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Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Júlio Julinho Marcondes de Moura”

CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL

DIEGO FIORINI DOS SANTOS

RENAN DE SOUZA RAMALHO

AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL CONTROLADO POR CLP

Garça 2017

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Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Júlio Julinho Marcondes de Moura”

Fatec Garça

CURSO EM TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL

DIEGO FIORINI DOS SANTOS

RENAN DE SOUZA RAMALHO

AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL CONTROLADO POR CLP

Artigo Científico apresentado à Faculdade de Tecnologia de Garça – FATEC, como requisito para a conclusão de Curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, examinado pela seguinte comissão de professores. Data de aprovação: 03/07/2017

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Prof. Dr. Edson Detregiachi Filho

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Prof. Grad. Laerte Edson Nunes

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Profa. Ma. Leysiane C. Pavani Pazini

FATEC-GARÇA

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AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL CONTROLADO POR CLP

Diego Fiorini dos Santos [email protected]

Renan de Souza Ramalho

[email protected]

Prof. Dr. Edson DetregiachiFilho [email protected]

Resumo: O tema deste trabalho de pesquisa tem sua origem nos conteúdos estudados no curso de tecnologia em Mecatrônica Industrial. A automação residencial, que visa o conforto e a redução de desperdício tanto de água potável quanto de energia elétrica, tem se tornado cada vez mais comum. Para sua execução, são usados vários sistemas independentes de automação, totalmente controlados por Controlador Lógico Programável, que, além de automatizar diversas tarefas, reduz o desperdício de energia e de outros recursos, aumentando o conforto e automatizando certas tarefas do dia a dia. A proposta deste projeto é oferecer uma solução a alguns problemas aqui apresentados, com um método cada vez mais difundido e consolidado nas atuais residências: a automação residencial, que, controlada por um CLP (Comando Lógico Programável) programado em linguagem ladder e com sensores colocados em lugares específicos, reduzirá os custos de água e energia. Esse sistema controlará a iluminação externa e interna, sistema de irrigação, a automatização das janelas e o sistema de ar condicionado da casa. Assim, as questões propostas justificam a relevância social e acadêmica da pesquisa, pois contribui para agregar conhecimentos.

Palavras-chave: Automação Residencial. Mecatrônica Industrial. CLP. Abstract: The theme of this research work has its origin in contents we studied in the course of technology in Industrial Mechatronics. Residential automation, which aims at comfort and reducing waste of drinking water and electric power, has become very common. For its execution, several independent automation systems are used, totally controlled by Programmable Logic Controller, which besides automating several tasks, reduces the waste of energy and other resources, thus increasing the comfort and automating certain daily. The proposal of this project is to offer a solution to some issues to be presented, with an increasingly widespread and consolidated method in residences: residential automation, which, controlled by a PLC (Programmable Logic Controllers) programmed in ladder language and with sensors placed in specific places, reduces waste and costs of water and energy. This system controls the external and internal lighting, irrigation system, the automation of windows and the air conditioning system of the house. So the matters proposed justify the social and academic relevance of this research, since it contributes to aggregate knowledge.

Keywords: Residential Automation. Industrial Mechatronics. PLC (Programmable Logic Controllers).

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1 INTRODUÇÃO

O trabalho de pesquisa, Automação Residencial, será desenvolvido em

formato de artigo, para Trabalho de Conclusão do Curso de Tecnologia em

Mecatrônica Industrial, da Fatec-Garça. A motivação para o seu desenvolvimento é

contribuir para a diminuição de desperdício de água e energia elétrica, e oferecer

conforto e auxílio a tarefas do dia a dia.

Com o avanço da tecnologia e com o desenvolvimento de novos produtos,

bem como a redução de custos de tecnologias devido à globalização, tornou-se

corrente o uso de equipamentos para a automatização de tarefas – o que, no

passado, não era viável financeiramente. Dessa forma, surgiu um novo segmento de

trabalho: a automação residencial. Se antes sensores, atuadores e controladores

lógicos programáveis eram utilizados somente na indústria, agora é possível utilizar

esses equipamentos para facilitar as tarefas do dia a dia em uma residência.

Segundo a Agência Brasil (2013), o desperdício de água e de energia nas

residências vem crescendo de maneira assustadora. São retirados dos rios e do

subsolo, no Brasil, 840 mil litros de água a cada segundo. Ao dividir o número pela

população de 188,7 milhões de brasileiros, chega-se à conclusão de que cada

habitante consumiria, em média, 384 litros/dia. Além disso, cerca de 10% dos 430

terawatt-hora (TWh) consumidos no país a cada ano são desperdiçados, volume

superior ao consumido pelo total da população do Estado do Rio de Janeiro, que

alcança cerca de 36 TWh.

