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FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO

A Engenharia de AutomaçãoAutomação Semestre 01/2015

Engenharia de Controle e Automação


Sistemas Dinâmicos

Classe dos Sistemas Dinâmicos:

Tempo “time-driven” Descritos por equações diferenciais na variável tempo. Contínuos no tempo.Ex.: fenômenos térmicos, químicos, ...Sinais analógicos.

Eventos “event-driven” Descritos por Álgebra de Boole, Álgebra Dióide, Autômatos finitos, redes de Petri e programas computacionais. Eventos discretos.Ex.: sistemas on-off, sim-não,...Sinais digitais.


Sistemas dinâmicos convencionais - tempo

Para classificar esses sistemas é necessário

observar os seus sinais:

Contínuo em amplitude e no tempo

Contínuo em amplitude e discreto no tempo

Discreto em amplitude e contínuo no tempo

Discreto em amplitude e no tempo


Sistemas dinâmicos – eventos discretos

São sistemas cuja a evolução decorre unicamente de eventos instantâneos, repetitivos ou

esporádicos.

Os sinais são do tipo on-off, verde-vermelho, 1-2-3..., avança-recua,... As alterações dos valores são rápidas que podem ser consideradas como instantâneas Eventos instantâneos externos constituem sinais de entrada que causam eventos discretos

internos e de saída


O Controle

Figura 1.1– Controle de temperatura elementar.

Figura 1.2- diagrama de blocos do sistema térmico.

Nesse processo (aquário), temos a necessidade de controlar a

temperatura, que é medida

através de um sensor (termômetro), que possibilita ao

controlador, fazer uma comparação com

um valor pré-ajustado (ponto de ajuste) e tomar a decisão

de ligar ou desligar o atuador

(resistor elétrico), mantendo a temperatura dentro de um

limite considerado aceitável.

As condições externas que podem influenciar na

temperatura da água, chamadas de distúrbios. A temperatura

do ambiente externo influencia

diretamente no controle, determinando uma condição diferente

de atuação no processo.

Este controle do aquário não possui precisão. Esse tipo de

controle chamamos de Liga/Desliga, o atuador (resistor)

permanece em dois estados bem definidos (nenhuma corrente

= desligado e máxima corrente =

ligado). É considerado então um controle descontínuo.


O Controle

Figura 1.3– Controle realimentado automático.

Figura 1.4- Elementos básicos de um controle realimentado.

Nesse processo de aquecimento, temos a

necessidade de controlar a temperatura, que é

medida através de um sensor (termômetro) com

sinal analógico, que possibilita ao controlador, fazer

uma comparação com

um valor pré-ajustado (ponto de ajuste) e tomar a

decisão de abrir ou fechar o atuador

(válvula proporcional), mantendo a temperatura

dentro de um limite considerado aceitável.

As condições externas que podem influenciar na

temperatura da água, chamadas de distúrbios. Este

controle do aquário possui maior precisão. Esse tipo

de controle chamamos de malha fechada, o atuador

(resistor) trabalha em uma faixa de sinal

analógico. É considerado então um controle

contínuo.


Automação

Definição: Sistema automático pelo qual os mecanismos controlam seu próprio funcionamento, quase sem a

interferência do homem.

Possui a vantagem de utilizar sistemas que envolvam diretamente a informação e a possibilidade da expansão

utilizando recursos de fácil acesso ; neste contexto, são de extraordinária importância os controladores

lógicos/automação programáveis (CLPs/CAPs – PLCs/PACs), que tornam a automação industrial uma realidade.

CLPs: Controladores Lógicos Programáveis

PLCs: Programmable Logic Controller

CAPs: Controladores de Automação Programáveis

PACs: Programmable Automation Controller


AutomaçãoCLPs ou PLCs

-Linguagens: 1 ou 2 (LD e/ou ST).

-Pode ter programação de lógica on-line mas não cria endereços de

memória on-line.

-Disciplinas de controle: Intertravamento.

-Não tem RIUP (Remove Insert Under Power).

-Alguns PLCs de grande porte gerenciam I/Os em redes.

-A CPU nos PLCs modulares deve ser sempre no slot 0.

-Programa baseado em endereços de memória pré-definidos pelo

fabricante.

Exemplo: PLC5, SLC500 e MicroLogix: B3:0/0 N7:0 ...

-No software de programação da maioria dos PLCs não é possível a

criação de blocos de controle (Add-Ons) e nem estrutura de variáveis

(Tanques, Motores, ...) e nem criação de estrutura de vetores e matrizes.

