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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
FELIPE SUCHEK
PROPOSTA DE LABORATÓRIO DIDÁTICO DE AUTOMAÇÃO PARA
ENGENHARIA ELÉTRICA
CURITIBA
2016
FELIPE SUCHEK
PROPOSTA DE LABORATÓRIO DIDÁTICO DE AUTOMAÇÃO PARA
ENGENHARIA ELÉTRICA
Trabalho de Conclusão de Curso de
Graduação em Engenharia Elétrica da
Universidade Federal do Paraná,
apresentado como requisito parcial à
obtenção do título de Bacharel em
Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Dr. James Alexandre
Baraniuk
CURITIBA
2016
TERMO DE APROVAÇÃO
FELIPE SUCHEK
PROPOSTA DE LABORATÓRIO DIDÁTICO DE AUTOMAÇÃO PARA ENGENHARIA ELÉTRICA
Trabalho de conclusão de curso aprovado como requisito parcial para obtenção do
grau de Bacharel em Engenharia Elétrica, Setor de Tecnologia, Universidade
Federal do Paraná, pela seguinte banca examinadora:
___________________________________
Prof. Dr. James Alexandre Baraniuk
Orientador - Departamento de Engenharia Elétrica, UFPR
___________________________________
Prof. Dr. João da Silva Dias
Departamento de Engenharia Elétrica, UFPR
___________________________________
Prof. Dr. Clodomiro Unsihuay Vila
Departamento de Engenharia Elétrica, UFPR
Curitiba, 13 de Dezembro de 2016.
RESUMO
O amplo desenvolvimento dos sistemas automatizados e a carência por profissionais capacitados neste segmento motivou o desenvolvimento deste trabalho. É de extrema importância que os estudantes obtenham conhecimento teórico e prático sobre automação industrial. Este trabalho tem como objetivo propor um protótipo de laboratório de automação industrial e roteiros de atividades práticas que possam ser desenvolvidas a partir do protótipo proposto. O trabalho traz a especificação dos equipamentos que devem ser adquiridos para a montagem de um protótipo básico de automação industrial, o diagrama elétrico para montagem dos equipamentos, proposta nos padrões do Fundo de Desenvolvimento Acadêmico para que a Universidade Federal do Paraná possa solicitar verba para investimento e os roteiros de atividades práticas para que os estudantes possam desenvolver os seus conhecimentos sobre o tema. Como validação do projeto foram realizadas atividades práticas com alguns estudantes e técnicos de laboratório da Universidade Federal do Paraná. Os estudantes que participaram das atividades mostraram-se satisfeitos e entusiasmados com a possibilidade de existir um laboratório de automação.
Palavras-chave: CLP, IHM, DALI, Protótipo, Laboratório Didático, Automação
Industrial
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIGURA 1 - PIRÂMIDE DA AUTOMAÇÃO ............................................................... 13
FIGURA 2 - DALI STAND ALONE ............................................................................ 17
FIGURA 3 - TOPOLOGIA DO CONJUNTO DIDÁTICO DE AUTOMAÇÃO
PROPOSTO .............................................................................................................. 19
FIGURA 4 - CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL ....................................... 21
FIGURA 5 - MÓDULOS DE EXPANSÃO .................................................................. 21
FIGURA 6 - INTERFACE HOMEM MÁQUINA .......................................................... 22
FIGURA 7 - INVERSOR DE FREQUÊNCIA MODULAR ........................................... 23
FIGURA 8 - PROTÓTIPO MONTADO ...................................................................... 25
FIGURA 9 – DIAGRAMA ELÉTRICO DO PROTÓTIPO DESENVOLVIDO .............. 25
FIGURA 10 - CPU1214C .......................................................................................... 37
FIGURA 11 - PLACA DE SINAL SB1232 .................................................................. 38
FIGURA 12 - PESQUISA REALIZADA COM ESTUDANTES APÓS A REALIZAÇÃO
DAS ATIVIDADES PRÁTICAS .................................................................................. 41
LISTA DE SIGLAS E ABREVIAÇÕES
CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
CLP - Controlador Lógico Programável
CNI - Confederação Nacional da Indústria
CPU - Central Processing Unit
DALI - Digital Addressable Lighting Interface
DIN - Deutsches Institut für Normung
ESN - Energi Savr Node
IEC - International Electrotechnical Commission
IHM - Interface Homem-Máquina
IP - Internet Protocol
KB - Kilobyte
LED - Light-Emitting Diode
NBR - Norma Brasileira
SCE - Siemens Automation Cooperates with Education
TCC - Trabalho de Conclusão de Curso
TCP - Transmission Control Protocol
TIA - Totally Integrated Automation
UFPR - Universidade Federal do Paraná
UNEXPO Universidad Nacional Experimental Politécnica
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 9
