Apostila Automacao Industrial

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FUMEP Fundao Municipal de Ensino de Piracicaba EEP Escola de Engenharia de Piracicaba COTIP Colgio Tcnico Industrial de Piracicaba

CURSO DE AUTOMAO INDUSTRIAL

Prof. Msc. Marcelo Eurpedes da Silva Piracicaba, 29 de Agosto de 2005

Apostila de Automao Prof. Marcelo Eurpedes Reviso 29/08/2005

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1) IntroduoA palavra automao est diretamente ligada ao controle automtico, ou seja aes que no dependem da interveno humana. Isso discutvel pois a mo do homem necessria indiscutivelmente pois sem ela no seria possvel a implantao de tais processos automticos, mas a discusso destes conceitos no um dos objetivos deste texto. O conceito filosfico para o surgimento da automao muito antigo, remontando da poca de 3500 e 3200 a.C., com a utilizao da roda. O objetivo era sempre o mesmo, o de simplificar o trabalho do homem, de forma a substituir o esforo braal por outros meios e mecanismos, liberando o tempo disponvel para outros afazeres, valorizando o tempo til para as atividades do intelecto, das artes, lazer ou simplesmente entretenimento (Silveira & Santos, 1998). Enfim, nos tempos modernos, entende-se por automao qualquer sistema apoiado em microprocessadores que substitua o trabalho humano. No mbito fabril, para realizar na prtica a Automao Industrial necessrio conhecer uma grande quantidade de conceitos e tcnicas, e por isso os grandes projetos neste campo envolvem uma infinidade de profissionais e os custos so suportados geralmente por grandes empresas. Para comear a entender os conceitos aqui apresentados, o primeiro passo o de entender o que um controle, quais so seus elementos bsicos e quais so os seus principais tipos. De uma forma geral um processo sob controle tem o diagrama semelhante ao mostrado na figura 1.1.

PROCESSO

ATUADOR

SENSOR

CONTOLADORFigura 1.1 Diagrama simplificado de um sistema de controle automtico Existem vrios exemplos de processos que podem ser controlados, dentre eles o acionamento de motores de forma seqencial, a dosagem de componentes qumicos, a medio de uma pea, entre outros. Neste conetexto os sensores so dispositivos sensveis a um fenmeno fsico, tal como temperatura, umidade, luz, presso, etc. Eles soApostila de Automao Prof. Marcelo Eurpedes Reviso 29/08/2005 Pgina - 2 -

responsveis pelo monitoramento do processo, enviando um sinal ao controlador que pode ser discreto (abertura ou fechamento de contatos), ou analgico. Caso o sinal seja

transformado em uma corrente eltrica, tem-se o caso dos transdutores.Os atuadores so os dispositivos responsveis pela realizao de trabalho no processo ao qual est se aplicando a automao. pneumticos, eltricos, ou de acionamento misto. E finalmente o controlador responsvel pelo acionamento dos atuadores, segundo um programa inserido pelo usurio do sistema de controle. O objetivo deste curso o de estudar o elemento controlador dentro de um ambiente industrial. No curso de Engenharia Mecnica, j existe uma disciplina destinada a apresentao do controle analgico de processos, assim o foco desta disciplina est no controle discreto. O principal elemento controlador estudado ser o Controlador Lgico Programvel (CLP). 1.1) Controles analgico e discreto Ainda referindo-se a figura 1.1 nota-se que toda a comunicao entre os diferentes sistemas feita atravs de variveis fsicas. Para efeito de controle, estas variveis podem ser dividas em analgica e digital. As variveis analgicas so aquelas que variam continuamente com o tempo, conforme mostra a figura 1.2(a). Elas so comumente encontradas em processos qumicos advindas de sensores de presso, temperatura e outras variveis fsicas. As variveis discretas, ou digitais, so aquelas que variam discretamente com o tempo, como pode ser visto na figura 1.2(b). Podem ser magnticos, hidrulicos,

Figura 1.2 Variveis analgicas e digitais

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Dessa forma podemos definir o Controle Analgico como aquele que se destina ao monitoramento das variveis analgicas e ao controle discreto como sendo o monitoramento das variveis discretas. O primeiro tipo englobar variveis discretas, consistindo assim em um conceito mais amplo. Ainda no controle analgico podemos separar entradas convencionais, tais como comandos do operador, ou varveis discretas gerais, das entradas analgicas advindas de sensores ligados diretamente as sadas do processo. Estas ltimas sero comparadas a uma referncia que consiste no valor estvel desejado para o controle, como mostra a figura 1.3. Esta referncia tambm conhecida como set-point. Neste tipo de controle, onde as sadas so medidas para clculo da estratgia de controle dizemos que h uma realimentao. Esse sistema conhecido como sistema em malha fechada.