-Nos PLCs a instrução de PID é para controle básico.

-A maioria dos PLCs utilizam a unidade de medida de memória em words.

Exemplo: CPU 5/05 com 64kw.

CAPs ou PACs

-Linguagens: mínimo 4: LD, SFC, FB e ST.

-Programação de lógica e banco de dados on-line.

-Disciplinas de controle: Safety, Intertravamento, CNC, Batch,

Gestão e Controle de Drives e Motion e DCS (controle de processo).

-Tem opção de RIUP conforme o modelo do PAC.

-Todos os PACs gerenciam I/Os remotos em redes.

-A CPU nos PACs modulares podem ser instalado em qualquer slot

do rack ou chassi.

-Programa baseado em tags, ou seja, o usuário nomeia as variáveis.

Exemplo: Aux_Auto, Temp_caixa, ...

-No software de programação de todos os PACs é possível a criação

de blocos de controle (Add-Ons) e estrutura de variáveis (Tanques,

Motores, ...) e criação de estrutura de vetores e matrizes.

-Nos PACs a instrução de PID é para controle avançado (PIDE)

-Todos os PACs utilizam a unidade de medida de memória em bytes.

Exemplo: CPU do CMX L32E 750kbytes. (Controlador da bancada 1

do LAB)


AutomaçãoCLPs ou PLCs – continuação:

-Os PLCs tem scan de processamento básico como: leitura do estado

das entradas, executa o programa, escrita nas saídas e executa

comunicação.

-Nos PLCs somente pode existir uma CPU no rack ou chassi.

CAPs ou PACs – continuação:

-Os PACs tem scan de processamento conforme a prioridade e

tempo de execução das rotinas contínuas, rotinas periódicas,

rotinas por evento, prioridade de leitura e escrita das entradas e

saídas. (pipeline).

-Nos PACs podem existir mais de uma CPU no rack ou chassi.


Automação

Além da redução de custos de instalação, PLCs ou PACs proporcionam valor acrescentado muitos

benefícios:

Confiabilidade. Uma vez que um programa foi escrito e depurado, este pode ser facilmente transferido e descarregado (download) para outros Controladores. Isso reduz o tempo de programação, minimiza a depuração e aumenta a confiabilidade. Com toda a lógica existente na memória do Controlador, não há nenhuma chance de ocorrer um erro de fiação lógica. A fiação é necessária apenas para a alimentação e as entradas e saídas.


Automação

Flexibilidade. Alterações do programa podem ser feitas com poucas intervenções do programador. OEMs (fabricantes originais de equipamentos) podem facilmente implementar atualizações do sistema através do envio de um novo programa em vez de uma pessoa de serviço. Os usuários finais podem modificar o programa no campo, ou, inversamente, os OEMspodem impedir que os clientes finais possam alterar o programa (um recurso de segurança importante).


Automação

Funções avançadas. Controladores podem executar uma grande variedade de disciplinas de controle, desde uma disciplina de controle simples como uma ação repetitiva de manipulação até a manipulação de dados complexos. A padronização dos Controladores abrem muitas portas para “designers”, e também simplifica o trabalho para a equipe de manutenção do sistema.

Comunicações. Comunicando-se com interfaces de operação, outros Controladores ou a facilidade na coleta de dados pelos computadores e a troca de informações.


Automação

Velocidade. Por causa de alguns processadores de máquinas automatizadas que processam milhares de dados - e objetos que passam por uma fração de segundo na frente de um sensor – são aplicações de automação que requerem muitas vezes que o Controlador tenha a capacidade de ter uma resposta rápida.

Diagnóstico. A capacidade de resolução de problemas de dispositivos de programação e os internos ao processador possibilita obter um diagnóstico no Controlador e permite que os usuários possam facilmente encontrar e corrigir problemas de software e hardware.


Automação

Wastewater treatment facility

Packaging

Não importa qual seja a aplicação, o uso de

Controladores ajuda a aumentar a competitividade.

Processos utilizando Controladores incluem:

acondicionamento, envasamento e

embalagem, manuseio de materiais,

usinagem, geração de energia,

climatização / construção de sistemas de

controle, sistemas de segurança,

montagem automatizada,

linhas de pintura e tratamento de água.

Controladores são aplicados em uma grande variedade

de indústrias, incluindo alimentos e bebidas,

automotivo, químico, plásticos, papel e

celulose, produtos farmacêuticos e metais.

