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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO

CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

PROJETO DE GRADUAÇÃO

PROJETO DE SISTEMAS DE ENTRADA E SAÍDA DIGITAIS PARA SIMULAÇÃO DE CONTROLE COM PLCS

RICARDO SOARES DE FREITAS

VITÓRIA ES JULHO/2005


PROJETO DE SISTEMAS DE ENTRADA E SAÍDA DIGITAIS PARA SIMULAÇÃO DE CONTROLE COM PLCS

Parte manuscrita do Projeto de Graduação do aluno Ricardo Soares de Freitas, apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.

VITÓRIA

ES JULHO/2005


SISTEMAS DE ENTRADA E DE SAÍDA DIGITAL PARA SIMULAÇÃO DE CONTROLE COM PLCS

COMISSÃO EXAMINADORA:

___________________________________ Prof. D.Sc, José Denti Filho Orientador

___________________________________ Prof. D.Sc, Alessandro Mattedi Examinador

___________________________________ Prof. D.Sc, José Leandro Felix Salles Examinador

Vitória - ES, 26, Julho, 2005

i

DEDICATÓRIA

À Deus, meu Senhor e Salvador.

Aos meus pais Jades Gonçalves de Freitas e Ivaldete Soares de Freitas.

ii

AGRADECIMENTOS

Agradeço ao Deus Vivo, Senhor da vida, pela direção e capacitação para

elaboração deste trabalho.

Aos meus pais, Jades Gonçalves de Freitas e Ivaldete Soares de Freitas, pela

oportunidade que me foi dada de somente me dedicar aos estudos dando-me todo

suporte.

Ao Prof. José Denti Filho, D, SC. Pelo auxílio, atenção, disponibilidade e por

acreditar em mim, ajudando-me em diversos assuntos acadêmicos.

À Sumika Soares de Freitas, irmã, a qual me auxiliou na elaboração escrita

deste projeto.

Aos queridos Irmãos e Amigos Rubens Teixeira Junior, Larissa Dias Cruz,

Vinicius Amorim Costa Gomes, pelo ombro amigo, quando necessitava.

Aos preciosos colegas: Marisa Matedi Alves, Mário Henrique Moura, Vinicius

Ruiz Martins, Nilson Alves de Almeida Filho e Marcelo Gonçalves Fernandes,

Obrigado pelo suporte, incentivo e principalmente o companheirismo, onde um ajudou

ao outro para que pudéssemos realizar este objetivo, conquistar o título de Engenheiro

Eletricista.

Aos demais Amigos e Colegas. Muito Obrigado.

iii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Entrada e Saída do PLC............................................................................. 13

Figura 2 - a) FX1N-Source; b) FX1N-Sink................................................................. 17

Figura 3 - a) Source; b)Sink. ....................................................................................... 18

Figura 4 a) Push-Buttons; b) Chave Seletora; c) Chave Limite............................... 19

Figura 5 Chave Thumbwheel[3]. .............................................................................. 20

Figura 6 Chave Thumbwheel com Disparo de Relé................................................. 21

Figura 7

Layout do Circuito de Entrada Chave Thumbwheel com Disparo de Relés.22

Figura 8 Desenho da Mascara do Kit....................................................................... 22

Figura 9 Conexão do Kit ao PLC FX1N.................................................................. 23

Figura 10 Ligação dos Dispositivos de Saída ao PLC FX1N.................................. 24

Figura 11 Disparo de Relé. ...................................................................................... 25

Figura 12

Layout do Circuito de Saída Controle de Relés........................................ 26

Figura 13 Desenho da Mascara do Kit..................................................................... 26

Figura 14 Conexão do Kit ao PLC FX1N................................................................ 26

Figura 15 Circuito do Sistema de Saída Luzes Disparo de Triac. ........................ 27

Figura 16

Layout do Circuito de Saída Luzes Disparo de Triac........................... 28



Figura 19 Circuito do Sistema de Saída Ventiladores (FANS). .............................. 29

Figura 20

Layout do Circuito de Saída Ventiladores (FANS)................................. 30



Figura 23 Circuito do Sistema de Saída Sirene. ...................................................... 31

Figura 24

Layout do Circuito de Saída Sirene. ........................................................ 32



Figura 27 Circuito das Fontes de 5, 12, 24 Vcc....................................................... 33

Figura 28

Layout do Circuito das Fontes. ................................................................ 35

iv

Figura 29 Desenho da Mascara da Fonte DC. ......................................................... 35

Figura 30

Conexão das Fontes aos Sistemas de Entrada e de Sistemas de Saída e

ao PLC......................................................................................................................... 36

v

LISTA DE TABELA

Tabela 1 - Power Requirements. Retirada do Manual do Hardware do PLC[1]. ....... 14

Tabela 2 - 24VDC Input Specifications. Retirada do Manual do Hardware[1]. ......... 14

Tabela 3 - Output Specifications, Retirada do Manual de Hardware[1]..................... 14

Tabela 4 - Sistemas de Entrada\Saída Digital (Discreto)............................................ 15

Tabela 5 - Conjunto de Sistemas de Entradas e de Saídas Discretos Escolhidos. ...... 15

Tabela 7 - Lista dos Componentes de entrada. ........................................................... 19

Tabela 8 Tabela Verdade das saídas da chave Thumbwheel.................................... 20

Tabela 9 Tabela Verdade do 74SL240[6]. ............................................................... 21

Tabela 10

Lista dos Componentes Necessários para Construção do Sistema de

Entrada Chave Thumbwheel com Disparo de Relés. .................................................. 22

Tabela 12

Lista dos Componentes Necessários para a Construção do Sistema de

Saída Disparo de Relé. ................................................................................................ 25

Tabela 13


Saída Luzes. ................................................................................................................ 27

Tabela 14

Lista dos Componentes para Construção do Sistema de Saída

Ventiladores(FANS). .................................................................................................. 29

