marielena tÓfoli ricardo akira higafatecgarca.edu.br/uploads/documentos/tcc/monografias... ·...

FACULDADE DE TECNOLOGIA DE GARÇA – FATEC

CURSO TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL

MARIELENA TÓFOLI

RICARDO AKIRA HIGA

ESTUDO COMPARATIVO ENTRE CLP E MICROCONTROLADOR

EM UM ELEVADOR DE BAIXA COMPLEXIDADE PARA CARGA

GARÇA

2014



MARIELENA TÓFOLI

RICARDO AKIRA HIGA



Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à

Faculdade de Tecnologia de Garça – FATEC,

como requisito para conclusão do Curso de

Tecnologia em Mecatrônica Industrial.

Orientador: Prof° Grad. Edson Mancuzo

GARÇA

2014



MARIELENA TÓFOLI

RICARDO AKIRA HIGA



Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à

Faculdade de Tecnologia de Garça – FATEC,

como requisito para a conclusão do Curso de

Tecnologia em Mecatrônica Industrial,

examinado pela seguinte comissão de

professores:

Data da Aprovação: 11/07/2014

_________________________________

Prof° Grad. Edson Mancuzo

FATEC Garça

_________________________________

Prof° Ms. Idelberto de Genova Bugatti

FATEC Garça

_________________________________

Prof° Ms. Gustavo Adolfo Mesquita Serva

Coraini

FATEC Garça

2

1ESTUDO COMPARATIVO ENTRE CLP E MICROCONTROLADOR EM UM

ELEVADOR DE BAIXA COMPLEXIDADE PARA CARGA

Marielena Fonseca Tófoli1

([email protected])

Ricardo Akira Higa1

([email protected])

Orientador2: Prof° Grad. Edson Mancuzo

([email protected])

Resumo: Este projeto é um estudo comparativo entre dois sistemas de controle, sendo um

Microcontrolador e outro, um Controlador Lógico Programável (CLP), com aplicação em um

transporte vertical, nomeado como elevador de baixa complexidade para carga. Os dois

sistemas tem aplicação em ambientes industriais e possuem características próprias às quais

influenciam na decisão de qual será o mais adequado para a situação. A aplicação desses

sistemas de controle em um transporte vertical é de grande auxílio para o transporte de peças

e produtos de um setor para outro. Esses sistemas podem ser utilizados principalmente, em

indústrias, prédios comerciais entre outros. O estudo comparativo entre esses sistemas de

controle tem relevância, pois abordará variáveis importantes de acordo com as especificidades

do projeto/máquina, com o objetivo de auxiliar o projetista sobre a melhor escolha do sistema.

Para a realização do mesmo, abrangeram-se áreas e projetos anteriores estudados durante o

curso, neste caso, realizar a programação dos sistemas de controle para simular, junto com a

parte eletrônica, computação e mecânica, um protótipo de um elevador de carga que será

controlado através dos sistemas de controle.

Palavras chave: Elevador. Transporte. Controle. Microcontrolador. CLP.

Abstract: The project is a comparative study between two systems of control, the

Microcontroller and Programmable Logic Controllers (PLC), with the application of a vertical

transportation, named as elevator of low complex to load. Both systems can be applied in

industrial environment, and the decision of which can be used in each situation will be

determined by their own characteristics. This control system application can be used in the

vertical transportation to help the transportation of pieces and products from a sector to

1 Alunos do Curso Tecnologia em Mecatrônica Industrial da Faculdade de Tecnologia de Garça

2 Docente do Curso Tecnologia em Mecatrônica Industrial da Faculdade de Tecnologia de Garça

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

3

another one. These systems may be used in industry, houses and commercial buildings. This

comparative study is important because it l approaches important variables according to

design/machine specificities with the objective of helping the designer about choosing the

better system. For its realization, some studies in specific areas and previous projects

developed during the course were used such as programming of control systems to simulate,

along with electronics mechanics and computing, a freight elevator prototype controlled by

control systems was built.

Keywords: Elevator. Transportation. Controll. Microcontroller. CLP.

1. INTRODUÇÃO

A automação é um sistema de equipamentos eletrônicos e/ou

mecânicos que controlam seu próprio funcionamento, quase sem a

intervenção do homem. Automação é diferente de mecanização, a

mecanização consiste simplesmente no uso de máquinas para realizar um

trabalho, substituindo assim o esforço físico do homem. Já a automação

possibilita fazer um trabalho por meio de máquinas controladas

automaticamente, capazes de se regularem sozinhas ou não. (PINTO, 2005,

p. 9).

De acordo com Pinto (2005), uma das primeiras formas que o homem utilizou para

mecanizar processos manuais com a intenção de poupar esforços, foi com invenções como a

roda, rodas d’água e moinho movido por vento e força animal. Porém, foi a partir da segunda

metade do século XVIII que a automação destacou-se, devido ao sistema de produção agrária

e artesanal transformar-se em industrial. No inicio do século XX, com a necessidade do

aumento da produção e a produtividade, surgiram uma série de inovações tecnológicas como,

por exemplo, máquinas modernas capazes de produzir com maior rapidez e precisão em

relação ao trabalho manual e, também, a utilização de fontes alternativas de energia, como o

vapor, utilizado para a substituição de energias hidráulica e muscular. “[...] a tecnologia da

automação passou a contar com computadores, servomecanismos e controladores

programáveis. Os computadores são o alicerce de toda a tecnologia da automação

contemporânea.” (PINTO, 2005, p. 10).