1.2 OBJETIVOS ................................................................................................... 9
1.3 JUSTIFICATIVA ........................................................................................... 10
1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO ..................................................................... 11
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .......................................................................... 12
2.1 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL ........................................................................ 12
2.2 LABORATÓRIOS DIDÁTICOS DE AUTOMAÇÃO ...................................... 14
2.3 PROTOCOLO DALI ..................................................................................... 16
3 DESCRIÇÃO DO PROJETO .............................................................................. 18
3.1 TOPOLOGIA ................................................................................................ 18
3.2 ESPECIFICAÇÃO DOS COMPONENTES .................................................. 20
3.3 PROTÓTIPO ................................................................................................ 24
3.4 DIAGRAMA ELÉTRICO ............................................................................... 25
3.5 ROTEIROS DE ATIVIDADES PRÁTICAS ................................................... 26
3.5.1 Roteiros envolvendo CLP ...................................................................... 26
3.5.2 Roteiros envolvendo a IHM ................................................................... 28
3.5.3 Roteiros com Inversor de Frequência .................................................... 29
3.6 FUNDAMENTOS DA PROGRAMAÇÃO DO CLP ........................................ 30
3.6.1 Dados, Variáveis, Constantes e Operadores ......................................... 31
3.6.2 Diagrama Ladder ................................................................................... 32
3.7 CUSTOS ...................................................................................................... 35
4 MATERIAL E MÉTODOS ................................................................................... 37
4.1 MATERIAL ................................................................................................... 37
4.2 MÉTODOS ................................................................................................... 39
5 ANÁLISE DOS RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................. 40
5.1 O PROTÓTIPO E O DIAGRAMA ELÉTRICO .............................................. 40
5.2 REALIZAÇÃO DAS ATIVIDADES PRÁTICAS COM OS ESTUDANTES ..... 40
5.3 RESULTADO DA PESQUISA ...................................................................... 41
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................... 43
REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 45
APÊNDICE 1 - INSTALAÇÃO DO CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL ..... 47
APÊNDICE 2 - APRESENTAÇÃO DO SOFTWARE DE PROGRAMAÇÃO E
ESTABELECIMENTO DA COMUNICAÇÃO ENTRE O COMPUTADOR E O
CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL ........................................................... 51
APÊNDICE 3 – TUTORIAL DE CRIAÇÃO DE UM NOVO PROJETO NO
SOFTWARE DE PROGRAMAÇÃO TIA PORTAL V13 ............................................. 57
APÊNDICE 4 – TUTORIAL DE CRIAÇÃO DOS BLOCOS DE FUNÇÕES NO
SOFTWARE TIA PORTAL V13 ................................................................................. 72
APÊNDICE 5 – CONEXÕES ELÉTRICAS DOS DISPOSITIVOS DE CAMPO ÀS
ENTRADAS E SAÍDAS DIGITAIS DO CLP ............................................................... 79
APÊNDICE 6 – TUTORIAL DE UTILIZAÇÃO DA INTERFACE HOMEM MÁQUINA 80
APÊNDICE 7 – TUTORIAL DE PERSONALIZAÇÃO DAS TELAS DA IHM
CONFORME PROJETO DESENVOLVIDO NO CLP ................................................ 87
APÊNDICE 8 – TUTORIAL DE UTILIZAÇÃO DAS VARIÁVEIS ANALÓGICAS DO
CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL ......................................................... 101
APÊNDICE 9 – PROPOSTAS DE EXERCÍCIOS PRATICOS PARA UTILIZAÇÃO DO
CLP E DA IHM ........................................................................................................ 105
APÊNDICE 10 – TUTORIAL DE UTILIZAÇÃO DO INVERSOR DE FREQUÊNCIA
107
APÊNDICE 11 – PROPOSTAS DE EXERCÍCIOS PRÁTICOS COM INVERSOR DE
FREQUÊNCIA E INTEGRAÇÃO COM O CLP E COM A IHM ................................ 117
9
1 INTRODUÇÃO
Na atualidade, a automação industrial está em grande evidência, pois tudo
está se automatizando e se modernizando. A automação industrial surgiu nos
tempos da Revolução Industrial, onde se buscava a produção em série de produtos.