Tabela 15


Saída Sirene................................................................................................................. 31

Tabela 16 Especificações dos Reguladores de Tensão[5]. ...................................... 34

Tabela 17 Dados do Trafo Escolhido....................................................................... 34

Tabela 18 Lista dos Componentes Necessários para Construção da Fonte. ............ 35

Tabela 19 Orçamento dos Componentes por Estabelecimento................................ 38

vi

SUMÁRIO

DEDICATÓRIA...........................................................................................................I

AGRADECIMENTOS............................................................................................... II

LISTA DE FIGURAS ...............................................................................................III

LISTA DE TABELA.................................................................................................. V

SUMÁRIO .................................................................................................................VI

RESUMO ................................................................................................................VIII

1 INTRODUÇÃO.............................................................................................. 12

2 CARACTERISTICAS DE ENTRADA E DE SAIDA E DEFINIÇÃO

DOS SISTEMAS ....................................................................................................... 13

2.1 Características de Entradas e de Saídas Digitais.............................................. 13

2.1.1 Características do PLC FX1N ................................................................ 13

2.1.2 Características de Entrada ...................................................................... 14

2.1.3 Características de Saída .......................................................................... 14

2.2 Definição do Conjunto de Sistemas de Entradas e de Saídas Discretos .......... 15

2.3 Conclusões ....................................................................................................... 16

3 SISTEMAS DE ENTRADAS ....................................................................... 17

3.1 Wiring Típicos.................................................................................................. 17

3.2 Chaves Seletora, Push-Buttons e Chaves Limite ............................................. 18

3.2.1 Circuitos Projetados................................................................................ 18

3.2.2 Especificação dos Componentes ............................................................ 19

3.3 Chave Thumbwheel com Controle de Relés..................................................... 19

3.3.1 Circuito Projetado................................................................................... 20


3.3.3 Montagem do Kit de Entrada Chave Thumbwheel com Disparo de Relés22

3.3.4 Procedimento para Conexão do Kit ao PLC FX1N................................ 23

3.4 Conclusões ....................................................................................................... 23

4 SISTEMAS DE SAIDAS DIGITAIS ........................................................... 24

4.1 Exemplo de Saída à Relé Typical Relay[1] .................................................. 24

4.2 Disparo de Relé ................................................................................................ 25

vii

4.2.1 Especificação dos Componentes. ........................................................... 25

4.2.2 Montagem do kit de Saída Controle de Relé.......................................... 26

4.2.3 Procedimento para Conexão do kit ao PLC FX1N ................................ 26

4.3 Sistema de Saída Luzes Disparo de Triac ..................................................... 27


4.3.2 Montagem do kit de Saída Luzes - Disparo de Triac ............................. 28


4.4 Sistema de Saída Ventiladores (FANS) ........................................................... 29


4.4.2 Montagem do kit de Saída Ventiladores (FANS)................................... 30


4.5 Sistema de Saída Sirene ................................................................................... 31


4.5.2 Montagem do kit de Saída Sirene........................................................... 31


5 FONTES ......................................................................................................... 33

5.1 Introdução......................................................................................................... 33

5.2 Projeto do Circuito das Fontes de 5, 12 e 24VDC. .......................................... 33

5.2.1 Montagem das Fontes de 5, 12 e 24Vcc................................................. 35

5.2.2 Procedimento para Conexão da Fonte ao PLC FX1N e aos kits............ 35

5.3 Conclusões ....................................................................................................... 36

6 ORÇAMENTO DO PROJETO ................................................................... 37

6.1 Pesquisa de Preços ........................................................................................... 37

6.2 Conclusões ....................................................................................................... 38

7 CONCLUSÕES.............................................................................................. 39

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.................................................................... 41

viii

RESUMO

Em virtude da falta de laboratório e modelos específicos para o aprendizado

acadêmico de sistemas de controle com PLC, ou CLP, (Controle Lógico Programável).

Desenvolveram-se projetos de modelos, Kits didáticos, de entrada e saída discretos,

digitais, para uso em simulação de controle usando PLC. Estes modelos fazem a

interface entre o dispositivo de campo e o PLC.

O projeto baseou-se na seguinte metodologia: Estudo detalhado das

características de entrada e de saídas digitais, do PLC FX1N Mitsubishi; definição do

conjunto mínimo de sistemas de entrada e saídas discretas simuladas, que

didaticamente, melhor, simulassem o meio exterior ou a planta simulada; especificação

das características e projeto do conjunto supra (Kits); elaboração do procedimento de

utilização, conexão dos kits; escrita do Projeto de Graduação.

Uma vez que o objetivo deste projeto de graduação é propor kits didáticos, os

mesmos foram escolhidos e projetados de maneira que a partir do seu modelo,

futuramente, quando implementado, a comunidade acadêmica de Engenharia Elétrica e

demais cursos, possam utilizá-lo para aprimorar o conhecimento teórico e prático, em

Controle Lógico e Seqüencial.

12

1 INTRODUÇÃO

O principal fundamento para a elaboração do presente trabalho, constituiu-se na

necessidade de haver dispositivos capazes de auxiliar o aprendizado prático de

conceitos teóricos adquiridos durante o curso de graduação. Mais especificamente em

controle lógico e seqüencial com PLCs, uma vez que tais controladores são utilizados

maciçamente em processos industriais, onde provavelmente, o futuro estudante de

engenharia elétrica irá exercer sua profissão.

Este trabalho tem como objetivo propor projetos de sistemas de entrada e saída

digitais para simulação com PLCs, ou seja, propor kits didáticos que simulem o

processo industrial, uma vez que há um distanciamento entre a teoria aprendida em

sala de aula e a prática cotidiana, possibilitando ao aluno alguma experiência prática

com a utilização do PLC.