Segundo Goeking (2010), algumas criações foram responsáveis por criações maiores

que são utilizadas atualmente, é o caso do transistor, criado em torno da década de 1950 e é

responsável por impulsionar o desenvolvimento da automação. Com o uso do transistor e da

eletrônica, desenvolveram os primeiros computadores industriais e, também, devido à criação

4

do transistor, por volta da década de 1960 cria-se o primeiro Circuito Integrado (CI), que é

composto por vários transistores integrados em uma pastilha de silício. A partir de 1960, o

microprocessamento começou a ser comercializado e, também o surgimento dos primeiros

robôs mecânicos incorporados com sistemas de microprocessamento unindo tecnologias

mecânicas e elétricas. De acordo com Gimenez (2010), em 1968, a INTEL surge e começa a

desenvolver microprocessadores, e em 1976 ela lançou o primeiro microcontrolador, o 8048,

e após quatro anos, o microcontrolador mais famoso da história, o mesmo abordado para

estudo neste artigo, o 8051. Entretanto, microcontroladores e microprocessadores podem ser

comparados, mas é a partir deste marco, que eles tomam caminhos diferentes, porém, todos os

avanços tecnológicos existentes se devem a eles.

Para Camargo e Franchi (2013), por mais que a automação tenha sido um grande

avanço, principalmente para as indústrias automobilísticas que se adaptaram no processo

automatizado, tinham como desvantagem um sistema de controle não flexível, oferecendo

poucas opções para o mercado. Com isso, surgiu a necessidade de sistemas flexíveis, e em

1968 desenvolveram o PLC (Programmable Logic Controller) ou CLP (Controlador Lógico

Programável), tal equipamento era programado de acordo com a necessidade da produção,

onde era possível, quando necessário, alterar uma linha de produção alterando apenas a

programação (software) do CLP, e não a lógica de controle dos painéis de comando que

implicava em grande perda de tempo e dinheiro.

Com tais evoluções e desenvolvimentos, atualmente, a grande maioria dos processos

são automatizados através de sistemas de controle, tais sistemas possuem características

próprias às quais podem interferir no processo quando não são escolhidas adequadamente.

Essas características serão abordadas com um estudo comparativo entre dois sistemas

de controle, o CLP e o microcontrolador. O CLP tem um custo elevado em comparação ao

microcontrolador, porém, ele é mais completo e tem capacidade de automatizar um processo

mais complexo, já o microcontrolador é um sistema de controle com aplicação mais

específica e simples e possui um custo baixo. De acordo com essas características o trabalho

se torna relevante, pois com um estudo comparativo desses sistemas de controle, será possível

auxiliar o projetista na escolha mais adequada. Tal estudo será feito através da aplicação

desses sistemas de controle citados em um protótipo de um elevador de baixa complexidade

de carga, onde será possível analisar de cada sistema, as linguagens de programação,

interferências, custo e complexidade na montagem.

5

2. DESENVOLVIMENTO

2.1 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL – CLP/PLC

Um Controlador Lógico Programável é definido pelo IEC

(International Electrotechnical Commission) como: “Sistema eletrônico

operando digitalmente, projetado para uso em um ambiente industrial, que

usa uma memória programável para a armazenagem interna de instruções

orientadas para o usuário para implementar funções específicas, 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; CAMARGO, 2013, p. 23).

Figura 1 - CLP SIEMENS S7-300

Fonte: SIEMENS.

2.1.1 Funcionamento

O funcionamento do CLP tem base nas entradas de informações, o processamento das

mesmas e a saída de outras informações que são os resultados do processamento. Para esse

funcionamento, é necessário que ele possua uma estrutura (Fig. 2) que contenha portas de

entrada/saída (I/O), a CPU (Central Processing Unit, em português Unidade Central de

Processamento) e memória (situada no interior da CPU).

6

Figura 2 - Diagrama de blocos do CLP - Estrutura

Fonte: Adaptado de Camargo e Franchi (2013, p. 30-31).

Segundo Camargo e Franchi (2013), existem dois tipos de CLP, o Compacto e o

Modular, o CLP compacto tem como característica possuir todos os módulos necessários

(CPU, fonte de alimentação e módulos de entrada/saída) em uma única unidade, necessitando

apenas da programação e a alimentação, mas têm como limitação as portas de entrada e saída,

que já são determinadas pelo fabricante, esse tipo de CLP é normalmente empregado para

CLPs de pequeno porte. Já o modular, possui uma base (rack) e nela pode-se inserir os

módulos (entradas/saídas, CPU, fonte de alimentação e memórias), o modular tem como

vantagem, uma maior disponibilidade de portas de entrada e saída, já que se pode inserir, de

acordo com a base, mais unidades, normalmente é empregado em CLPs de grande porte, que

podem tratar de centenas de pontos de entrada/saída.

2.1.2 Estrutura/Arquitetura

O CLP é composto basicamente por:

CPU (Central Processor Unit/Unidade Central de Processamento):

Entrada

digital

Entrada

analógica

Unidade Central

de

Processamento

(CPU) Saída

analógica

Saída

digital

Fonte de

alimentação

Alimentação CA ou CC

Comunicação

Principais componentes da CPU

Processador Memória

Fonte de

Alimentação

7

É responsável por comandar todas as atividades do CLP. É a unidade responsável pela

execução do programa principal e pelo gerenciamento do processo. Ela é quem recebe as

informações das portas de entrada, processa e envia informações para as portas de saída,

gerando um ciclo e executando o programa que está armazenado na memória de programa.

Portas I/O (Input/Output) ou E/S (Entrada/Saída):

São responsáveis pela comunicação do CPU com o mundo exterior e do mundo

exterior com o CPU. São essas portas que recebem informações vindas de sensores, botões e

etc. (portas de entrada) e as que enviam informações para atuadores e válvulas (portas de

saída). As portas I/O podem ser analógicas ou digitais.