Os vem se aprimorando os processos em busca da melhoria da qualidade dos
produtos produzidos e do aumento da produtividade em busca da competitividade.
No Brasil, pela visão da Confederação Nacional da Indústria, a automação
industrial está atrasada em relação a outros países. As máquinas automatizadas
surgiram a partir da década de 90 no Brasil. A intensificação das políticas de apoio à
inovação deve aumentar a demanda por automação. Dos mais diversos setores
industriais brasileiros, 43% deles demandam por automação dos seus processos
(CNI, 2013).
Pesquisa feita pela Pollux Automation, publicada na revista o Amanhã em
14/07/2015 mostra que, a falta de capacitação tecnológica, desconhecimento das
tecnologias, falta de capacidade técnica das empresas e a baixa oferta de
provedores e integradores de tecnologia, representam 23% dos fatores que
impedem o avanço mais rápido da automação industrial no Brasil (AMANHÃ, 2015).
A proposta do presente trabalho consiste na sugestão de implementação de
um sistema de automação que possa simular um ambiente industrial, ambiente este
que alguns dos estudantes irão se deparar quando ingressarem no mercado de
trabalho. O projeto prevê roteiros de estudos que poderão ser utilizados pelos
estudantes para a realização de atividades didáticas, relacionadas a disciplinas
teóricas as quais são submetidos ao longo do curso de Engenharia Elétrica desta
universidade. Este trabalho, contempla também a modernização do laboratório de
acionamentos, PK-12, já existente no Departamento de Engenharia Elétrica da
Universidade Federal do Paraná.
1.2 OBJETIVOS
De forma a orientar as atividades a serem executadas, este trabalho está
orientado pelo objetivo geral de
10
“Propor um protótipo de laboratório didático de automação com
roteiros de estudos e experimentos para os estudantes de Engenharia
Elétrica.”
Para que possa ser atingido o objetivo geral, pretende-se atender aos
seguintes objetivos específicos:
Elaboração de roteiros de atividades ligadas á programação de
controladores lógicos programáveis, interfaces homem-máquina e
parametrização de inversores de frequência;
Elaboração de tutorial de utilização de equipamentos baseado no
protocolo DALI para o controle automático em sistemas de iluminação;
Desenvolvimento do projeto do protótipo com controlador lógico
programável, interface homem-máquina e inversor de frequência;
Implementação física do protótipo proposto a fim de realizar as atividades
de programação e parametrização dos equipamentos;
Validação das atividades propostas com estudantes e/ou técnicos do
Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do
Paraná;
Obtenção de um projeto nos padrões do Fundo de Desenvolvimento
Acadêmico.
1.3 JUSTIFICATIVA
Devido à importância do aprendizado prático e a vivência com situações
reais que os estudantes irão enfrentar quando ingressarem no mercado de trabalho,
está sendo proposto a reformulação e a modernização do laboratório de
acionamentos, PK-12, no prédio de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do
Paraná.
É importante que os alunos tenham acesso a este tipo de laboratório,
complementando o seu conhecimento no tema Automação Industrial para que
estejam preparados para solucionar problemas encontrados na indústria similares
aos propostos nos roteiros de atividades deste trabalho.
11
Esta proposta traz também, a contribuição de uma tecnologia pouco
difundida no ambiente acadêmico brasileiro, permitindo que alunos se familiarizem
com sistemas de controles de iluminação automáticos, permitindo que novos
trabalhos possam integrar o sistema de iluminação Stand-Alone com outros
sistemas de automação predial ou até mesmo em sistemas supervisórios.
1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO
O presente trabalho é dividido em seis capítulos. Inicialmente composto por
uma fundamentação teórica sobre os assuntos relevantes a este projeto, pela
proposta elaborada, materiais e métodos utilizados, análise dos resultados, e por fim
pelas conclusões e possíveis trabalhos futuros.
No primeiro capítulo realiza-se a introdução com a apresentação geral do
projeto, onde é feita a contextualização dos assuntos que serão abordados.
No capítulo 2 está apresentada a fundamentação teórica, onde está
apresentados o histórico e alguns conceitos relacionados à automação industrial,
controladores lógicos programáveis, interfaces homem máquina, inversores de
frequência e o protocolo DALI (Digital Addressable Lighting Interface).
Na descrição do projeto, apresentado no terceiro capítulo está descrito a
topologia do laboratório didático de automação explicitando o diagrama elétrico do
protótipo e a topologia do sistema de iluminação automático baseado no protocolo
DALI.