É preocupante o desperdício de energia elétrica no mundo, e no Brasil não é

diferente, segundo a Agência Ambiente de Energia. A Associação Brasileira das

Empresas de Serviços de Conservação de Energia (ABESCO) apontou que foram

desperdiçados R$12 bilhões apenas com energia elétrica nos últimos cinco anos. A

associação ainda afirma que o desperdício aumentará proporcionalmente nos

próximos anos1.

O objetivo especifico é desenvolver uma maquete que simule uma residência

em escala reduzida para testar sua viabilidade. Essa possuirá diversos cômodos, e

cinco dos quais apresentarão uma solução viável e rentável para cada problema

exposto.

1 Mais informações em: http://www.ambienteenergia.com.br.

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O desenvolvimento do protótipo se constitui em reduzir desperdícios de água

e energia elétrica, com possibilidades de entender o processo de automação CLP e

sua aplicabilidade. O projeto visa resolver uma das situações mais difíceis que a

sociedade enfrenta nos dias atuais, isto é, a falta de água potável e energia elétrica,

uma vez que vários países sofrem com a escassez desses recursos e o Brasil

padece dessa situação.

Segundo a Asa Brasil (2009), em centenas de escolas rurais do país, a falta

de água de qualidade e de outros serviços básicos, como energia e saneamento

básico, são fatores que contribuem para o fechamento das escolas, para a baixa

taxa de aprovação e o abandono dos estudos. Segundo o relatório Direito de

Aprender, resultado de pesquisa realizada pelo Fundo das Nações Unidas para a

Infância (UNICEF), em 2009, das 37,6 mil escolas da zona rural da região

Semiárida, 28,3 mil não são abastecidas pela rede pública de abastecimento de

água.

Assim, desenvolvimento desse protótipo tem como objetivo produzir uma

maquete em que há vários cômodos. Cinco desses terão sensores em lugares

específicos, de onde mandarão sinais para o controlador lógico programável “CLP”,

que, através de sua lógica, programado em linguagem ladder, controlará os

equipamentos desejados.

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Segundo o site Sislite2, “domótica” é uma tecnologia recente e é responsável

pela gestão de todos os recursos habitacionais. Este termo nasceu da fusão da

palavra “Domus”, que significa casa, com a palavra “robótica”, que está ligada ao ato

de automatizar, isto é, realizar ações de forma automática.

Este conceito de automação vem no seguimento de encontrar soluções que deem

resposta à necessidade do homem de querer realizar o mínimo esforço nas

atividades diárias e rotineiras. Assim, a domótica, além de introduzir conforto e

melhoria de vida aos seus utilizadores, introduz ainda novos conceitos, tais como a

comunicação e segurança.

2 http://www.sislite.pt/domus.htm.

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De acordo com a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), o CLP é

um equipamento eletrônico digital com hardware e software compatíveis com

aplicações industriais. Para NEMA (National Electrical Manufacturers Association), é

um aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para armazenar

internamente instruções e para implementar funções específicas, tais como lógica,

sequenciamento, temporização, contagem e aritmética, controlando, por meio de

módulos ou expansões de entradas e saídas, vários tipos de processos ou

periféricos.

O controle das funções da casa será feito por um CLP. Segundo Franchi e

Camargo (2011):

Os primeiros sistemas de controle foram desenvolvidos durante a revolução industrial, no final do século XIX. As funções de controle eram implementadas por engenhosos dispositivos mecânicos, os quais automatizavam algumas tarefas críticas e repetitivas das linhas de montagem da época. Os dispositivos precisavam ser desenvolvidos para cada tarefa à natureza mecânica, eles tinham uma pequena vida útil. (FRANCHI e CAMARGO, 2011, p. 21).

Para os autores, com o avanço da tecnologia e o desenvolvimento de novos

sistemas de controle, os CLPs foram se aperfeiçoando, e, segundo os autores, pode

considerá-los como um computador projetado para trabalhar no ambiente industrial.

Para tanto, os transdutores e os atuadores são conectados a robustos cartões de

interface. Comparados a um computador de escritório, os primeiros CLPs tinham um

conjunto de instruções, reduzidos apenas às condições lógicas, e não possuíam

entradas analógicas, podendo manipular somente aplicações de controle digital

(discreto).