Fonte de alimentação:

Responsável pelo fornecimento da energia ao CLP.

Memória:

Memória de programa: armazena o programa principal, desenvolvido pelo

programador de acordo com o processo ou máquina que deseja controlar. Utiliza-se memória

EPROM (memória não volátil), não perdendo o programa com falta de energia.

Memória de dados: armazena temporariamente os dados do programa (por exemplo,

informações de sensores que são úteis apenas na hora do processo). Utiliza-se memória RAM

(memória volátil), perdendo os dados com a falta de energia.

2.1.3 Linguagem de Programação

“Linguagem de programação é um conjunto padronizado de instruções que o sistema

computacional é capaz de reconhecer.” (CAMARGO; FRANCHI, 2013, p. 95)

A linguagem de programação que o CLP utiliza segue uma norma, que atende ao

ponto de vista das empresas usuárias do equipamento, que seria um desperdício de recursos já

que as habilidades desenvolvidas por seus funcionários na utilização de um determinado tipo

de CLP não poderiam ser reaproveitadas caso houvesse uma substituição por outro tipo ou

fabricante. Assim, criou-se um grupo de trabalho no IEC (International Electrotechnical

Commission) para estabelecer normas de procedimentos para o controle do equipamento.

Anos depois, no inicio da década de 90, a norma foi revisada e recebeu o número IEC 61131

cuja terceira parte – IEC 61131-3 – trata de linguagens de programação.

8

A norma IEC 61131-3 definiu cinco linguagens de programação que são divididas em

dois grupos, gráficas e textuais, como mostra a tabela 1:

Tabela 1 - Descrição das linguagens segundo a norma IEC 61131-3

Texto Estruturado (ST)

Lista de Instruções (IL)

Diagrama de Blocos e Funções (FDB)

GRÁFICAS Linguagem Ladder (LD)

Sequenciamento Gráfico de Funções (SFC)

Fonte: CAMARGO; FRANCHI (2013, p. 106).

Atualmente, a mais utilizada entre os programadores é a programação em Ladder, que

é considerada mais simples de se compreender e uma aprendizagem mais rápida, devido a sua

lógica baseada em contatos e ser semelhante com a de diagramas elétricos. Nas tabelas 2 e 3,

é possível ver, respectivamente, a representação dos contatos e bobinas na programação

Ladder utilizada por alguns fabricantes de CLPs:

Tabela 2 - Símbolos Ladder para contatos, utilizados por alguns fabricantes de CLPs

Fabricante Contato Normalmente

Fechado (NF) (entrada)

Contato Normalmente

Aberto (NA)

IEC 61131-3

Allen-Bradley

Siemens S7

GE Fanuc


Tabela 3 - Representação de bobinas em Ladder por alguns fabricantes de CLPs

Fabricante Bobina (saída) Bobina Negada

IEC 61131-3

Allen-Bradley Não disponível

GE Fanuc

Siemens S7 Não disponível


TEXTUAIS

9

2.2 MICROCONTROLADOR

Um microcontrolador é um sistema computacional completo, no

qual estão incluídos uma CPU (Central Processor Unit), memória de dados e

programa, um sistema de clock, portas de I/O (Input/Output), além de outros

possíveis periféricos, tais como, módulos de temporização e conversores

A/D entre outros, integrados em um mesmo componente. (DENARDIN,

[2011?], p. 2).

Figura 3 - Microcontrolador AT89S52 (ATMEL)

Fonte: Os autores.

2.2.1 Funcionamento

De acordo com os estudos e conhecimentos obtidos no decorrer do curso em aulas

referentes à Automação Industrial e Sistemas Microcontrolados, concluímos que o

microcontrolador é um componente que tem por definição ser um sistema computacional

completo. Genericamente, os microcontroladores possuem uma CPU, memórias e portas de

entrada e saída, também possuem periféricos que são circuitos auxiliares para o controle de

dispositivos, como, por exemplo, contadores e temporizadores. Devido à integração dessas

ferramentas em um único chip, o microcontrolador é um projeto mais compacto e com custo

reduzido.

Cada microcontrolador possui uma estrutura interna de periféricos, incluindo

entradas/saídas, onde cada pino tem sua função específica, para o desenvolvimento da

aplicação (sistema de controle) é necessário o conhecimento de sua pinagem. O

microcontrolador utilizado na apresentação deste artigo é o AT89S52, e sua estrutura e

descrição de pinagem segue, respectivamente, na Figura 4 e na Tabela 4:

10

Figura 4 - Pinagem do 8051

Fonte: Datasheet ATMEL AT89S52 ([2001?], p. 2).

Tabela 4 - Descrição da pinagem do 8051

Nome Símbolo Numeração Descrição/Função dos pinos

Fonte de alimentação VCC 40 Entrada do positivo da fonte de

alimentação

Terra GND 20 Entrada do terra (GND) do circuito

Porta 0 P0.0 a P0.7 ou

AD0 a AD7

39 a 32 A porta 0 é uma porta de entrada e

saída bidirecional de 8 bits.

Porta 1 P1.0 a P1.7 e

P1.0 = T2 e

P1.1 = T2EX


saída bidirecional de 8 bits com

pullups internos. Além disso, os

pinos P1.0 e P1.1 podem ser

configurados como temporizadores

ou contadores.


A8 a A15



pullups internos.


respectivamente



11

RXD, TXD,

INT0\, INT1\,

T0, T1, WR\,

RD\

pullups internos.

A porta 3 também serve as funções

de vários recursos especiais do

AT89S52.