Os materiais e métodos utilizados na elaboração do trabalho estão
detalhados no capítulo 4. Foram descritos os equipamentos utilizados na montagem
do protótipo do laboratório didático de automação e do sistema de iluminação com
controle automático de forma que qualquer pessoa que tenha interesse em recriar o
protótipo consiga fazer. Também estão apresentados os métodos utilizados para se
obter os resultados esperados para o presente projeto.
No capítulo 5 foram feitas as análises dos resultados obtidos a partir do
laboratório didático de automação proposto.
Finalmente, no capítulo 6 estão descritas as conclusões referentes ao
presente trabalho, com ênfase nos trabalhos futuros que poderão ser desenvolvidos
a partir deste.
12
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Para a fundamentação teórica, realizou-se a busca de livros e artigos
relacionados a laboratórios para o ensino de automação. Os artigos foram extraídos
a base de dados de periódico da CAPES. Neste capítulo estão apresentadas as
informações encontradas relacionadas aos laboratórios de automação voltados ao
uso didático, aos controladores lógicos programáveis, aos inversores de frequência
e aos sistemas de iluminação com tecnologia DALI.
2.1 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
A palavra automação, do inglês automation, surgiu na década de 60 na
indústria de equipamentos com o objetivo de enfatizar a participação dos
computadores no controle automático industrial. Hoje todo e qualquer sistema que
substitua o trabalho humano visando soluções rápidas, econômicas e seguras para
atingir os objetivos das indústrias e demais áreas são chamados de automação.
Sempre utilizando computadores no processamento das informações, existem
sistemas de automação industrial, automação residencial, automação comercial
entre tantas outras (CASTRUCCI e MORAES, 2007).
Um dos motivos da implementação da automação na indústria, foi a
necessidade da redução de custos de trabalho, ou seja, em uma linha de produção
automatizada a quantidade de operadores é menor que em uma linha manual. Além
da redução dos custos de trabalho a automação traz maiores níveis de qualidade,
otimização na utilização da matéria prima produtiva, maior qualidade e controle das
informações relativas ao processo e um melhor planejamento (CASTRUCCI e
MORAES, 2007).
Inicialmente as linhas de produção automatizadas eram baseadas em
sistemas de controle através de relés, temporizadores e contatores. Os sistemas
compostos por relés eram eficientes até que fosse necessário realizar uma alteração
na linha de produção, porém na indústria automobilística o lançamento de um novo
modelo implicava diretamente na alteração da linha o que resultava no dispêndio de
dias ou semanas para adaptar a lógica de relés a nova realidade produtiva. Com
isso, em 1968 a General Motors iniciou o desenvolvimento de controladores lógicos
programáveis (CLPs) que são dispositivos digitais que controlam máquinas e
13
processos e vieram substituir os sistemas baseados em lógica de relés. A
modificação da lógica dos comandos em Controladores Programáveis consiste
basicamente na alteração do software e não do hardware, diferentemente de
sistemas baseados em circuitos de relés (CASTRUCCI e MORAES, 2007).
Através dos Controladores Programáveis é possível automatizar uma
infinidade de ações com confiabilidade, precisão e rapidez. As informações dos
dispositivos de campo são recebidas, analisadas, processadas e decisões são
tomadas. As decisões se tornam comandos enviados às saídas tudo isso em
intervalos de tempo da ordem de microssegundos.
Um sistema de automação industrial não se restringem a utilização dos
CLPs no controle lógico e dinâmico de uma máquina ou processo. Normalmente
este controlador estará interligado a sistemas supervisórios, interfaces homem-
máquina e demais equipamentos industriais através de redes de comunicação. Essa
interligação visa auxiliar operadores a supervisionar e analisar os problemas que
possam ocorrer (CASTRUCCI E MORAES, 2007).
A Figura 1 representa o que chamamos de Pirâmide de Automação, com os
diferentes níveis de automação encontrados em uma planta industrial.
FIGURA 1 - PIRÂMIDE DA AUTOMAÇÃO
FONTE: http://www.automacaoindustrial.info/a-piramide-da-automacao-industrial/
Acessado em 04/04/2016 às 17:20
14
2.2 LABORATÓRIOS DIDÁTICOS DE AUTOMAÇÃO
Segundo Alayón, González e Toledo (2013), em Automação o conteúdo
teórico é importante, mas o conhecimento prático também o é, por isso a
importância da concepção de laboratórios experimentais modernos destinados à
educação em instituições de ensino de engenharia. O laboratório deve estabelecer
um método para ensinar os conceitos que são envolvidos na Automação Industrial.