O presente trabalho limitou-se apenas no projeto, ou seja, em propor circuitos

eletrônicos, de natureza digital, que irão realizar a interface entre o PLC e os

dispositivos de campo. Ficando assim, concentrado na questão eletrônica dos circuitos.

Contudo, também foram idealizadas as máscaras dos kits, bem como os

desenhos dos layouts das placas de circuito impresso e a maneira de conexão dos kits

no PLC FX1N Mitsubishi.

O projeto visa propor estes kits para serem acoplados aos PLCs disponíveis e

compor um laboratório de treinamento em Controle Lógico e Seqüencial com PLCs.

Portanto, para que os treinamentos fiquem mais próximos do real e para que

sejam exploradas as possibilidades de utilização de PLCs em Controle Lógico e

Seqüencial tais sistemas simulados são necessários.

13

2 CARACTERISTICAS DE ENTRADA E DE SAIDA E DEFINIÇÃO

DOS SISTEMAS

Este capítulo diz respeito ao detalhamento das características de entrada e de

saída digitais do PLC FX1N Mitsubishi disponível no DEL-CTUFES, como também a

escolha dos sistemas, kits.

2.1 Características de Entradas e de Saídas Digitais

O estudo das características de Entradas e de Saídas Digitais do PLC FX1N

Mitsubishi realizou-se com o Manual de Hardware[1].

2.1.1 Características do PLC FX1N

O PLC Mitsubishi FX1N - 14MR

ES/UL possui oito entradas em 24VDC

(Sink/Source) e oito saídas digitais a relé (SSR), como mostrado na Figura 1. No DEL-

CTUFES dispõe-se de dois PLC Mitsubishi FX1N.

Figura 1 Entrada e Saída do PLC.

Os símbolos, 14 MR

ES/UL, do nome do PLC FX1N significam

respectivamente: quatorze canais de I/O; tipo de unidade Main type; tipo de saída

Relé; Fonte de alimentação AC World Spec; CE, UL Produto Registrado.

A Tabela 1 apresenta os parâmetros requeridos para alimentação do PLC

utilizado.

FX1N 14M Power supply 100 240V AC +10%, - 15%, 50/60Hz Max. allowable momentary power failure period 10ms; If less than 10ms, the PLC will continue

operation. If 10ms or more, the PLC will shut down.

Fuse (size) rating 250V 1A In-rush current 100V AC Max. 15A for 5ms

14

200V AC Max. 25A for 5ms

Power consumption * 29W * Includes the input curent (7 or 5 mA per point).

Tabela 1 - Power Requirements. Retirada do Manual do Hardware do PLC[1].

Tendo então como base a Tabela 1, a fonte que será utilizada para a alimentação

do PLC será a própria Rede Elétrica, disponibilizada pela concessionária responsável

do Estado do Espírito Santo, Escelsa, pois a mesma, fornece tensão AC de 127 V/

60Hz para uso residencial.

2.1.2 Características de Entrada

A Tabela 2 apresenta as especificações das oito entradas do PLC FX1N.

FX1N main unit extension block

X0 X7 Input voltage 24V DC + 10% Input current 24V DC, 7mA Input Switching current OFF ON ON OFF

>4.5mA <1.5mA

Response time 10ms Variable response time X000 X007 0-15ms Circuit isolation Photocoupler Operation Indication LED is lit

Tabela 2 - 24VDC Input Specifications. Retirada do Manual do Hardware[1].

Tendo como base a Tabela 2, as oito entradas terão que ser alimentadas com

24Vcc, com corrente de entrada não superior a 7mA, tem-se ainda que o circuito do

PLC é isolado através de foto acopladores.

2.1.3 Características de Saída

A Tabela 3 apresenta as especificações de saída do PLC FX1N.

Description Relay Output Switched voltages(resistive load) < 250V AC , < 30V DC Rated current / N points (resistive load) 2A/1 point, 8A/COM Max. Inductive load 80VA Max. Lamp load (tungsten load) 100W (1.17A/85V AC, 0.4A/250V AC) Minimum load When supply voltage < 5V DC allow at least 2mA

flow Response time (approx.) OFF ON ON OFF

10ms 10ms

Circuit isolation By Relay Open circuit current leakage ----------------------- Operation indication LED is lit when coil is energized.

Tabela 3 - Output Specifications, Retirada do Manual de Hardware[1].

15

Pelos dados da Tabela 3, vê-se que, para dispositivos digitais, a tensão não pode

ultrapassar de 30VDC, e que o circuito de saída do PLC é isolado através de relé.

2.2 Definição do Conjunto de Sistemas de Entradas e de Saídas Discretos

Os PLCs disponibilizam aos usuários dois tipos de entrada /saída; as Digitais e

as Analógicas, obedecendo a padrões industriais consagrados até ao presente.

Os sistemas de entradas e de saídas digitais, ou também chamados discretos são,

de modo geral, apresentados na Tabela 4.

Sistemas de Entradas Sistemas de Saídas

Entradas Digitais (Discretas) Interfaces Saídas Digitais (Discretos) InterfacesChaves Seletoras 24 V AC\DC Alarmes 12 - 48 V AC

Push-Buttons 48 V AC\DC Relés Controle 120 V ACDispositivos Fotoelétricos 120 V AC\DC Ventiladores (Fans) 230 V AC

Chaves Limite Nïvel TTL Luzes 12 - 48 V DCChaves de Proximidade Sem Tensão Sirenes 120 V DC

Chaves de Nível Entrada Isolada Válvulas 230 V DCContato de Partida de Motores 5/50 V DC Partida de Motores Contato (Relé)

Chaves Thumbwheel(TWS) Solenoides Saída IsoladaContato de Relés 5 - 50 V DC

Nível TTL

Tabela 4 - Sistemas de Entrada\Saída Digital (Discreto).