Reset RST 9 Entrada se Reset. Um nível lógico

alto nesse pino por dois ciclos de

máquina: enquanto o oscilador está

sendo executado, reseta o

dispositivo (inicializa alguns

registradores internos com valores

pré-definidos pelo fabricante).

Address Latch

Enable/PROG\

(pulso habilitador de

captura de endereço)

ALE/PROG\ 30 Pulso de saída que indica a um

dispositivo externo que ele deve

captar o sinal de endereço no

barramento de endereço e os dados

que estão multiplexados no tempo.

Em operação normal, o sinal de

ALE é emitido a uma razão

constante de 1/6 da frequência do

oscilador e pode ser utilizado para

fins de clock ou temporizador

externo.

Program Store

Enable (pulso

habilitador de

armazenamento de

programa)

PSEN\ 29 É o pulso de leitura para a memória

de programa externo. Quando o

dispositivo esta executando o

código da memória de programa

externa, PSEN\ é ativado duas

vezes a cada ciclo de máquina,

exceto quando existe acesso à

memória de dados externa.

External Acess

Enable Programming

Supply Voltage

EA\/VPP 31 EA\ deve ser ligado a GND para

habilitar o dispositivo a buscar

código da memória de programa

12

externa no endereço inicial de

0000h até FFFFh.

EA\ deve ser ligado a GND para

execução do programa contido na

memória ROM/EPROM interna.

Entrada do

amplificador

oscilador inversor

XTAL1 19 Entrada para o amplificador

oscilador inversor e a entrada do

circuito de operação do clock.

Entrada do

amplificador

oscilador inversor

XTAL2 18 Entrada de oscilador.

Fonte: Adaptado de Gimenez (2009, p. 22-23) e do Datasheet ATMEL AT89S52 ([2001?], p. 4-5).

Seu funcionamento é similar a de um CLP, a diferença se encontra nas portas I/O.

No microcontrolador, como mostrado na tabela 4, onde contém o nome e a disposição

do pino, que exige circuitos obrigatórios pré-definidos pelo fabricante para seu correto

funcionamento, esses circuitos devem ser conectados nos pinos do microcontrolador de

acordo com o datasheet do mesmo, no caso do microcontrolador utilizado (AT89S52), os

pinos que necessitam destes circuitos são: 40 – VCC, necessária a alimentação do

microcontrolador (5v); 20 – GND, necessário o aterramento do circuito; 9 – RST e 31 –

EA\/VPP são ligados no mesmo circuito, como mostra na Figura 5; 19 – XTAL 1 e 18 –

XTAL2, também são ligados no mesmo circuito, como mostra na Figura 6.

Figura 5 - Circuito de reset para a família de microcontroladores MCS-51 da Intel

Fonte: GIMENEZ (2009, p. 40).

R1

10k

Ch1

VCC

+ C1

10F Reset do

8051 (9)

13

Figura 6 - Circuito do sinal de relógio (clock)

Fonte: Datasheet ATMEL AT89S52Datasheet (p. 15, [2001?]).

No funcionamento do microcontrolador, inicialmente, todas as portas são consideradas

entradas, o que torna necessário definir quais são realmente entradas e quais são saídas no

programa desenvolvido para a execução. Tal programa deverá conter além da definição das

portas, a sequência lógica das instruções para executar a função desejada de controle. Esse

programa fica armazenado em uma memória do microcontrolador, que é acessada através do

processamento da CPU assim que o microcontrolador é ligado, processando e mandando

informações para as portas I/O e/ou periféricos de acordo com a lógica definida no programa

para o acionamento das saídas.

Figura 7 - Blocos básicos de microcomputadores

Fonte: GIMENEZ (2009, p. 5)

Unidade lógica e

aritmética (ALU)

Registradores

Temporizadores e

controles

Unidade de

processamento

central (CPU)

Microprocessador

Memória de armazenamento

de programa (não-volátil)

Memória de armazenamento

de dados (volátil)

Unidade de memória

Saída de informação

Entrada de

informação

Unidade de

entrada e saída

(I/O ou E/S)

14

2.2.2 Estrutura/Arquitetura

A estrutura de um microcontrolador é semelhante com a do CLP, que é composta por

uma CPU, memórias e portas I/O, com a única diferença sendo no sistema de Clock e

Periféricos.

O sistema de Clock é responsável pelo fornecimento da frequência em que o CPU

trabalha, que tem por função controlar o sequenciamento das instruções da CPU. Já os

periféricos são circuitos auxiliares que possibilitam o controle de dispositivos, tais como,

contadores, conversores analógico/digital e digital/analógico, temporizadores e entre outros.

2.2.3 Linguagem de Programação

Os microcontroladores inicialmente eram programados em linguagem Assembly,

considerando que cada microcontrolador tem um conjunto específico de instruções, ou seja, o

código de máquina. E também, os microcontroladores apresentavam uma capacidade de

memória de programa limitada, mas com o desenvolvimento tecnológico eles ganharam mais

espaço de armazenamento na memória de programa, possibilitando a utilização de novos tipos

de linguagens de programação, como por exemplo, a mais usada atualmente, a linguagem C.

O padrão definido para a linguagem C pelo ANSI (American National Standards

Institute) padroniza a operação dos compiladores utilizados para fazer a transformação dos

programas em C, que neste caso, é realizado em duas etapas: primeiramente, a programação

em C é realizada e compilada para o código Assembly, posteriormente, o compilador próprio

para linguagem Assembly gera o código de máquina que é o código que o microcontrolador é

capaz de interpretar para executar o programa.