Entradas Referncia

+

CONTROLADOR

PROCESSO

Sadas

Sensores

Figura 1.3 Estratgia de controle analgico com realimentao Se no h a medio das sadas dizemos que o sistema tem malha aberta. Este ltimo o mais aplicado nas automaes industriais convencionais pois abrangem grande parte das indstrias mecnicas e por isso ser o foco do curso. 1.2) Diferentes tipos de entradas e sadas Como j dito antes, estaremos estudando o comportamento do controlador em um ambiente automatizado. Mas est bem claro que este comportamento definido atravs de um programa do usurio e do comportamento das entradas e em alguns casos tambm das sadas. Assim neste tpico cita-se o exemplo de algumas entradas e sadas, que podem influenciar no comportamento do controlador. Lembrando que algumas destas entradas sero vistas em maiores detalhes posteriormente. A) Entradas discretas: so aquelas que fornecem apenas um pulso ao controlador, ou seja, elas tm apenas um estado ligado ou desligado, nvel alto ou nvel baixo, remontando a lgebra boolena que trabalha com uns e zeros. Alguns exemplos so mostrados na figuraApostila de Automao Prof. Marcelo Eurpedes Reviso 29/08/2005 Pgina - 4 -

1.4, dentre elas: as botoeiras (1.4a), vlvulas eletro-pneumticas (1.4b) , os pressostatos (1.4c) e os termostatos (1.4d).

Figura 1.4 Entradas discretas B) Entradas multi-bits: so intermedirias as entradas discretas e as analgicas. Estas destinam-se a controles mais precisos como no caso do motor de passo ou servomotores. A diferena para as entradas analgicas que estas no exigem um conversor analgico digital na entrada do controlador. Um exemplo clssico o dos Encoders, utilizados para medio de velocidade e posicionamento. Estes podem ser observados na figura 1.5.

Figura 1.5 Exemplos de entradas multi-bits Encoders C) Entradas analgicas: como o prprio nome j diz elas medem as grandezas de forma analgica. Para trabalhar com este tipo de entrada os controladores tem conversores analgico-digitais (A/D). Atualmente no mercado os conversores de 10 bits so os mais populares. As principais medidas feitas de forma analgica so a temperatura e presso. Na figura 1.6 tem-se mostra-se o exemplo de sensores de presso ou termopares.

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Figura 1.6 Exemplos de entradas analgicas Termopares

D) Sadas discretas: so aquelas que exigem do controlador apenas um pulso que determinar o seu acionamento ou desacionamento. Como exemplo tm-se elementos mostrados na figura 1.7: Contatores (1.7a) que acionam os Motores de Induo (1.7b) e as Vlvulas Eletro-pneumticas (1.7c).

Figura 1.7 Exemplos de sadas discretas

E) Sadas multi-bits: tm o conceito de operao semelhante as entradas da mesma categoria. Como principais exemplos tm-se os drivers dos Motores de Passo (figura 1.8a) e os servomotores (figura 1.8b).

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Figura 1.8 Exemplos de sadas multi-bits: Motor de Passo e Servomotor F) Sadas analgicas: como dito anteriormente, de forma similar o controlador necessita de um conversor digital para analgico (D/A), para trabalhar com este tipo de sada. Os exemplos mais comuns so: vlvula proporcional, acionamento de motores DC, displays grficos, entre outros. 1.3) Consideraes finais Alm dos conceitos sobre entradas e sadas dos controladores, apresentados aqui de forma resumida, o conceito de Automao Industrial compreende um conceito amplo e vasto. Para se ter uma noo, cada elemento de sensor ou atuador presente nos pargrafos anteriores tem o seu prprio funcionamento, que em algumas automaes tem de ser bem entendidos. No caso dos sensores todo o comportamento previsto atravs de efeitos fsicos, existe uma disciplina denominada de Instrumentao cujo objetivo o de somente estudar estes elementos. Para os atuadores, s para os motores de induo, existe uma grande quantidade de bibliografia disponvel, e ainda tem-se os Motores de Passo e os Servomotores. Como pode ser observado ainda na figura 1.1, a cadeia de automao no consiste apenas nas entradas, sadas e controles, mas tambm na comunicao de dados entre os elementos, o que leva um estudo a parte das redes industrias. Algum tempo atrs, principalmente nas indstrias qumicas, existia o conceito de controle centralizado, possvel com a introduo da instrumentao eletrnica. Neste conceito existia uma sala localizada a grandes distncias do ncleo operacional. Esta sala destinava-se a centralizar todo o controle efetuado ao longo do parque fabril. Atualmente existem diversas outras salas de controle, distribudas geograficamente, interligadas entre si e a uma sala central de superviso. Surgiu ento o conceito do controle distribudo.Apostila de Automao Prof. Marcelo Eurpedes Reviso 29/08/2005 Pgina - 7 -

Uma das derivaes da estratgia de controle distribudo a do SDCD Sistema Digital de Controle Distribudo. Este se caracteriza pelos diferentes nveis hierrquicos estabelecidos pela comunicabilidade entre uma mquina de estado (process