Como o principal objetivo do projeto é viabilizar sistemas didáticos,

escolheram-se os sistemas que melhor simulassem o meio exterior, ou planta simulada,

didaticamente. A Tabela 5 apresenta os sistemas de entrada e de saída digitais

escolhidos.

Sistemas de Entradas Sistemas de Saídas

Entradas Digitais (Discretas) Interface Saídas Digitais (Discretos) InterfacesChaves Seletoras 24 V AC\DC Relés Controle 12 - 48 V DC

Push-Buttons SirenesChaves Limite Ventiladores (Fans)

Chaves Thumbwheel(TWS) LuzesContatos de Relés

Tabela 5 - Conjunto de Sistemas de Entradas e de Saídas Discretos Escolhidos.

As interfaces dos sistemas de entradas e de saídas serão de 24Vcc. Escolheu-se

este valor, pois o PLC disponibiliza uma tensão de mesmo nome como pode-se

16

observar na Figura 1, e por estar entre o limite de 30VDC, como estabelece as

especificações de saídas apresentadas na Tabela 3.

2.3 Conclusões

Com base nos dados dos itens acima, o PLC FX1N 14 MR ES/UL será

alimentado pela rede elétrica residencial.

Como o sistema constitui de oito entradas que necessitam de 24VDC, viu-se a

necessidade de implementação uma fonte de 24VDC, com o objetivo de não

sobrecarregar a fonte de 24VDC que há no PLC FX1N.

Alem disso, como a tensão no sistema de saída do PLC pode ser menor que

30VDC, a fonte de 24VDC, que será desenvolvida, poderá ser utilizada não somente

nos dispositivos de entrada, mas também nos dispositivos de saída.

Sendo assim, os sistemas escolhidos (os kits) terão interfaces de 24VDC para

serem acoplados ao PLC.

No próximo capítulo, dando continuidade à elaboração do projeto de graduação,

será apresentada a especificação dos sistemas de entradas escolhidos.

17

3 SISTEMAS DE ENTRADAS

Como visto no item 2.2, os sistemas de entradas digitais propostos são:

Chaves Seletoras;

Push-Buttons;

Chaves Limite;

Chaves Thumbwheel (TWS);

Contatos de Relés;

Neste capítulo serão apresentados os circuitos projetados para os sistemas de

entradas, bem como o layout da placa de circuito impresso de acoplamento,

especificação dos componentes necessários para a construção dos kits e os

procedimentos para o acoplamento dos sistemas ao PLC.

3.1 Instalações Típicas

Primeiramente, será abordada a forma que as chaves devem ser ligadas ao PLC,

conforme indicado no Manual do Hardware[1].

A conexão dos dispositivos, no PLC FX1N, podem ser Source ou Sink, que são

mostradas, respectivamente, na Figura 2.a e 2.b.

a) b)

Figura 2 - a) FX1N-Source; b) FX1N-Sink.

Considerando-se o sentido de circulação convencional de uma corrente,

podemos ativar o PLC a partir de um circuito de duas formas distintas.

O tipo de ligação Source, que traduzida do inglês significa fornecer, é utilizada

quando se deseja implementar dispositivos de entrada onde a saída da interface se

torna positiva quando ativada e a corrente circula dela para a terra, passando pelo

18

circuito interno do PLC, diz-se que a interface fornece corrente ao PLC, como mostra

a Figura 3.a.

O tipo de ligação Sink, que traduzida do inglês significa puxar para baixo

(afundar), é utilizada quando se deseja desenvolver dispositivos de entrada onde a

saída da interface se torna negativa quando ativada e com isso a corrente circula do

PLC (positivo) para o circuito de interface, neste caso, diz-se que a interface drena

uma corrente, como mostra Figura 3.b.

a) b)

Figura 3 - a) Source; b)Sink.

3.2 Chaves Seletora, Push-Buttons e Chaves Limite

Devido à simplicidade do procedimento de acoplamento dos dispositivos de

entrada no PLC FX1N, como mostrado na Figura 2, será apresentado o procedimento

padrão para a ligação dos kits no PLC, uma vez que as Chaves Seletoras, Push-Buttons

e Chave Limite têm as mesmas características de conexão.

3.2.1 Circuitos Projetados

Os circuitos projetados podem ser usados tanto na configuração Source bem

como na Sink, dependendo somente da opção do usuário.

As Figuras 4.a, 4.b e 4.c, mostram os circuitos projetados, alem de apresentar

um modelo para o kit de Entrada do PLC.

19

a) b) c)

Figura 4 a) Push-Buttons; b) Chave Seletora; c) Chave Limite.

As mascaras dos kits apresentadas na Figura 4, foram projetas a fim de

proporcionar ao usuário a utilização de todas as entradas simultaneamente a partir de

uma mesma fonte, ou isoladamente, ficando a critério do mesmo a topologia a ser

utilizada na simulação em laboratório.

3.2.2 Especificação dos Componentes

A lista dos componentes necessários para construção dos dispositivos de

entrada, Chave Seletora, Push-Buttons e Chave Limite, é mostrada na Tabela 6.

Conponentes QuantidadePush-Botton 1Seletora 1Limite 1Bornes 15Caixa 3

Dispositivos de Entrada

Tabela 6 - Lista dos Componentes de entrada.

As chaves, listadas na Tabela 6, devem suportar tensões de até 24Vcc. Os

bornes serão os dispositivos onde o usuário poderá conectar, através de cabos, os kits

ao PLC.

A chave Push-Button poderá ser construída com NA e NF, Normalmente

Aberto e Normalmente Fechado, respectivamente, para que o usuário tenha mais

recursos para um melhor aprendizado.

3.3 Chave Thumbwheel com Controle de Relés

O circuito projetado para o uso de chave thumwheel teve como base o material

disponibilizado[2].