Segundo Pereira (2005, p. 17): “Utilizando C, a curva de aprendizado de um novo

microcontrolador pode ser substancialmente reduzida uma vez que o programador tem de se

preocupar basicamente com os periféricos e não com a linguagem do chip.”, isso se dá porque

cada microcontrolador possui seu próprio código de máquina.

2.3 DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO

Para o desenvolvimento físico do protótipo, de acordo com o artigo apresentado, foi

necessário dividir a montagem em três partes: uma para o elevador, que é a estrutura física

15

para a aplicação e comparação dos sistemas de controle; uma para o CLP e outra para o

microcontrolador.

2.3.1 Elevador

Para o desenvolvimento da parte física do elevador, foram utilizados: a confecção de

um elevador em uma estrutura em madeira, três sensores indutivos que trabalham com tensões

entre 10VCC a 30VCC da FESTO, um motor utilizado originalmente em automóveis como

um levantador de vidros de 12VCC da BOSCH, uma corrente de comando de válvula

utilizada originalmente em uma motocicleta Biz, um contrapeso de acrílico e três botoeiras. O

desenvolvimento inicia-se com a fixação dos sensores em lugares estratégicos em cada andar,

garantindo um acionamento e uma parada precisa, dependendo juntamente do acionamento

das botoeiras, resultando no acionamento e parada do motor de acordo com a lógica de

programação. A transmissão do elevador é através da corrente de comando e do auxilio do

contrapeso.

Figura 8 – Vista frontal e interna do protótipo

Fonte: Os autores.

A lógica de funcionamento do elevador foi elaborada através de um fluxograma, que

auxiliou na programação nos dois sistemas de controle, como mostra no Fluxograma 1:

16

Fluxograma 1 - Fluxograma da lógica de funcionamento do elevador

Fonte: Os autores.

INÍCIO

FIM

1° Andar

(Botão 1) Sensor do

1° andar

Sensor do

1° andar

Motor liga

no sentido

horário

Desliga

motor

FIM

2° Andar

(Botão 2)

FIM

Sensor do

2° andar

Sensor do

1° andar

Sensor do

2° andar

Motor liga

no sentido

anti-horário

Desliga

motor

FIM

Sensor do

2° andar

Motor liga

no sentido

horário

Desliga

motor Sensor do

3° andar

FIM FIM

FIM

FIM

3° Andar

(Botão 1) Sensor do

3° andar

Sensor do

3° andar

Motor liga

no sentido

anti-horário

Desliga

motor

FIM

Legenda:

Sentido do fluxo de informações, a direção que o processo se move;

Representa questões/alternativas que possuem dois resultados (S/N);

Ação a se realizar;

Início e fim do fluxo;

S / N Tomada de decisão: S – Sim / N – Não.

S

N S

S N

N

N

N

N

N

N

N

N

S

S

S S

S

N

N

S

S

S

S

17

De acordo com o fluxograma 1, é possível acompanhar cada etapa do funcionamento

do elevador. A lógica de funcionamento é a mesma para ambos os sistemas de controle,

diferenciando-se apenas no modo de controle e montagem.

O funcionamento inicia-se com o pressionamento de um dos botões, tais botões estão

situados próximos a caixa de controle (caixa onde estão os circuitos eletrônicos citados no

artigo) e são considerados entradas para os dois sistemas de controle, o que se entende como

leitura de informações que precisam ser processadas, esse processamento ocorre com a analise

através da lógica definida no programa, onde a próxima condição a ser analisada são os

sensores, que dependendo do seu estado (ativo/inativo), uma saída é acionada de acordo com

a lógica de programação. Ou seja, a partir do momento em que algum botão é pressionado, o

sistema de controle faz o processamento da informação recebida e verifica qual sensor está

ativo, assim, dando a condição de acionamento do motor, podendo ser no sentido anti-horário

ou horário, a parada do elevador no andar desejado (botão pressionado) também é dada pelos

sensores, porém, o sensor que dará a ordem de parada do elevador, será o que está situado no

andar do botão pressionado. Por exemplo, ao acionar o botão do primeiro andar, de acordo

com a lógica do programa, ocorrerá uma verificação do estado do sensor do primeiro andar,

caso seu estado seja ativo (1) significa que o elevador já está naquele andar, assim, não

executará nenhuma ação; caso esteja inativo (0), significa que o elevador está no segundo ou

terceiro andar, dando a condição para o acionamento do motor no sentido horário, que faz a

descida da cabine do elevador até chegar no primeiro andar, onde ocorrerá o acionamento

(presença da cabine do elevador) do sensor do primeiro andar, que de acordo com a lógica do

programa, desliga-se o motor.

2.4 DESENVOLVIMENTO COM CLP

Para o desenvolvimento do sistema de controle utilizando o CLP, foram utilizados: um

CLP S7-300 da Siemens, software para a realização da programação em Ladder e gravação

(download) do programa no CLP, conexões com os componentes do elevador, uma fonte de

12VCC e uma placa eletrônica para o controle do acionamento das saídas. O desenvolvimento

e funcionamento iniciam-se com a programação da lógica do protótipo realizada no software

STEP7, posteriormente gravada no CLP. Em seguida, as conexões com os componentes são

feitas através das entradas e saídas do CLP, sendo conectados os sensores e botoeiras nas

entradas e, na saída o motor.

18

Quando se utiliza atuadores que exigem correntes ou tensões diferentes da fornecida

pela saída do CLP, é necessário utilizar diodos e relés para a proteção do equipamento (CLP),

evitando que queime a saída. Os diodos são usados para evitar uma corrente inversa nas

bobinas do relé. Os relés são usados para o acionamento do atuador, evitando a ligação direta

entre o CLP e o atuador. Portanto, foi feita a confecção de uma placa eletrônica que possui a

lógica de acionamento com relés e diodos citada acima (Figura 8), que tem por função fazer o

acionamento do motor que trabalha com tensão de 12VCC e corrente de 1,25A. O diagrama

esquemático da placa eletrônica pode ser visto na figura 8.