Ensinar sobre Controladores Lógicos Programáveis é um dos principais objetivos
devido a sua ampla utilização na indústria nos dias de hoje. Ele deve contemplar
equipamentos modernos, atraentes, motivadoras e oferecer conhecimentos
complementares dos principais desenvolvimentos ocorridos no chão de fábrica
recentemente.
Alayón, González e Toledo (2013), propuseram um projeto de laboratório
baseado no conceito Smart House, onde o objetivo é a casa se autocontrolar por
meios de dispositivos automáticos. Um CLP foi aplicado no projeto para realização
do controle centralizado das tarefas automatizadas como controle de iluminação,
abertura e fechamento da porta da garagem, elevador, detecção de intrusos e
alarmes. Por ser um produto industrial, o CLP não é utilizado normalmente para
automações prediais, no qual são sugeridos sistemas de controle distribuído de
acordo com os padrões como, por exemplo, a norma KNX. Foi definido o uso do
CLP ao KNX principalmente pela importância de aprendizado neste tipo de
equipamento quando se trata de automação no ambiente educacional (ALAYÓN,
GONZÁLEZ E TOLEDO, 2013).
O projeto de Alayón, González e Toledo (2013) teve como objetivo principal
melhorar a aprendizagem de conceitos abstratos que envolvem a operação de
equipamentos eletrônicos, sensores e atuadores através de experimentos de
laboratório. Compreender o funcionamento de um CLP, melhorar a habilidade de
programação dos alunos e a transferência do conhecimento teórico para problemas
e situações reais introduzindo conceitos de automação através de problemas
práticos. Concluíram que o laboratório projetado por eles é uma excelente
ferramenta educacional para os alunos por permitir o aprendizado sobre o uso e os
benefícios da modelagem, e da simulação que constitui uma excelente base para a
detecção e eliminação dos erros da configuração do sistema de da programação. Os
experimentos realizados no laboratório permitem aos alunos aplicar e complementar
15
os conhecimentos adquiridos em aulas teóricas. Esta experiência mostrou-se
atraente e motivadora para os alunos(ALAYÓN, GONZÁLEZ E TOLEDO, 2013).
Ospina et al (2014) propuseram a estrutura de um laboratório remoto utilizando o
potencial da Internet e as diferentes tecnologias de virtualização existente para
integrar estas novas tecnologias em laboratórios com máquinas elétricas e
automação, onde normalmente é exigida a presença física para acesso a eles. A
proposta foi apresentada como ferramenta de apoio para o desenvolvimento das
atividades práticas remotamente do curso de automação industrial oferecidos aos
estudantes da Universidade Nacional da Colômbia (OSPINA et al, 2014).
Ospina et al (2014) sugeriram a utilização da interface gráfica NETLAB como
ponte e gerenciador de acesso aos equipamentos e softwares de automação e
controle presentes fisicamente no laboratório de automação. NETLAB é uma
plataforma de laboratório para uso acadêmico. Através desta plataforma professores
e alunos podem acessar remotamente o laboratório com equipamentos reais,
portanto é uma alternativa a presença física em sala de aula para realização dos
experimentos propostos. Ele permite acesso aos equipamentos do laboratório vinte
e quatro horas por dia, sete dias por semana com isso os professores podem
despender mais tempo ensinando e menos tempo na gestão das atividades em
laboratório. Os recursos laboratoriais podem ser compartilhados entre as
Universidades, alunos podem trabalhar em grupos sem a necessidade de estar no
mesmo local físico. Todas as atividades realizadas pelos alunos são registradas no
sistema, permitindo os professores avaliar o desempenho do aluno no laboratório
mesmo não estando presente durante as atividades(OSPINA et al, 2014).
Da mesma forma que Alayón, González e Toledo, Zerpa et al citam a
importância de atividades práticas que materializam os conhecimentos teóricos de
novas tecnologias adquiridos em sala de aula e permitem que os estudantes tornem-
se mais competentes para enfrentar o atual ambiente de trabalho, exigente e de
rápida mudança. O projeto proposto por eles envolve o desenvolvimento de uma
automação de processo em um laboratório remoto onde a programação e controle
do processo se dá através da Internet. O sistema foi instalado no Laboratório de
Automação Industrial da Universidade Nacional Experimental Politécnica “Antonio
José de Sucre” (UNEXPO) Vicerrectorado Barquisimeto. A arquitetura do sistema
instalado contempla uma rede de instrumentação com sensores e atuadores
industriais e um sistema de controle industrial com conexão com a internet.