Virtualmente qualquer aplicação que requer

controle elétrico pode-se usar um Controlador.


Automação

Principais objetivos da Automação:

Reduzir custos de produção Maior nível de qualidade Controle por especificações numéricas de tolerância Maior flexibilidade de modelos de manufatura para o mercado Maior segurança coletiva para os operários Menores perdas materiais e de energia Mais disponibilidade e qualidade da informação sobre o processo Melhor planejamento e controle da produção


Arquitetura da Automação Industrial

A pirâmide da Automação Industrial:

A automação industrial exige a realização de muitas funções. A pirâmide a seguir mostra diferentes níveis de automação encontrados em uma planta industrial.

Na base da pirâmide está freqüentemente envolvido o Controlador Programável, atuando via inversores de frequência, conversores de frequência ou sistemas de partida suave sobre máquinas e motores e outros processos produtivos. No topo da pirâmide , a característica marcante é a informação ligada ao setor corporativo da empresa com sistemas de gestão “Business Intelligence”.



Nível 5: Administração dos recursos da empresa.

Softwares para gestão de vendas e financeira.

Decisão e gerenciamento de todo o sistema.

Nível 4: Nível da programação e planejamento da

produção, realizando o controle e a logística dos

suprimentos.

Nível 3: Controle do processo produtivo da planta.

Constituído por banco de dados, com informação

sobre índices de qualidade da produção, relatórios e

estatísticas de processo, índices de produtividade,

algoritmos de otimização da operação produtiva.

Nível 2: Controladores digitais, dinâmicos e lógicos, e

de algum tipo de supervisão associada ao processo.

Aqui se encontram concentradores de informações

sobre o Nível 1, e as Interfaces Homem-Máquina

(IHM)

Nível 1: É o nível das máquinas, dispositivos e

componentes (chão-de-fábrica).

ISA-S95



Controladores para Automação.

De início o Controlador Lógico Programável (CLP ou PLC) é um dispositivo digital que controla máquinas e processos. Utiliza uma memória programável para armazenar instruções e executar funções específicas: energização/desenergização, temporização, contagem, seqüenciamento, operações matemáticas e manipulação de dados.




O desenvolvimento dos CLPs começou em 1968 em resposta a uma necessidade constatada pela General Motors.




Origem: (1968/69)Naquela época, a GM consumia dias ou semanas para se alterar um sistema de controle

baseado em relés, isto ocorria sempre que se mudava um modelo de carro ou se introduziam modificações na linha de montagem. Para reduzir este alto custo, a GM especificou um sistema de estado sólido, com a flexibilidade de um computador, que pudesse ser programado e mantido pelos engenheiros e técnicos nas fábricas. Também era preciso que suportasse o ar poluído, a vibração, o ruído elétrico e os extremos de umidade e temperatura encontrados num ambiente industrial



Sistemas de Controle tradicionais com

relés e contatoras.




Os Controladores (Controladores Industriais) se caracterizam por: Robustez adequada aos ambientes industriais;

Programação por meio de computadores pessoais;

Linguagens amigáveis para o projetista de automação de eventos discretos;

Permitir tanto o controle lógico quanto o controle dinâmico (P+I+D);

Incluir modelos capazes de conexões em grandes redes de dados.



Níveis de Complexidade da Automação:

Pequena – até 200 I/Os, pequenas redes de dados (10 nós), uma IHM com tela até 6” M. ou C.,

um PC para supervisão para até 15 telas;

Média – até 1000 I/Os, médias redes de dados (60 nós), uma IHM com tela até 10” M. ou C., um

PC para supervisão para até 25 telas;

Grande – mais de 1000 I/Os, mais de uma rede de dados do mesmo protocolo ou de diferentes

protocolos, uma ou mais IHM com tela até 15” M. ou C., um ou mais PCs para supervisão com

mais de 25 telas com arquitetura servidor/cliente podendo ter redundância de servidores;



Integration Continuum

Aplicações pequenas Aplicações Compactas Grandes aplicações

Baixa Alta

Conectividade Simples

Mecanica ligada a máquina

Máquinas stand alone

Baixo custo

Apenas controle

Eixos com servo drives

Grande capacidade de controle

Controle elétrico e mecânico

Baixos custos de engenharia

Eixos coordenados

Alimentadores de robos

Conectividade avançaca

Capacidade de trocar informação

com outros sistemas

Arquitetura de Componentes Arquitetura Integrada

Uso atual dos CLPs ou PLCs Uso atual dos CAPs ou PACs


Perguntas?

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