Figura 9 - Diagrama esquemático: Placa eletrônica para o acionamento do motor utilizando o CLP

Fonte: Os autores

2.5 DESENVOLVIMENTO COM MICROCONTROLADOR

Para o desenvolvimento do sistema de controle utilizando o microcontrolador, foi

utilizado: um Kit de Eletrônica Festo que utiliza uma Unidade Principal com o módulo

8051/52 (ANEXO), um microcontrolador AT89S52 da ATMEL, conexões com Kit e módulo,

software para a programação, compilação e gravação do programa em linguagem C, uma

fonte de 12VCC, três sensores indutivos que trabalham com tensões entre 10VCC a 30VCC,

três botoeiras, uma placa eletrônica para o condicionamento de sinais e interface entre o

microcontrolador e motor e uma placa eletrônica reguladora de tensão (12VCC para 5VCC) .

O desenvolvimento e funcionamento iniciam-se com a programação em linguagem C

utilizando o software DEV C++, em seguida, compila-se o programa e faz a gravação através

19

do software o ProgCnz juntamente com o Kit de Eletrônica Festo, que possui o recurso que

possibilita a gravação do microcontrolador, após o término da gravação, são feitas as

conexões entre o Kit de Eletrônica da Festo que contém o módulo com microcontrolador e as

placas eletrônicas citadas anteriormente, que tem por função controlar tensão e corrente no

circuito, evitando tensões e correntes superiores admitidas pelo microcontrolador, auxiliando

também no acionamento do motor e uma fonte de 12VCC. É valido destacar, que a placa

eletrônica citada anteriormente possui o mesmo conceito da placa eletrônica citada no

capítulo anterior (2.4, p. 18).

3. PONTOS COMPARATIVOS

3.1 RUÍDOS

Segundo Sanches (2003), com o aumento de equipamentos e aplicações que utilizam a

eletrônica embarcada, que tem por conceito ser um conjunto de hardware e software de

propósito especifico, a interferência eletromagnética se torna mais comum nos projetos.

Ainda segundo Sanches (2003), o ruído elétrico é qualquer sinal elétrico presente em

um circuito que não seja desejado pelo usuário. O ruído elétrico tem como nome genérico

Interferência Eletromagnética, em inglês EMI (Eletromagnetic Interference), e também, Por

sua vez, a interferência por radiofreqüência é uma energia elétrica contida dentro do espectro

das transmissões de ondas de rádio. A RFI (Radio Frequency Interference), conduzida é mais

facilmente encontrada nas freqüências de alguns KHz até 30MHz. A RFI por irradiação é

encontrada na faixa de freqüência que vai dos 30MHz até 10GHz

De acordo com Durval (2010), os ruídos podem ser causados tanto por fatores

externos e internos. Os fatores internos podem ser: o não aterramento correto dos

componentes, a posição dos componentes na placa eletrônica que realiza o controle, o próprio

circuito impresso (layout), a composição da placa de circuito, alimentação do circuito e o

acionamento de motores. Já para os fatores externos, temos interferências como, por exemplo,

sinais de uma emissora de TV ou rádio, vibrações, descargas atmosféricas ou fontes artificiais

como motores, fontes de potencia e circuitos chaveados.

Para os dois sistemas de controle que estão sendo comparados, o ruído pode estar

presente em ambos. Com o conhecimento e pesquisas obtidos no desenvolvimento deste

artigo e com embasamento no desenvolvimento do protótipo, observamos que a comparação

referente a ruídos entre os sistemas de controle, o microcontrolador apresentou algumas

20

características próprias. Devido o microcontrolador necessitar de uma placa auxiliar para

fazer seu controle, a maneira de evitar inicialmente os ruídos foi com o desenvolvimento do

layout, tanto na posição dos componentes quanto nas trilhas (são necessários, no caso deste

microcontrolador, alguns circuitos para o seu correto funcionamento (2.2.1 p.), e estes

circuitos tem a necessidade de ficarem próximos ao microcontrolador, evitando assim, ruídos

na inicialização deste), além disso, para evitar ruídos na parte referente à alimentação do

microcontrolador, foram utilizados dois capacitores (220uF/50V e 100nF/50V) mas também,

filtros como os TVS (Transient Voltage Suppressors) e filtros EMI são algumas das soluções.

Camargo e Franchi (2013) enfatizam, que devido o CLP ter sua aplicação voltada para

indústria, os próprios fabricantes fazem testes de possíveis ruídos que podem interferir no

funcionamento adequado do equipamento. O CLP tem como característica vantajosa sobre o

microcontrolador referente a esses ruídos, a sua própria estrutura que é mais resistente a

ambientes severos.

3.2 COMPLEXIDADE NA MONTAGEM

A complexidade da montagem para os dois sistemas de controle se diferem em dois

pontos: a parte do hardware e a parte do software.

3.2.1 Hardware

O hardware é a parte física do sistema.

Neste tópico comparativo, o CLP apresenta vantagens sobre o microcontrolador.