16
Propuseram utilizar um CLP com comunicação TCP/IP e protocolo de comunicação
Modbus, uma câmera com conexão Ethernet que permite a visualização através de
uma página na internet e um protótipo que reproduz a realidade de um processo
industrial de preparação de alimentos (ZERPA et al, 2009).
Zerpa et al (2009), concluíram que o projeto de laboratório de automação
remoto é um incentivo aos estudantes pois traz o contato com modelos reais de
processos industriais, de modo que eles podem executar tarefas de controle,
monitorar variáveis, alterar algoritmos de controle em vez de ter contato apenas com
simulações de softwares ou interruptores e LEDs(ZERPA et al, 2009).
2.3 PROTOCOLO DALI
Sistemas de barramento de instalação vêm sendo desenvolvidos desde a
década de 1980. Esses sistemas permitem a comunicação digital entre todos os
componentes de um sistema de iluminação. Antigamente os sistemas de iluminação
tinham como único objetivo fornecer uma quantidade adequada de luz para
realização nas tarefas num determinado ambiente. Hoje em dia busca-se conforto,
funcionalidade e conservação de energia nestes sistemas. Os sistemas existentes
baseados em interruptores e dimmers não estão aptos a atender esta demanda e os
controles com interface analógica não apresentam flexibilidade nem são capazes de
controlar individualmente as luzes de um sistema de iluminação (DALI AG, 2001)
Em sistemas de barramento os comandos são trocados entre os dispositivos
de controle e os equipamentos de iluminação, garantindo alta funcionalidade e
flexibilidade. Existem no mercado diversos destes sistemas, porém normalmente
implicam em um custo elevado de equipamentos e exigem amplo conhecimento
para projetar e instalar, o que acaba encarecendo a implementação deste tipo de
sistema. Diante disso a indústria de iluminação criou um novo padrão para
comunicação individual entre os componentes de um sistema de iluminação com
componentes de baixo custo e fácil de manusear, o protocolo DALI (DALI AG, 2001).
O protocolo DALI (Digital Addressable Lighting Interface) define a
padronização de interface digital de reatores e drivers. O padrão DALI é especificado
conforme a norma IEC 60929 o que garante a interoperabilidade e a
intercambialidade de reatores e drivers de diversos fabricantes. Para realizar o
controle de luminosidade através da dimerização de luminárias, o padrão utilizado
17
na indústria é a interface de controle analógica 1-10VCC, porém o DALI foi
concebido para se tornar um novo padrão de mercado. Devido a sua flexibilidade e
simplicidade de instalação, o DALI, irá gradualmente substituir os sistemas com
interface analógica (DALI AG, 2001).
As vantagens do protocolo DALI sobre os sistemas de controle analógico
incluem a possibilidade de controle individual ou em grupo de dispositivos de
iluminação, mensagem de status dos dispositivos controlados como lâmpada
queimada por exemplo, dimerização logarítmica conforme sensibilidade do olho
humano, simplicidade no cabeamento de controle sem polarização do sinal de
controle. Em um sistema de controle de iluminação baseado no protocolo DALI
podem ser utilizadas até 64 endereços individuais, 16 endereços de grupos ou 16
cenas de iluminação pré-programadas (DALI AG, 2001).
Os sistema de controle de iluminação DALI não é adequado para gestão de
edifícios devido a sua baixa complexidade, por isso sistemas baseados em DALI
como subsistemas de controle de iluminação dentro de Sistemas de Gestão de
Edifícios. A integração do sistema de controle DALI ao sistema de gerenciamento de
edifícios pode ser feita com o DALI como um sistema Stand-Alone onde não há
conexão com o sistema de gerenciamento do edifício. É a forma mais simples de
aplicação, porém o sistema de controle acaba não utilizando toda a funcionalidade
disponível no DALI. O sistema é composto por uma unidade de controle onde todos
os sensores e elementos de controle estão ligados de forma analógica ou digital. As
funções de comissionamento, start-up e manutenção são todas realizadas
localmente (DALI AG, 2001).