Os autores acrescentam:

Sistemas eletrônicos operando digitalmente, são projetados para o uso em um ambiente industrial, que usa uma memória programável para a armazenagem interna de instruções orientadas para o usuário para implementar funções específicos, tais como lógica, sequencial, temporização, contagem e aritmética, para controlar, através de entradas e saídas digitais ou analógicas, vários tipos de máquinas ou processos. O controlador programável e seus periféricos associados são projetados para serem facilmente integráveis em um sistema de controle industrial e facilmente usados em todas suas funções previstas. (FRANCHI e CAMARGO, 2011, p. 23).

2.1 Estrutura de um CLP

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Conforme Antonelli (1998), a estrutura interna do C.L.P. é um sistema micro

processado, o qual se constitui de um microprocessador (ou microcontrolador), um

Programa Monitor, uma Memória de Programa, uma Memória de Dados, uma ou

mais Interfaces de Entrada, uma ou mais Interfaces de Saída e Circuitos Auxiliares,

conforme a Figura 1.

Figura 1: Estrutura interna do CLP (ANTONELLI, 1998, p. 18).

Todo CLP tem seu ciclo de varredura, que consiste na verificação do estado

das entradas, na transferência de dados para a memória imagem das entradas e

saídas, na comparação com o programa do usuário e na atualização das saídas,

conforme a Figura 2.

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Figura 2: Ciclo de Varredura do CLP (SILVA, 2013, p. 23)

Conforme Casillo (2011), pode-se dividir os CLPs de acordo com o sistema de

programação utilizado:

1ª Geração: Programação em Assembly. Faz-se necessário conhecer o

hardware do equipamento, ou seja, a eletrônica do projeto do CLP.

2ª Geração: Surgem as linguagens de programação de nível médio. É

desenvolvido o “Programa monitor”, que transforma para linguagem de máquina o

programa inserido pelo usuário.

3ª Geração: Os CLPs passam a ter uma entrada de programação que era

feita através de um teclado, ou programador portátil, conectado ao mesmo.

4ª Geração: É introduzida uma entrada para comunicação serial, e a

programação passa a ser feita através de microcomputadores. Com esse advento,

surge a possibilidade de testar o programa antes desse ser transferido ao módulo do

CLP.

5ª Geração: Os CLPs de quinta geração vêm com padrões de protocolo de

comunicação para facilitar a interface com equipamentos de outros fabricantes, e,

também, com Sistemas Supervisórios e Redes Internas de comunicação.

2.2 Módulos de entrada e saída

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A estrutura básica de um CLP

Segundo Franchi e Camargo (2011, p. 31), o CLP pode ser dividido em cinco

partes básicas:

1. Fonte de alimentação

2. Entradas (analógicas e/ ou digitais)

3. Saídas (analógicas e/ ou digitais)

4. Unidade Central de Processamento (CPU)

5. Unidade de comunicação

A fonte de alimentação é responsável pelo fornecimento de energia da CPU e

dos módulos de entrada e saída, e fornece todos os níveis de tensão para as

operações internas do CLP. Convém lembrar que, como geralmente os CLPs são

modulares, existem casos que uma segunda fonte é necessária devido ao aumento

de consumo com a expansão dos módulos – cada fabricante especifica as

condições que tornam a segunda fonte necessária. Certos modelos de CLPs são

projetados para operarem com uma tensão de alimentação de 220V, já outros

trabalham com tensão de alimentação contínua a 24V.

A Unidade Central de Processamento (UCP), também conhecida como CPU

(Central Processing Unit), é a unidade responsável pela execução do programa

aplicativo e pelo gerenciamento do processo. Ela recebe os sinais digitais e

analógicos dos sensores do campo conectados aos módulos e os comandos via

comunicação em rede (se necessário); em seguida, executa as operações lógicas,

as operações aritméticas avançadas, como as de controle de malha programadas na

memória do usuário, e atualiza os cartões de saída.