O microcontrolador necessita de um circuito eletrônico auxiliar para fazer o seu

controle, esse circuito eletrônico faz a interface entre o microcontrolador com as entradas

(botoeiras e sensores) e saídas (motor) e também, que tem por função, inicializar e proteger o

sistema, controlar as tensões e correntes que chegam ao microcontrolador e o acionamento do

motor. Como visto no tópico referente à microcontrolador (2.2), ele necessita de circuitos

obrigatórios, tornando a montagem de hardware mais complexa, já que exige um

conhecimento avançado da eletrônica para desenvolver os circuitos. Já o CLP, necessita

apenas de contatores ou circuitos com relés para o acionamento de atuadores, no caso deste

artigo, foi realizada a confecção de uma placa eletrônica com relés para o acionamento do

motor. As ligações que o CLP necessita são em suas entradas e saídas, que normalmente são

21

os próprios fios dos componentes utilizados neste caso, nas entradas, são os sensores e as

botoeiras; e na saída, a placa eletrônica que auxilia o acionamento do motor.

3.2.2 Software

O software é o programa que controla o modo de operação do hardware, é a lógica de

programação realizada para atender conforme as especificidades da máquina e/ou processo o

modo de execução. E mais uma vez, o CLP tem suas vantagens.

O desenvolvimento do software para o microcontrolador deve atender às linguagens

próprias, tanto quanto o CLP, porém, a linguagem de programação para o microcontrolador é

mais complexa, possui mais comandos e regras de programação. A linguagem de

programação utilizada no microcontrolador foi a Linguagem C. O microcontrolador para ser

programado necessita de um compilador e gravador, que é o que gera a linguagem de

máquina e grava o programa no equipamento. Já a linguagem de programação que foi

utilizada para programar o CLP, é a Ladder, considerada mais simples de ser compreendida,

lembrando-se que a lógica de contatos de programação é similar com a de diagramas elétricos.

E, também, o CLP não necessita de um gravador a parte, apenas tem a necessidade de um

software que permita a realização da lógica do programa e um cabo de comunicação entre PC

e CLP para fazer download e upload de programas.

3.3 CUSTO

O critério principal para as empresas decidirem se é viável ou não a implementação de

um sistema de controle é o custo. Neste tópico de avaliação, o microcontrolador é melhor,

devido ao seu baixo custo.

O protótipo foi desenvolvido com equipamentos da própria instituição de ensino,

sendo eles: o CLP, software do CLP (STEP7), os sensores indutivos, as fontes de alimentação

e o gravador do microcontrolador (Kit de eletrônica Festo). Utilizamos o CLP da instituição

devido o seu custo ser relativamente alto de acordo com as pesquisas realizadas em sites de

compras de componentes eletrônicos (SIEMENS e Tekkno Mecatrônica), tendo o custo em

torno de R$2.000,00 e o software original (a licença para o uso), para realizar a configuração

do equipamento R$5.000,00. Já o microcontrolador, de acordo com pesquisas realizadas em

sites de compra, tem o valor em torno de R$10,00 e o seu gravador R$ 100,00.

22

4. CONCLUSÃO

Com o desenvolvimento do protótipo, englobando a parte física (hardware) e a parte

de programação (software), verificando e testando seu funcionamento e suas variáveis, foi

possível concluir que a escolha adequada do sistema de controle dependerá dos três fatores

comparados, dos quais dois são mais relevantes: a complexidade de montagem e o custo, já

que com os estudos referentes a ruídos, concluímos que ambos os sistemas de controle podem

sofrer interferência, sejam elas externas ou internas. Porém podemos amenizá-las através de

circuitos de proteção e filtros, do estudo do layout da placa de circuito impresso e em qual

ambiente será aplicado o sistema de controle. De acordo com as pesquisas e testes foi

constatado que o sistema de controle CLP é mais resistente a ruídos do que o

microcontrolador, devido a sua estrutura ser pré-definida pelo fabricante com as

especificidades adequadas ao equipamento. Por outro lado, o microcontrolador necessita de

um planejamento especifico de hardware e software sempre que for utilizado para realizar um

controle, necessitando de placas auxiliares para o correto funcionamento.

Já na complexidade de montagem, o CLP é vantajoso pois não necessita

obrigatoriamente de uma placa eletrônica para auxiliar o acionamento e recebimento de sinais.

Devemos também considerar a facilidade no desenvolvimento e compreensão da programação

quando comparado com a linguagem do microcontrolador.

Em relação ao custo, o microcontrolador é o mais acessível em comparação ao CLP. O

CLP necessita de um software original do fabricante para ser configurado, o que eleva muito

o seu custo, considerando que o próprio equipamento já possui um custo elevado, enquanto

que o microcontrolador necessita apenas de um gravador próprio, e o mesmo pode ser

encontrado por baixo custo em diversas lojas de componentes eletrônicos.

Assim, concluiu-se que a escolha do sistema de controle adequado na aplicação de um

elevador de carga de baixa complexidade, apesar da dificuldade do desenvolvimento do

projeto com o microcontrolador, é a opção mais adequada para esse controle.

Tal conclusão se resultou da análise da junção dos dois fatores mais relevantes para a

comparação. Na parte de complexidade de montagem, apesar de o CLP ser menos complexo,

a sua aplicação é voltada para sistemas flexíveis onde é necessária apenas a mudança do

software para a realização de um novo controle de sistema, entretanto, o microcontrolador é o

mais exigente, tanto na parte de hardware como de software. Comparado ao CLP, o

microcontrolador tem por característica ser mais adequado para aplicações especificas, onde

não é necessário atualização ou modificação no seu software e no seu hardware, resultando

23

em apenas uma única montagem e aplicação o que leva a um baixo custo. Com isso, a escolha

do microcontrolador se tornou mais adequada devido a sua aplicação ser somente voltada para

o elevador de baixa complexidade de carga apresentado neste artigo.