FIGURA 2 - DALI STAND ALONE
FONTE: DALI AG (2001)
18
3 DESCRIÇÃO DO PROJETO
De forma geral, este trabalho tem como proposta a elaboração do projeto de
um laboratório didático de automação que permita a realização de atividades
práticas e familiarize os estudantes com equipamentos que são utilizados em
sistemas de automação. A implementação do laboratório permitirá que os
estudantes coloquem em prática alguns conceitos vistos em disciplinas cursadas no
curso de Engenharia Elétrica e que tenham contato com tecnologias que são pouco
difundidas no ambiente acadêmico.
O projeto do laboratório proposto está dividido em duas partes distintas:
laboratório de automação industrial composto por equipamentos que são
encontrados em máquinas industriais automatizadas e laboratório de automação
para sistemas de iluminação, composto por equipamentos utilizados em ambientes
que se busca a eficiência dos sistemas de iluminação: plantas industriais, prédios
sustentáveis, residências, etc.
Neste capítulo será descrito o projeto do laboratório didático proposto,
iniciando com uma visão geral, seguido pela explicação detalhada das partes que
compõe o laboratório.
A proposta é composta pelas seguintes partes:
Elaboração da topologia do laboratório didático de automação;
Especificação dos equipamentos e componentes;
Elaboração do diagrama elétrico do protótipo;
Montagem do protótipo;
Elaboração de roteiros de estudos com atividades práticas
compatíveis com o protótipo montado;
Validação dos roteiros de estudos através da realização de atividades
práticas com estudantes do curso de Engenharia Elétrica da
Universidade Federal do Paraná
Levantamento do valor a ser investido para se obter os equipamentos
necessários para a montagem de protótipos conforme o projeto
proposto.
3.1 TOPOLOGIA
19
Definiu-se uma topologia baseada no protocolo Ethernet devido à tendência
dos equipamentos se comunicarem neste protocolo devido à velocidade e
capacidade de tráfego de informações. A topologia é composta por um computador,
controlador lógico programável (CLP), interface homem-máquina (IHM), inversor de
frequência e um switch de rede para interligação destes equipamentos. Além dos
equipamentos interligados através da rede Ethernet, será conectado um motor de
indução trifásico ao inversor de frequência. A Figura 3 apresenta de uma forma geral
a topologia do laboratório didático proposto.
FIGURA 3 - TOPOLOGIA DO CONJUNTO DIDÁTICO DE AUTOMAÇÃO PROPOSTO
FONTE: O autor (2016)
Pode se observar todos os equipamentos interligados através de uma rede
de comunicação baseado no protocolo Ethernet que permite o envio e recebimento
de informações entre todos os dispositivos. Através de softwares específicos
instalados no computador é possível interfacear todos os dispositivos presentes na
topologia.
20
3.2 ESPECIFICAÇÃO DOS COMPONENTES
A partir da definição da topologia para o laboratório didático foi possível
realizar a especificação dos componentes que teve como premissas a análise das
características técnicas, o conhecimento do autor na área e a disponibilidade dos
equipamentos para a montagem do protótipo para validação dos resultados sem a
necessidade de grandes investimentos financeiros por parte do autor.
Como suporte na especificação dos equipamentos foram utilizados
catálogos técnicos de produtos, datasheets e manuais técnicos fornecidos pelos
fabricantes e que podem ser consultados nos Anexos deste trabalho.
Os componentes do laboratório de automação industrial foram
dimensionados de forma que os estudantes possam realizar a simulação de
sistemas automatizados encontrados comumente em máquinas e processos de
pequeno porte. Especificou-se o CLP, a IHM e o inversor de frequência com
interface de comunicação incorporada que permite a integração destes
equipamentos a uma rede de comunicação facilitando a interoperabilidade entre eles
sem a necessidade de aquisição de equipamentos adicionais para a tradução entre
protocolos de comunicação.
Para compor a topologia foi especificado um CLP da família Simatic S7-1200
do fabricante Siemens. A escolha foi feita baseado na capacidade de
processamento e quantidade de entradas e saídas compatíveis com as atividades
práticas que serão realizadas no laboratório didático proposto e por apresentar uma
interface de comunicação incorporada de fábrica, requisito para a utilização
integrada com interface homem máquina e inversor de frequência. Outra motivação
foi a ampla presença de equipamentos deste fabricante em plantas industriais de
empresas no Brasil.