Segundo Franchi e Camargo (2011), as entradas e saídas:

São módulos responsáveis pela interface amento da CPU como mundo exterior, adaptando os níveis de tensão e corrente e realizando a conversão dos sinais no formato adequado. Cada entrada ou saída de sinal e denominada de ponto. Esses módulos também são conhecidos no jargão técnico como módulos de I/O, referindo- se à abreviação na língua inglesa (I/O = Output). (FRANCHI e CAMARGO, 2011, p 36)

Quanto ao sistema de comunicação, os autores afirmam que:

(...) é através da interface de comunicação que são introduzidos os programas aplicativos no CLP e é também através dessa interface que é possível monitorar todas as operações que estão sendo

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realizadas em um determinado instante e transferir dados de forma bidirecional com um sistema SCADA. (idem, p. 37)

Para o desenvolvimento do nosso projeto, utilizaremos um CLP da festo

Standard, Festo 640. Suas principais características são: 32 entradas/16 saídas,

Ethernet; sua temperatura operacional é de 0 a 55º C, e sua temperatura para

transporte e armazenamento, de -25º a 70º C; sua tensão operacional é de 24 volts

de corrente contínua, podendo ter uma variação de 25% acima e 15% abaixo; sua

potência é de, aproximadamente, 5 watts. Para o CLP, os sensores e os atuadores

existem através do módulo de I/O (I/O module). Cada sensor e cada atuador são

representados por um bit independente, que é nomeado e pode ser acessado dentro

das chamadas “IW” ou “input word”, e “OW” ou “output word”.

No projeto, utilizou-se a chave rotaryrun/stop switch, que significa interruptor

giratório de marcha/paragem do FEC FC600. Esse possui 16 posições para o

operador, podendo habilitar ou desabilitar algo ou uma função sem a necessidade

de mexer na programação do CLP. Assim, ganha-se tempo e a certeza de que o

programa não será modificado de forma indesejada no processo.

Esse CLP também tem as funções de endereçamento, que receberá os sinais

de sensores e fará o processamento de dados, enviando sinais de saída para

atuadores e iluminações.

3 METODOLOGIA DO PROTÓTIPO

Para o desenvolvimento prático do protótipo, foi utilizada uma maquete de

madeira, de modo que seja fácil a visualização do funcionamento da casa. Dessa

forma, a partir de uma maquete e um madeirite de 5mm para apoiá-la, os sensores

foram desenvolvidos. Dois sensores de umidade foram construídos, um para que a

banheira não transborde, e outro para que, quando o sensor detectar água da

chuva, um sinal seja enviado para o CLP, fechando a cobertura da piscina e as

janelas de casa. Dois sensores de luminosidade também foram utilizados para que,

quando a falta de luz for detectada, eles acendam as iluminações externa e interna

da residência. Além disso, sensores fotoelétricos foram instalados com o intuito de

ativarem a iluminação quando a presença de alguém for detectada. Por fim, será

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instalado o sensor de temperatura, que mandará um sinal ao CLP quando o mesmo

atingir a temperatura de acionamento, ligando, assim, um ventilador.

3.1 Sinais de saída

Uma placa de relês de 24V foi construída para fazer a comunicação entre

CLP e as saídas, por serem alimentados com níveis de tensão menores, conforme a

Figura 3.

Figura 3: Esquema elétrico e layout da placa de reles (2015)

Fonte: Os autores

Foi utilizado um motor de 3 volts para simulação do ventilador da casa, que

acionará de acordo com a temperatura desejada, conforme a Figura 4.

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Figura 4: Motor de 3 volts Fonte: Os autores

Para a simulação do sensor de umidade da banheira, foi utilizado um

vasilhame, e, para alimentar a banheira com água, uma bomba (127 volts) de água

corrente alternada, a qual cortará o sinal da bomba, evitando que a banheira

transborde, conforme a Figura 5.

Figura 5: Bomba de água

Fonte: Os Autores

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Essa estrutura será utilizada para simular a cobertura da piscina e a janela da

residência. Quando o sensor detectar a presença de umidade, a cobertura e as

janelas da residência serão fechadas, conforme a Figura 6.

Figura 6: Cobertura da piscina Fonte: Os autores

Para a simulação de um sensor de presença original utilizado para sistemas

automáticos, foram construídos 6 sensores com LDR. Cinco dos quais funcionam

como sensor de presença, e um funciona como sensor de luz detectando o período

do dia, conforme a Figura 7.

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Figura 7: Esquema elétrico e layout do sensor com LDR (2017) Fonte: Os autores

O sensor de temperatura tem a função de estabelecer o momento correto

para que o ventilador seja acionado. Isso se dá de acordo com a temperatura do

ambiente, trabalhando juntamente com a condição do sensor de presença com LDR

(mostrado anteriormente), conforme a Figura 8.

Figura 8: Sensor de Temperatura Fonte: Os autores

O sensor de umidade tem a função de enviar um sinal para o controlador abrir

ou fechar a janela da residência de acordo com a água em contato com sua trilha de

cobre – visto que conduz tensão quando molhada –, conforme a Figura 9.

