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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA Centro de Tecnologia Departamento de Eletromecnica e Sistemas de Potncia Geomar Machado Martins Agosto de 2007 Revisado em Maro de 2012 Princpios de Automao Industrial ESP1009 Princpios de Automao Industrial Prof. Geomar M. Martins 2APRESENTAO AdisciplinaPrincpiosdeAutomaoIndustrial,ofertadaespecificamenteparao curso de Engenharia Eltrica da Universidade Federal de Santa Maria, tem por objetivos:-Compreendereaplicarumtratamentointrodutriodateoriadaautomaoaplicada transmissodesinaisdeinformao,comatenocomunicaodesinaisanalgicose digitais. Otextoqueseguefoielaboradocomafinalidadedeservirdesuporteparaesta disciplinaesurgiudapesquisadeumasriedefontes,entreelas:aliteraturatcnica especializada,materiaiscoletadosnainternet,dediversasfonteseautores,aosquais agradecemos a iniciativa de compartilhamento e universalizao do conhecimento sem fins lucrativos,denotasdecursosrealizadosedepesquisasemartigosdarea,conforme indicados nas referncias bibliogrficas de cada unidade. Esteummaterialquesofrerfrequentesatualizaes,emfunodaconstante evoluotecnolgicanareadaAutomaoIndustrial,almdoque,oprpriotextopode contereventuais erros, para os quais pedimos a colaborao dosestudanteseprofissionais queeventualmentefizeremusodomesmo,enviandoaoautorumacomunicaosobreas falhas detectadas. Alguns projetos experimentais includos no texto referem-se a trabalhos executados peloautor,juntamentecomosestudantesnoslaboratriosdocursodeengenhariaeltrica da Universidade Federal de Santa Maria. Gostaria de agradecer a colaborao das mais diversas pessoas e organismos que de alguma forma contribuem para a o desenvolvimento desta disciplina, entre elas destacando-seostcnicosZulmar,FernandoMartins,AnacletoBrondani,MarcusMolina,quese empenharam no desenvolvimento e finalizao dos mdulos didticos. Aos alunos Adriane Dutra,JooVictorBaghettiFuchs,FernandoKonzen,DiogodeVargas,ThiagoDoleski, LeandroNeis,LuisGustavoBraun,pelatutoriadadisciplina.Acoordenaodocursode EngenhariaEltricaeachefiadoDeptodeEletromecnicaeSistemasdePotncia,aos funcionrios do laboratrio Nupedee, aos grupo de pesquisa, entre outros, que colaboram para a melhoria desta disciplina. Santa Maria, 05 de Maro de 2012. Geomar Machado Martins ESP1009 Princpios de Automao Industrial Prof. Geomar M. Martins 3SUMRIO 1.Introduo Engenharia de Automao 1.1Histrico e definio da automao 5 1.2A automao nas atividades humanas5 1.3A automao no meio produtivo5 1.4Caractersticas e conceitos da automao industrial6 1.5Componentes bsicos da automao6 1.6Tipos de sistemas de sistemas de processos industriais10 1.7Tipos de controle na automao10 1.8Aspectos gerais da automao11 1.9Arquitetura da automao industrial12 1.10A viso crtica ao automatizar processos15 1.11 Tendncias da automao16 1.12O mercado atual da automao no Brasil16 2.Controlador Lgico Programvel - CLP 2.1Introduo18 2.2Histrico18 2.3Caractersticas e vantagens21 2.4Aplicaes22 2.5Constituio de um CLP23 2.6Estrutura de programao28 2.7Aspectos de software29 2.8Linguagens de programao30 2.9Terminologia30 2.10O micro-CLP35 2.11Consideraes de projeto35 3.Lgica e Linguagem de Programao 3.1Introduo37 3.2Programao de CLPs39 3.3Anlise das linguagens de programao41 3.4Normalizao42 3.5Linguagem de Rels e Blocos (Ladder)43 3.6Desenvolvimento do Programa Ladder47 3.7Associao de Contatos no Laddere Lgica Combinacional 51 3.8.Sistemas Combinatrios59 3.9Minimizao por Mapa de Karnaugh66 3.10Outros circuitos combinacionais68 4.Sistemas Sequenciais 4.1Circuitos biestveis, Flip-Flops e Latches 75 4.2Contadores81 4.3Temporizadores 86 ESP1009 Princpios de Automao Industrial Prof. Geomar M. Martins 44.4Instrues Booleanas de comparao94 4.5Instruo Positive Differential101 4.6Registrador de deslocamento101 4.7Instrues Aritmticas104 4.8Outras instrues da linguagem Ladder104 5.Entradas e Sadas Analgicas 5.1Introduo106 5.2Entradas analgicas106 5.3Sadas analgicas116 5.4Sensores e Atuadores119 6.Controle Contnuo 6.1Introduo123 6.2Controle de sistemas com atuadores lgicos123 6.3Controle de sistemas com atuadores contnuos124 6.4Aplicao da funo PID em lgica Ladder127 7.Interface Homem-Mquina 7.1Introduo129 7.2IHM via www com CLP132 7.3Especificao da IHM133 7.4Aplicao da Interface Homem-Mquina OP05/06133 8.Noes de Sistemas Supervisrios 8.1Introduo136 8.2Caractersticas do software supervisrio137 8.4Sistemas SCADA138 8.4Componentes fsicos de um sistema supervisrio139 8.5Componentes lgicos de um sistema SCADA 141 8.6Camadas fsicas de um sistemas de superviso141 8.7Planejamento do sistema supervisrio145 8.8Modos de comunicao145 8.9Aplicao do supervisrio Elipse E3147 9.Noes de Redes Locais 9.1Introduo150 9.2Meio fsico150 9.3Protocolos de comunicao151 9.4Estrutura das redes de comunicao152 9.5Mtodos de acesso ao meio154 ESP1009 Princpios de Automao Industrial Prof. Geomar M. Martins 5UNIDADE I Introduo Engenharia de Automao 1.1Histrico e definio da automao Etimologia:Da palavra Automation (1960), buscava enfatizar a participao do computador no controle automtico industrial. Definio atual: Qualquer sistema, apoiado em computadores, que substitui o trabalho humano, em favordaseguranadaspessoas,daqualidadedosprodutos,rapidezdaproduoouda reduo de custos, assim aperfeioando os complexos objetivos das indstrias, dos servios ou bem estar (Moraes e Castrucci, 2007). 