20

A chave thumbwheel opera gerando em suas saídas o código binário BCD

referente ao número decimal selecionado pelo usuário, por exemplo: se o usuário

selecionar o número decimal três a chave irá gerar o código BCD 0011 , como

mostra a Tabela 7. Desta forma, quando suas saídas estiverem em ON 1 binário,

então permitirá a conexão do circuito pela chave.

Num. Dec. 8 4 2 10 0 0 0 01 0 0 0 12 0 0 1 03 0 0 1 14 0 1 0 05 0 1 0 16 0 1 1 07 0 1 1 18 1 0 0 09 1 0 0 1

Saida BCD

bit 1 ON, bit 0 OFF.

Tabela 7

Tabela Verdade das saídas da chave Thumbwheel.

A Figura 5 mostra um exemplo de chave Thumbwheel.

Figura 5 Chave Thumbwheel[3].

3.3.1 Circuito Projetado

O Circuito foi Projetado com base no material disponibilizado[2] e com o artigo

Newton C. Braga[4].

O sinal proveniente da chave thumbwheel, irá alimentar a entrada de um

74LS240(Tree-State Octal Inverting Buffers), onde o sinal será invertido e então

transmitido ao circuito integrado MC1412/UNL2002A, que consistem de Drives que

podem fornecer até 500mA de saída para controle direto de cargas a partir de entradas

de sinais digitais. A Figura 6 Apresenta o circuito projetado.

21

Figura 6 Chave Thumbwheel com Disparo de Relé.

O pino número 19 do 74LS240 é o Enable Output, que permite a inversão do

sinal quando em nível baixo de tensão, como mostra a Tabela 8.

EO D H HIGH voltage levelL L H L LOW voltage levelL H L X ImmaternalH X (Z) Z High Impedance

INPUTSOUTPUT

Tabela 8 Tabela Verdade do 74SL240[6].

O pino número 9 do circuito integrado MC1412/UNL2002A é o onde esta o

diodo comum de roda livre do circuito, este pino pode ser conectado em paralelo com

o rele na saída o circuito integrado.

Chame-se a atenção do usuário, pois o sinal provindo da chave thumbwheel

será invertido, ou seja, quando o usuário selecionar algum digito decimal, por

exemplo, o digito 0 (zero), o sinal na entrada do inversor será o código BCD (0000),

porem na entrada do circuito integrado será o código BCD(1111), ou seja, o sinal que

irá disparar os reles será o complemento do código BCD originado pela chave.


A Tabela 9 apresenta os componentes necessários para a construção do

sistema de entrada Chave Thumbwheel com disparo de Relés.

22

Componentes Quantidade

Res 22 k 4Ch TW4b 174LS240 1MC1412 / ULN2002A 1RELÉ 12V 4BORNES 10

Chave Thumbwheel

Tabela 9 Lista dos Componentes Necessários para Construção do Sistema de Entrada Chave Thumbwheel com

Disparo de Relés.

3.3.3 Montagem do Kit de Entrada Chave Thumbwheel com Disparo de Relés

Para a montagem do kit são necessários os componentes listados na Tabela 9,

uma Placa de circuito impresso com o Layout apresentado na Figura 7.

Figura 7

Layout do Circuito de Entrada Chave Thumbwheel com Disparo de Relés.

A Figura 8 apresenta o Desenho da Mascara do Kit.

Figura 8 Desenho da Mascara do Kit.

23

3.3.4 Procedimento para Conexão do Kit ao PLC FX1N

Como discutido anteriormente no item 3.1, os kits de entradas podem ser

acoplados ao PLC nas configurações Sink e Source, dependendo-se apenas da escolha

do usuário. A Figura 9 mostra de modo geral na configuração Source, como se deve

conectar o kit ao PLC FX1N.

Figura 9 Conexão do Kit ao PLC FX1N.

3.4 Conclusões

Neste capítulo apresentaram-se os sistemas de entradas digitais projetados

para simulação com o PLC FX1N. No capítulo a seguir serão abordados os projetos

dos sistemas de saídas digitais propostos.

24

4 SISTEMAS DE SAIDAS DIGITAIS

Como visto no item 2.2, os sistemas de saídas digitais propostos são:

Relés de Controle;

Luzes;

Ventiladores (Fans);

Sirene;

Neste capítulo serão apresentados os circuitos dos sistemas de saídas

projetados, o layout da placa de circuito impresso, a especificação dos componentes

necessários para a construção dos kits, bem como os procedimentos para o

acoplamento dos sistemas ao PLC.

O projeto dos sistemas de saídas digitais se basearam no artigo de Newton C.

Braga[4].

4.1 Exemplo de Saída à Relé Typical Relay[1]

O procedimento de conexão dos dispositivos de saídas digitais ao PLC FX1N é

como os dispositivos de entrada, de maneira simples. Como mostrado na Figura 10.

Figura 10 Ligação dos Dispositivos de Saída ao PLC FX1N.

Vê-se que o PLC é utilizado como uma chave, o qual quando acionado, permite

a circulação de corrente no circuito acoplado ao mesmo.

25

4.2 Disparo de Relé

Para o disparo de relés de forma segura, para que o PLC não sofra interferência

do circuito de acionamento do mesmo, um isolador óptico faz a isolação entre circuito

do PLC e o circuito de acionamento do relé, permitindo que ambos os circuito operem

com tensões diferentes, como apresenta a Figura 11.

Figura 11 Disparo de Relé.

O diodo de roda livre do Rele é o 1N4148.

4.2.1 Especificação dos Componentes.


projeto.

Componentes QuantidadeRes 1 k 1Res 47 k 1A4N25 1BC548 1BC558 / BD136 1Rele 12V 11N4148 1

Controle de Relé

Tabela 10 Lista dos Componentes Necessários para a Construção do Sistema de Saída Disparo de Relé.

26

4.2.2 Montagem do kit de Saída Controle de Relé



Figura 12

Layout do Circuito de Saída Controle de Relés.