REFERÊNCIAS

ATMEL. Datasheet AT89S52: 8-bit microcontroller with 8Kbytes In-System programmable

flash. Disponível em: <http://www.atmel.com/images/doc1919.pdf>. Acesso em: 16 set.

2013.

CASSIOLATO, César. EMI: interferência eletromagnética. Disponível em:

<http://www.profibus.org.br/artigos/EMI_Interferencia_Eletromagnetica.pdf>. Acesso em: 05

jun. 2014.

CETINKUNT, Sabri. Mecatrônica. Rio de Janeiro: LTC, 2008.

DENARDIN, Gustavo Weber. Microcontroladores. Disponível em:

<http://www.joinville.udesc.br/portal/professores/eduardo_henrique/materiais/apostila_micro

_do_Gustavo_Weber.pdf>. Acesso em: 25 maio 2014.

FRANCHI, Claiton Moro; CAMARGO, Valter Luis Arlindo. Controladores lógicos

programáveis: Sistemas Discretos. 2. ed. São Paulo: Érica, 2013.

GEORGINI, Marcelo. Automação aplicada: descrição e implementação de sistemas

sequenciais com CLPS. 6. ed. São Paulo: Érica, 2000.

GIMENEZ, Salvador Pinillos. Microcontroladores 8051: teoria do hardware e do

software/aplicações em controle digital/laboratório e simulação. São Paulo: Pearson Prentice

Hall, 2002.

GIMENEZ, Salvador Pinillos. Microcontroladores 8051: teoria e prática. São Paulo: Érica,

2010.

GOEKING, Weruska. Da máquina à vapor aos softwares de automação. Disponível em:

<http://www.osetoreletrico.com.br/web/component/content/articl e/57-artigos-e-materias/343-

xxxx.html>. Acesso em: 10 fev. 2014.

GOMES, Alex. Controle de máquinas e processos: a escolha entre controladores lógicos

programáveis e microcontroladores. 2013. 32 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação

em Tecnologia em Mecatrônica Industrial) - Faculdade de Tecnologia de Garça, Garça, 2013.

PINTO, Fábio da Costa. Sistemas de Automação e Controle. Disponível em:

<http://www.abraman.org.br/Arquivos/41/41.pdf>. Acesso em: 20 maio 2014.

ROSÁRIO, João Maurício. Automação industrial. São Paulo: Baraúna, 2009.

SANCHES, Durval. Interferencia eletromagnética. Rio de Janeiro: Interciência, 2003.

24

SCACHETTI, Heber A. Arquitetura de sistemas embarcados: controladores industriais,

2011. Disponível em: <http://www.ic.unicamp.br/~ducatte/mo401/1s2011/T2/Artigos/G12-

004933-t2.pdf>. Acesso em: 23 abr. 2014.

SIEMENS BRASIL. CLP Siemens S7-300. Disponível em:

<http://www.industry.siemens.com.br/automation/br/pt/automacao-e-controle/automacao-

industrial/simatic-plc/s7-cm/s7-300/Pages/Default.aspx>. Acesso em: 02 jun. 2014.

SMS. Ruídos de EMI/RFI. Disponível em: <http://www.sms.com.br/respostas-sms/sobre-

energia/disturbios-energia/ruidos/ruidos.asp>. Acesso em: 23 maio 2014.

25

ANEXO A - PLACA MICROCONTROLADA UTILIZADA NO KIT DE

ELETRÔNICA FESTO

APÊNDICE A – CIRCUITO PARA ACIONAMENTO DO MOTOR - CLP

26

APÊNDICE B – CIRCUITO REGULADOR DE TENSÃO – 12V PARA 5V

APÊNDICE C – PROGRAMAÇÃO EM C PARA O CONTROLE DA LÓGICA DE

FUNCIONAMENTO DO ELEVADOR

28

APÊNDICE D – PROGRAMAÇÃO EM LADDER PARA O CONTROLE DA LÓGICA

DE FUNCIONAMENTO DO ELEVADOR

I124.2 I124.4 I124.5 M124.1

M124.14

I124.3 I124.4 I124.6 M124.2

M124.2

I124.1 I124.5 I124.4 M124.3

M124.3

I124.5 I124.3 I124.6 M124.4

M124.4

I124.1 I124.6 I124.4 M124.5

M124.5

I124.2 I124.6 I124.5 M124.6

M124.6

M124.1 Q124.1

M124.2

M124.5

M124.4

M124.3 Q124.2

M124.6

LEGENDA: I124.1 – Botão andar 1 M124.2 – Memória sobe

I124.2 – Botão andar 2 M124.3 – Memória desce

I124.3 – Botão andar 3 M124.4 – Memória sobe

I124.4 – Sensor 1 M124.5 – Memória desce

I124.5 – Sensor 2 M124.6 – Memória desce

I124.6 – Sensor 3 Q124.1 – Motor sobe

M124.1 – Memória sobe Q124.2 – Motor desce

29

APÊNDICE E – CIRCUITO ELETRÔNICO PARA REALIZAÇÃO DO CONTROLE

UTILIZANDO MICROCONTROLADOR

30

APÊNDICE F – LIGAÇÃO DO CLP

I124.1 I124.2 I124.3 I124.4 I124.5 I124.6

Q124.1 Q124.2

CLP

SIEMENS S7-300

Botão Botão Botão Sensor Sensor Sensor Andar 1 Andar 2 Andar 3 Andar 1 Andar 2 Andar 3

Motor Motor Sent. Horário Sent. Anti-Horário

CLP

12 vcc

Circuito eletrônico auxiliar para acionamento

marielena tÓfoli ricardo akira higafatecgarca.edu.br/uploads/documentos/tcc/monografias... ·...

Documents