1.2A automao nas atividades humanas Criada para facilitar a realizao das mais diversas atividades humanas, a automao pode ser observada: Nasresidncias:naslavadorasderoupasedelouasautomticas;nosmicroondas;nos controles remotos de portes de garagem, etc.Narua:noscaixasdebancosautomticos;noscontroladoresdevelocidadesde automoveis; nos trens do metr; nos cartes de crdito, etc.No trabalho: nos registradores de ponto automtico; nos robs industriais; no recebimento dematria-primaatravsdeumsistemaautomticodetransportedecarga;na armazenagemdoprodutofinalnumdepsitoautomatizado;nocontroledequalidade atravs de sistemas de medio e aferio; no controle de temperatura ambiente ou de uma coluna de fracionamento de petrleo; nos sistemas de combate incndios, etc.No lazer: em mquinas automticas de refrigerantes ; em esteiras automticas de academia; nos aparelhos de reproduo de vdeo ou DVD players; nos videogames, etc. 1.3A automao no meio produtivo O processo industrial constitui-se na aplicao do trabalho e do capital para transformar amatria-primaembensdeproduoeconsumo,pormeiosetcnicasdecontrole, obtendo valor agregado ao produto, atingindo o objetivo do negcio. Processo Industrial Contnuo: Quando a maioria das variveis de controle manipulada so na forma contnua, ou analgica. (Indstria Qumica, farmacutica...) ProcessoIndustrial Discreto: Quandoamaioria das variveis de controlemanipulada na forma discreta ou digital. ESP1009 Princpios de Automao Industrial Prof. Geomar M. Martins 61.4Caractersticas e conceitos da automao industrial AAutomaoumconceitoeumconjuntodetcnicaspormeiodasquaisse constroemsistemasativoscapazesdeatuarcomeficinciatimapelousodeinformaes recebidas do meio sobre o qual atuam. Na Automao Industrial se renem trs grandes reas da engenharia: 1.Amecnica,atravsdasmquinasquepossibilitamtransformarmatriasprimasem produtos acabados. 2.Aengenhariaeltricaquedisponibilizaosmotores,seusacionamentoseaeletrnica indispensvel para o controle e automao das malhas de produo; 3.Ainformticaqueatravsdasarquiteturasdebancosdedadoseredesdecomunicao permitem disponibilizar as informaes a todos os nveis de uma empresa. Assim, a automao, to presente nas atividades humanas, est presente tambm nos processos industriais, com o mesmo objetivo bsico, que facilitar os processos produtivos, permitindo produzir bens com : menor custo;maior quantidade;menor tempo;maior qualidade.Olhandoporesteaspecto,vemosqueaautomaoestintimamenteligadaaos sistemas de qualidade, pois ela que garante a manutenode uma produo semprecom asmesmascaractersticasecomaltaprodutividade,visandoatenderoclientenummenor prazo, com preo competitivo e com um produto de qualidade. Pensandonomeioambiente,observa-setambmqueaautomaopodegarantiro cumprimentodasnovasnormasambientais,atravsdesistemasdecontroledeefluentes (lquidos que sobram de um processo industrial), emisso de gases, possibilidade de uso de materiais limpos, reciclagem, etc. Portanto,aautomaotempapeldemuitaimportncianasobrevivnciadas indstrias,poisgaranteamelhoriadoprocessoprodutivoepossibilitaacompetionesse mercado globalizado, onde o concorrente mais prximo pode estar do outro lado do mundo. 1.5Componentes bsicos da automao Sistemasautomatizadosso,algumasvezes,extremamentecomplexos,porm,ao observarsuaspartesnota-sequeseussubsistemaspossuemcaractersticascomunsede simplesentendimento.Assim,formalmente,umsistemaautomatizadopossuiosseguintes componentes bsicos: sensoriamento;comparao e controle;ESP1009 Princpios de Automao Industrial Prof. Geomar M. Martins 7atuao. Exemplo 1 - Um aqurio e a temperatura de sua gua. Num aqurio deve-se manter a gua em torno da temperatura ambiente (25C). No necessrio ser muito rigoroso sendo que a temperatura pode variar de 23 a 28C. Nota-se que a temperatura da gua pode variar e deve ser ajustada de acordo com a necessidade. Considere o esquema a seguir: Figura 1.1 Controle de temperatura automatizado em um aqurio. Nesteexemplopodemseridentificadososcomponentesbsicosdaautomao (processo, sensor, atuador, controle e distrbio): -O processo (aqurio), que requer o controle da temperatura.-O sensor de temperatura, constitudo pelo termmetro de mercrio;-O controlador, estabelecido pelo acoplamento de um sistema mecnico de ajuste ao termmetro.Estesistemamecnicomovimentaumcontatometlicoaolongodo corpodotermmetro.Elepermiteaocontrolador,fazerumacomparaocomum valor pr-ajustado (ponto de ajuste) e tomar a deciso de ligar ou desligar o atuador (resistncia), mantendo a temperatura dentro de um limite considerado aceitvel.-Odistrbiorepresentadopelascondiesexternasquepodeminfluenciarna temperatura da gua. A temperatur