4.2.3 Procedimento para Conexão do kit ao PLC FX1N

Como discutido anteriormente no item 4.1, o PLC opera semelhantemente a

uma chave. Desta forma, chama-se a atenção do usuário para o procedimento correto

de conectar o kit ao PLC FX1N como mostrado na Figura 14.


27

4.3 Sistema de Saída Luzes Disparo de Triac

Para o disparo de cargas, de alta potência, ligadas à rede de energia é

aconselhado o uso de TRIACS. Mantendo a finalidade de isolamento entre o PLC e o

circuito de disparo do triac, acopladores ópticos com opto-diacs serão utilizados.

Para o circuito projetado usou-se o acoplador óptico MOC3010(110V), que

possui opto-diac internamente, este acoplador é indicado para o disparo de cargas

resistivas, no caso do projeto utilizou-se uma lâmpada incandescente de 40W.

A Figura 15 apresenta o circuito projetado.

Figura 15 Circuito do Sistema de Saída Luzes Disparo de Triac.



projeto.

Componentes QuantidadeRes 330 a 1 k 1MOC3010 1TIC226 1LAMPADA 40 W 1BORNES 4

Luzes - Disparo de Triac

Tabela 11 Lista dos Componentes Necessários para a Construção do Sistema de Saída Luzes.

28

4.3.2 Montagem do kit de Saída Luzes - Disparo de Triac



Figura 16

Layout do Circuito de Saída Luzes Disparo de Triac.




Como já discutido anteriormente no item 4.1, o PLC opera semelhantemente a

uma chave. Sendo assim, chame-se a atenção do usuário para o procedimento correto



29

4.4 Sistema de Saída Ventiladores (FANS)

O circuito projetado utiliza uma interface isolada com transistor. Esta interface

é constituída pelo acoplador óptico 4N25, que faz a isolação entre a carga controlada e

o PLC.

O acoplador 4N25 é excitado pela saída do PLC, quando acionado, e fornece

uma saída digital, o qual faz o chaveamento do ventilador (FAN) pelo transistor

BC548.

A Figura 19 apresenta o circuito projetado para o sistema de saída ventiladores

(fans)

Figura 19 Circuito do Sistema de Saída Ventiladores (FANS).


A Tabela 12 apresenta a relação dos componentes necessários para a construção

do sistema projetado.

Componentes QuantidadeRES 10 k 1RES 1 k 1A4N25 1BC548 1FAN 12 V 1BORNES 4

Ventiladores (FAN)

Tabela 12 Lista dos Componentes para Construção do Sistema de Saída Ventiladores(FANS).

30

4.4.2 Montagem do kit de Saída Ventiladores (FANS)



Figura 20

Layout do Circuito de Saída Ventiladores (FANS).

A Figura 21 apresenta o Desenho da Máscara do Kit.



Como já discutido anteriormente no item 4.1, o PLC opera semelhantemente a

uma chave. Sendo Assim, chame-se a atenção do usuário para o procedimento correto



31

4.5 Sistema de Saída Sirene

Semelhantemente ao circuito do sistema de saída ventiladores (FANS), o

circuito projetado para o sistema de saída sirene, utiliza a interface isolada com

transistor. Seguindo os mesmos procedimentos que o circuito do sistema apresentado

no item 4.4.

A Figura 23 apresenta o circuito do sistema de saída sirene.

Figura 23 Circuito do Sistema de Saída Sirene.


A Tabela 13 apresenta a relação dos componentes necessários para a construção

do sistema de saída sirene.

Componentes QuantidadeRES 10 k 1RES 1 k 1A4N25 1BC548 1SIRENE 8 1

Sirene

Tabela 13 Lista dos Componentes Necessários para a Construção do Sistema de Saída Sirene.

4.5.2 Montagem do kit de Saída Sirene



32

Figura 24

Layout do Circuito de Saída Sirene.




Como discutido anteriormente no item 4.1, o PLC opera semelhantemente a

uma chave. Sendo assim, chame-se a atenção do usuário para o procedimento correto



33

5 FONTES

5.1 Introdução

Com o desenvolvimento do projeto de sistemas de entradas e saída digitais,

verificou-se a necessidade de desenvolver fontes de tensão para alimentar as interfaces

que serão conectadas ao PLC FX1N.

O projeto, a ser apresentado a seguir, consiste em uma fonte de bancada com

três opções de tensão de saída. Uma saída com 5VDC, outra com uma saída de

12VDC e uma outra fonte de 24VDC, todas elas fornecem, no máximo, 1A.

5.2 Projeto do Circuito das Fontes de 5, 12 e 24VDC.

As fontes são compostas basicamente por: C.I. s (Circuito Integrado)

reguladores de tensão da família 78XX; Retificadores de onda completa com trafo com

derivação central, que fazem a alimentação; e Filtros capacitivos.

O projeto baseou-se em circuitos disponíveis em sites de eletrônica[10] e

apostilas[11].

Estas fontes estão projetadas para serem colocadas em um gabinete, com um

fusível de entrada de 3A, uma chave seletora para tensão de entrada 110 ou 220V, uma

chave liga-desliga e LED indicador de funcionamento, cabo de alimentação e bornes

para as saídas e o terra das fontes.

A Figura 27 apresenta o circuito do projeto das fontes.

Figura 27 Circuito das Fontes de 5, 12, 24 Vcc.

34

O Transformador escolhido foi o de (15V/15V) com derivação central

CT,

pois de acordo com a Tabela 14, o mesmo pode ser utilizado respeitando os limites dos

reguladores de tensão utilizados.

Vi Io Po VoutMC7805 7 a 20 V 5,0mA < Io < 1,0A 15 W 5,0 VMC7812 14,5 a 27 V 5,0mA < Io < 1,0A 15 W 12 VMC7824 27 a 38 V 5,0mA < Io < 1,0A 15 W 24 V

Especificações

Tabela 14 Especificações dos Reguladores de Tensão[5].

