analógico é a representação de uma grandeza que pode assumir no decorrer do tempo, qualquer valor entre dois limites determinados. Trabalha dentro de uma faixa de valores. Por exemplo: A tensão proporcional à temperatura entregue por um termoelemento.
As entradas dos CLPs têm alta impedância e por isso não podem ser acionadas diretamente por um triac, como é o caso do acionamento por sensores a dois fios para CA, em razão disso é necessário, quando da utilização deste tipo de dispositivo de campo, o acréscimo de uma derivação para a corrente de manutenção do tiristor. Essa derivação consta de um circuito resistivo-capacitivo em paralelo com a entrada acionada pelo triac, cujos valores podem ser encontrados nos manuais do CLP, como visto abaixo.
Se for ser utilizado um sensor capacitivo, indutivo, óptico ou indutivo magnético, saída à transistor com alimentação de 8 a 30 VCC, basta especificar um cartão de entrada 24 VCC comum negativo ou positivo dependendo do tipo de sensor, e a saída do sensor será ligada diretamente na entrada digital do CLP. A entrada digital do tipo contato seco fica limitada aos dispositivos que apresentam como saída a abertura ou fechamento de um contato. É bom lembrar que em alguns casos uma saída do sensor do tipo transistor também pode ser usada, esta informação consta no manual de ligação dos módulos de entrada.
2.2.2.2 - ELEMENTOS ANALÓGICOS
Entradas Analógicas: Possuem um valor que varia dentro de uma determinada faixa. (0 à 10V, -10 à 10V, 0 à 20mA e 4 a 20mA).
FONTE
ENTRADA
COMUM
CAMP
sensor indutivo 2 fios
A entrada analógica em corrente é implementada diretamente no transmissor como mostra o diagrama. A entrada analógica em tensão necessita de um shunt para a conversão do
valor de corrente em tensão, como mostra o diagrama O valor do resistor shunt dependerá da faixa de saída do transmissor e da faixa de entrada do ponto analógico. Para tal cálculo utiliza-se a lei de ohm ( R = V / I).
font
ENTRAD
ENTRAD
COMUM
P
CAMP
T
fonte
ENTRADA
ENTRADA 2
COMUM
P
CAMPO
T
TRANSMISSORES
UCP
C.A.
C.A.
C.A.
C.A.
C.A.
C.A.
TACO GERADOR
TERMOPAR
TERMO SENSOR DE POSIÇÃO
OUTROS
Ponto de Saída: Considera-se cada sinal Produzido pelo CLP, para acionar dispositivos ou componentes do sistema de controle constitui um ponto de saída. Ex: Lâmpadas, Solenóides, Motores. De acordo com o tipo de elemento de comando da corrente das saídas, estas apresentam características que as diferem como as seguintes:
- saída a TRANSÍSTOR promove comutações mais velozes, mas só comporta cargas de tensão contínua;
- saída a TRIAC tem maior vida útil que o tipo a contato seco, mas só pode acionar cargas de tensão alternada;
- saída a CONTATO SECO pode acionar cargas alimentadas por tensão tanto contínua quanto alternada. A ligação dos circuitos de entrada e ou saída é relativamente simples, dependendo apenas do tipo em questão. A seguir vêm-se os diagramas de ligação dos vários tipos. As saídas digitais independentes possuem a vantagem de poder acionar no mesmo módulo cargas de diferentes fontes sem o risco de interligá-las. Apresentam a desvantagem de consumir mais cabos.
As saídas digitais com ponto comum possuem a vantagem de economia de cabo. Se neste tipo de saída for necessário acionar cargas com fontes incompatíveis entre si, será necessária a utilização de relés cujas bobinas se energizem com as saídas do CLP e cujos contatos comandem tais cargas.
carga
carga fonte
fonte
saída 1
saída 2
SAÍDAS DIGITAIS
INDEPENDENTES
CAMP
Saídas Digitais: Somente possuem dois estados
2.2.3.2 - ATUADORES ANALÓGICOS
Saídas Analógicas: Possuem um valor que varia dentro de uma determinada faixa. (0 à 10V, -10 à 10V, 0 à 20mA e 4 a 20mA)
POSICIONADOR CONVERSOR INDICADOR VÁLVULA PROPORCIONAL ATUADOR ELÉTRICO OUTROS
UCP CARTÕES
ANALÓGIC OS