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Figura 9: Layout e esquema elétrico do sensor de temperatura (2017) Fonte: Os autores

3.2 Programação

Algumas imagens apresentam a programação desenvolvida para que o CLP

seja executado e controle todas entradas e saídas corretamente, conforme a Figura

10.

Allocationlist

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Figura 10: Allocationlist Fonte: Os autores

Programação em linguagem ladder

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Figura 10: Programação CLP Fonte: Os autores

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4 CONSIDERAÇÕES FINAIS

O objetivo do protótipo “automatização residencial controlada por CLP” foi

alcançado, dado o desempenho do equipamento construído pelos autores em sua

demonstração. Aquele foi aplicado a uma maquete residencial, por meio da qual se

pode comprovar a operacionalização deste projeto e atender os objetivos de controle

do CLP, bem como suas funções.

Durante a pesquisa foi feito uma automatização na iluminação externa essa

iluminação visa a segurança da casa, pois toda vez que escurecer a iluminação ira

acender iluminando o ambiente externo, na garagem da residência foi instalado um

sensor de presença permitindo iluminar o ambiente toda vez que detecta a presença

de alguém, iluminando o ambiente por um tempo pré determinado, este mesmo

sistema foi instalado no quarto acendendo a iluminação toda vez que o sensor

detectar a presença de alguém, também foi automatizado a cobertura da piscina e

as janelas da residência pois quando o sensor detectar a presença de água o

mesmo fechara as janelas e a cobertura da piscina evitando que molhe os moveis

internos da casa ou que suje a piscina, foi instalado um sistema de refrigeração na

sala da residência que habilitara ou desabilitara o sistema conforme a temperatura

desejada pelo programador, no banheiro da casa foi instalado um sensor na

banheira que toda vez que a banheira encher desligara, permitindo assim que a

mesma não transborde, todas essas funções pode ser habilitada ou desabilitada

pela chave Rotary switch do CLP permitindo o controle do operador, o objetivo do

projeto foi alcançado pois foi possível automatizar varias funções da residência

usando o CLP executando assim as tarefas pré determinadas, para esse projeto foi

utilizado o termo domótica, e com isso foi necessário realizar um aprofundamento no

assunto e nos equipamentos utilizados. Isso se deu, especialmente, em CLP, que,

com uma linguagem de fácil compreensão, permite automatizar inúmeras

operações.

Para o desenvolvimento deste projeto, utilizou-se o CLP Standard 600-F da

Festo, que possui funções como a chave Rotary Switch. A partir dessa função,

tornou-se possível implementar diversas programações de linguagens diferentes e

selecionar cada uma das funções sem a interferência do operador, evitando, então,

problemas e danificações.

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Assim, por meio deste projeto, tarefas cotidianas podem ser facilitadas e o

desperdício de água e energia elétrica, eliminado.

REFERÊNCIAS

Ambiente e energia. Disponível em: <http://www.ambienteenergia.com.br>. Acesso em: 20 de março de 2017.

ANTONELLI, Pedro Luis. Introdução aos controladores lógicos programáveis (CLPs). Disponível em: < www.ejm.com.br/download/Introducao%20CLP.pdf>. Acesso em: 17 março de 2017.

CASSILO, Danielle. Automação e controle. Universidade Federal Rural Do Semi-Árido (UFERSA). Disponível em: < http://www2.ufersa.edu.br/portal/view/uploads/setores/166/arquivos/Automacao>. Acesso em: 10 de abril de 2017.

Cisternas nas escolas. Disponível em: <http://www.asabrasil.org.br/acoes/cisternas-nas-escolas>. Acesso em: 08 maio de 2017.

Desperdiço de água no Brasil chega a 40%. Disponível em: <http://oglobo.globo.com/sociedade/ciencia/desperdicio-de-agua-no-brasil-chega-40-4193297>. Acesso em: 03 março de 2017.

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FRANCHI, Claiton Moro; CAMARGO, Valter Luís Arlindo de. Controladores lógicos programáveis - sistemas discretos. São Paulo: Érica, 2008.

SILVA, Marcelo Eurípedes da. Apostila Automação Industrial. Disponível em: <http://www.marceloeuripedes.com.br> Acesso em: 05 maio. 2017.

Sislite. Disponível em: <http://www.sislite.pt/domus.htm>. Acesso em: 17 mar. 2017.

Tratamento de água. Disponível em: <http://www.tratamentodeagua.com.br>. Acesso em: 20 de março de 2017.


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