Os dados do trafo escolhido são apresentados na Tabela 15.

Enrolamento Tensão (V) Corrente (A)1a. 127 0,652a. 16 5

Trafo 3 enrolamentos

Tabela 15 Dados do Trafo Escolhido.

O capacitor escolhido para o filtro capacitivo foi o 1000µF com tensão de

isolação é de 25V. Para o calculo do capacitor utilizou-se a Equação 1 e os dados do

Trafo (Tabela 15).

12

4

1

V

V

fRC m

L

, onde Vm=16V, V=2, f=60Hz, Vrms=16V e Sendo Vm/RL=IL.

Equação 1 Calculo do Capacitor de Filtro para o caso da Retificação de Onda Completa.

Como os diodos ficam sujeitos a uma tensão igual à diferença entre a tensão de

um secundário e a do capacitor, cada diodo deve suportar uma tensão de pico inversa

duas vezes o valor da tensão de pico do secundário.

Para este projeto o diodo 1N4007 foi escolhido, pois suporta uma tensão reversa

de 24 V.

Os capacitores Ci e Co são especificados no Datasheet dos reguladores de

tensão[5] utilizados.

A listagem dos componentes para construção da fonte é apresentada na Tabela

16.

35

Componentes Quantidade

Fusível (3A) 1Trafo 110/15V-15V 11N4007 6CAP 0,33 µF 3CAP 0,1 µF 3CAP 1000 µF 3LM7824 1LM7805 1LM7812 1Bornes 6

Fontes

Tabela 16 Lista dos Componentes Necessários para Construção da Fonte.

5.2.1 Montagem das Fontes de 5, 12 e 24Vcc

Para a montagem das fontes são necessários os componentes listados na Tabela

18, uma Placa de circuito impresso com o Layout apresentado na Figura 28.

Figura 28

Layout do Circuito das Fontes.

A Figura 29 apresenta o Desenho da Máscara do Kit.

Figura 29 Desenho da Mascara da Fonte DC.

5.2.2 Procedimento para Conexão da Fonte ao PLC FX1N e aos kits

Como mostrado nas figuras apresentadas nos itens anteriores, à ligação da Fonte

ao PLC somente é possível na tensão de 24VDC.

36

Na Figura 30, são apresentados os procedimentos genéricos para a conexão de

todos os kits.

Figura 30

Conexão das Fontes aos Sistemas de Entrada e de Sistemas de Saída e ao PLC.

5.3 Conclusões

Foi apresentado neste capítulo, o procedimento realizado para projetar as fontes

de 5, 12 e 24Vcc necessárias para o projeto dos sistemas de entrada e saída digitais

para controle com PLC. No capítulo a seguir será apresentado o orçamento do Projeto.

37

6 ORÇAMENTO DO PROJETO

Neste capítulo será discutido qual o procedimento realizado para o orçamento

do projeto.

6.1 Pesquisa de Preços

O preço dos componentes foram pesquisados em quatro estabelecimentos[7]

de venda de material elétrico-eletrônico localizados no centro da cidade de Vitória-ES.

A Tabela 17 apresenta a relação geral dos componentes necessários para a

construção dos kits, bem como os orçamentos dos estabelecimentos pesquisados.

38

Conponentes Quant C. Unitário C. Total C. Unitário C. Total C. Unitário C. Total

Push-Botton NF/NA 1 2,35 2,35 2,00 2,00 1,50 1,50Seletora 1 0,00 0,00 0,00Limite (Fim de Curso) 1 4,75 4,75 3,50 3,50 4,50 4,50Ch Thumbwheel 4d 1 0,00 0,00 0,00Fusível (3A) peq 1 0,20 0,20 0,25 0,25 0,35 0,35Trafo 110/15-0-15 V 1 20,85 20,85 12,00 12,00 25,90 25,901N4007 6 0,10 0,60 0,10 0,60 0,15 0,901N4148 1 0,10 0,10 0,50 0,50 0,15 0,15CAP 1000 µF 3 0,47 1,41 1,50 4,50 1,20 3,60CAP 0,33 µF 5 0,00 0,00 0,50 2,50CAP 0,1 µF 5 0,00 0,00 0,25 1,25Res 22 k 4 0,06 0,24 0,10 0,40 0,15 0,60Res 47 k 1 0,06 0,06 0,10 0,10 0,15 0,15Res 330 1 0,06 0,06 0,10 0,10 0,15 0,15RES 10 k 2 0,06 0,12 0,10 0,20 0,15 0,30RES 1 k 3 0,06 0,18 0,10 0,30 0,50 1,5074LS240 1 1,91 1,91 0,00 0,00MC1412 / ULN2002A 1 3,26 3,26 2,50 2,50 0,00LM7824 1 1,29 1,29 0,00 1,50 1,50LM7805 2 1,24 2,48 0,00 1,50 3,00LM7812 2 1,29 2,58 0,00 1,50 3,00BC558 / BD136 1 0,19 0,19 0,20 0,20 0,35 0,35BC548 3 0,26 0,78 0,20 0,60 0,30 0,90MOC3010 (110V) 1 2,95 2,95 0,00 0,00A4N25 3 1,50 4,50 0,00 4,65 13,95TIC226 1 5,95 5,95 0,00 3,75 3,75RELÉ 12V 5 2,65 13,25 0,00 4,00 20,00SIRENE 8 - 12V 1 0,00 0,00 10,90 10,90FAN 12 V (Cooler) 1 12,95 12,95 0,00 7,90 7,90LAMPADA 40 W - Inc 1 0,00 3,90 3,90 1,50 1,50Bornes 55 2,25 123,75 2,00 110,00 2,20 121,00

207,0110,35

196,66

TotalDesconto

Custo Total (R$)

Relação Geral do Componentes para Construção dos KitsEletronica I Eletronica II Eletronica III

Tabela 17

Orçamento dos Componentes por Estabelecimento.

Os valores que estão marcados foram utilizados para realizar o montante total

do custo. Todos os estabelecimentos ofereceram um desconto de apenas 5%.

6.2 Conclusões

Neste capítulo foi apresentado o procedimento realizado para o orçamento do

projeto.

Porém, as chaves seletoras e thumbwheel não foram encontradas na região

central do mercado capixaba.

39

7 CONCLUSÕES

O Projeto de Graduação, Sistema de Entrada e de Saída Digital para Simulação

de Controle com PLCS, alcançou os objetivos estabelecidos no anteprojeto. Para tal,

utilizaram-se conhecimentos das áreas de automação industrial e sistemas de controle,

bem como os adquiridos nas disciplinas de Eletrônica Básica I e II, Eletrônica de

Potencia I e II e Supervisão e Controle de Processos.

O projeto foi desenvolvido dentro do cronograma estabelecido, seguindo a

metodologia proposta e os recursos utilizados foram: microcomputador; internet, sites

de eletronica; software de editoração de texto, Word 2003; software de desenho Paint,

onde todas as figuras foram elaboradas; manual técnico do PLC FX1N e livros

técnicos disponíveis na Biblioteca Central da UFES[8,9].

Com as interfaces de entradas e saída digitais propostos, os alunos de graduação

em Engenharia Elétrica e demais cursos da comunidade acadêmica poderão

aperfeiçoar o conhecimento teórico adquirido em disciplinas que envolvam controle

lógico e seqüencial com PLCs, ampliando assim a visão de controle de processos

industriais, que muitas vezes se torna obscuro quando somente abordado teoricamente.

Visto que os recursos disponíveis nos PLCs, como a possibilidade de execução de

seqüenciamento de operações e as ações combinatórias, que são de natureza digital,

poderão ser explorados.

O projeto foi desenvolvido e elaborado para propor kits de entradas e saída

digitais para serem acoplados aos PLCs disponíveis e compor um laboratório de

treinamento em Controle Lógico e Seqüencial com PLCS.

Entretanto, algumas dificuldades para a construção dos sistemas são esperadas,

pois ao se tratar de dispositivos eletrônicos, certamente a uma incerteza quando ao

valor teoricamente calculado e do valor real que será utilizado quando implementado.

Por exemplo, é aconselhado que se utilize um tripot ao invés de resistores fixos

na entrada do sinal nos fotos-acopladores para que se possa definir um bom ponto de

disparo dos mesmos.

O ponto de disparo dos transistores também deve ser analisado, para que o

mesmo dispare corretamente.

40

No circuito projetado para o sistema de saída ventiladores, deve-se avaliar a

necessidade de um diodo de roda livre em paralelo com o ventilador, pois quando ele

for desativado, o mesmo pode liberar corrente permitindo uma sobretensão em seus

terminais, uma vez que ele têm características indutivas.

Espera-se que os sistemas propostos, possam, quando construídos, auxiliar o

desenvolvimento intelectual e prático dos alunos, contribuindo para a formação de

engenheiros eletricistas com alguma experiência em controle lógico e seqüencial

utilizando PLCs.

41

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] MANUAL DE HARDWARE DO PLC FX1N Series Programmable

Controllers, Hardware Manual, Manual Number: JY992D89301, Manual

Revision: B, Date: June 2000, MITSUBISHI.

[2] MICROPROCESSOR BASED DESIGN, J.B. Peatman, McGraw Hill Kogakusha;

ISE; 1982.

[3] FOTO CHAVE THUMBWHEEL. C&K S2 Series Subminiature Thumbwheel

Switch [online], Junho de 2005. Disponível em:

http//www.datexusa.com/images/datasheets/S2xxweel.pdf

[4] NEWTON C. BRAGA, Circuitos de Interfaces, artigo da Revista Saber

Eletrônica ano 40, nº. 382. Editora Saber ltda., novembro de 2004.

[5] FAIRCHILD SEMICONDUCTOR. LM78XX 3-Terminal 1A Positive Voltage

Regulator [online], Maio de 2005. Disponível em:

http://www.fairchildsemi.com/ds/MC/MC7805A.pdf

[6] ON SEMICONDUCTOR. SN74LS240 Octal Buffer Line Driver with 3-State

Output [online], Junho de 2005. Disponível em:

http://www.ee.washington.edu/stores/DataSheets/74ls/74ls240.pdf

[7] ELETRONICA FAE LTDA, Av Princesa Isabel 230, Vitória-ES. ELETRONICA

GORZA LTDA, Av Princesa Isabel 221, Vitória-ES. ELETROVIX LTDA, Av

Jerônimo Monteiro 594, Vitória-ES.

[8] POWER SUPPLIES. Switching Regulators, Inverters, And Converters. second

edition, Irving M. Gottieb.

[9] ELETRONICA INDUSTRIAL. Teoria e Aplicações, Cyril W. Lander, Editora Mc

Graw-Hill Ltda. São Paulo.

[10] FEIRA DE CIENCIAS, Site de Projetos Eletrônicos [online], Abril de 2005,

Disponível em: http://www.feiradeciencias.com.br/sala15/15_07b.asp

e

http://www.feiradeciencias.com.br/sala03/03_12.asp.

[11] ELETRONICA BASICA I. Apostila de Eletronica Básica I, Prof. José Denti

Filho D. Sc. UFES.

http://www.fairchildsemi.com/ds/MC/MC7805A.pdf

http://www.ee.washington.edu/stores/DataSheets/74ls/74ls240.pdf

http://www.feiradeciencias.com.br/sala15/15_07b.asp

http://www.feiradeciencias.com.br/sala03/03_12.asp

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