21
FIGURA 4 - CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL
FONTE: Modificado de Siemens (2012)
A CPU escolhida, S7-1214C, possui alimentação em corrente alternada
(100-240Vca), quartorze entradas digitais alimentadas em 24Vcc, dez saídas digitais
a relé, duas entradas analógicas de sinal de tensão (0-10V) e uma porta RJ-45 de
comunicação Ethernet. Dentre as quatorze entradas digitais, seis são entradas
rápidas que estão aptas a receber sinais de frequência até 100kHz, comumente
fornecidos por encoders ou sensores de velocidade. O CLP escolhido é modular
permitindo a expansão da quantidade de entradas e saídas, tanto digitais quanto
analógicas. É possível acrescentar também módulos de comunicação caso seja
necessário estabelecer a comunicação entre o CLP e equipamentos com outros
protocolos de comunicação. A Figura 5 mostra uma CPU e os possíveis módulos de
expansão do controlador lógico programável.
FIGURA 5 - MÓDULOS DE EXPANSÃO
FONTE: Modificado de Siemens (2012)
22
Como interface gráfica entre os equipamentos foi definido a utilização de
uma interface homem-máquina (IHM) para que seja possível a visualização e edição
das variáveis envolvidas na programação do CLP e na parametrização do inversor
de frequência. A IHM escolhida tem funcionalidades básicas compatíveis com as
necessidades que um laboratório didático de automação necessita.
FIGURA 6 - INTERFACE HOMEM MÁQUINA
FONTE: Siemens (2014)
Na Figura 6 pode-se observar a interface homem-máquina que foi
especificada para a proposta do laboratório didático. Trata-se de uma IHM com tela
colorida sensível ao toque de 4,3 polegadas e 4 teclas. A IHM possui alimentação
em 24Vcc e interface e comunicação Profinet.
Para realização de atividades envolvendo controle de velocidade e
posicionamento de motores de indução trifásico foi definida a utilização de um
inversor de frequência modular composto por módulo de potência, módulo de
controle e painel de operação. A Figura 7 mostra cada uma das partes de um
inversor de frequência modular.
23
FIGURA 7 - INVERSOR DE FREQUÊNCIA MODULAR
1
2
3
1 - Painel de Operação2 - Módulo de Controle3 - Módulo de Potência
Fonte: Modificado de Siemens (2012)
O modelo especificado permite o acionamento e o controle de velocidade
escalar e vetorial de motores trifásicos até 0,55kW em 220Vca. O inversor de
frequência escolhido possui interface de comunicação Ethernet para que possa ser
integrado aos CLP e IHM através de uma rede industrial. O inversor de frequência
será integrado à rede existente entre o CLP e IHM onde os alunos executarão as
atividades propostas segundo o roteiro de estudos proposto neste projeto.
Na última etapa do projeto a proposta é de aplicação de um sistema de
controle de iluminação automático baseado no protocolo DALI.
O protocolo DALI permite o controle de sistemas de iluminação desde
comandos de liga e desliga remotos, controle da luminosidade em ambientes que
possuem iluminação natural através de sensores de luminosidade, controle da
luminosidade em ambientes através de sensores de presença, identificação de
luminárias com falha, entre outras funções.
Neste trabalho será apresentado o protocolo DALI em detalhes, roteiros de
estudos onde os alunos possam conhecer e se familiarizar com esta nova tecnologia
e tornarem-se aptos projetar e implementar projetos luminotécnicos mais eficientes.
Um protótipo com controlador DALI, sensores de luminosidade e luminárias
LED dimerizáveis será montado para demonstrar o funcionamento do sistema.
24
Foi escolhido como controlador do sistema de iluminação um equipamento
do fabricante Lutron modelo Energi Savr Node (ESN). O controlador recebe o sinal
de sensores de luminosidade, que enviam o nível de iluminância presente no
ambiente e de acordo com a parametrização controla a iluminação do ambiente
variando o fluxo luminoso de cada uma das luminárias, para atender os requisitos de
iluminação exigidos por norma para aquele determinado tipo de ambiente de
trabalho.
Como complemento será realizado um estudo de eficiência energética em
uma sala de aula que possui iluminação natural durante o dia. Será comparado o
consumo de energia elétrica na situação em que esta sala está submetida a uma
iluminação convencional não dimerizável a LED, com o consumo de energia elétrica
para as mesmas condições de iluminância, porém com a utilização de iluminação
dimerizável a LED. Serão considerados os níveis de iluminância mínimos
especificados pela NBR 8995.
Através da dimerização automática será possível analisar a diferença de
consumo de energia elétrica em ambientes que possuem boa iluminação natural
quando são aplicadas luminárias dimerizáveis controladas através do protocolo
DALI. Coletaremos os dados para comparação e poderemos definir se há viabilidade
econômica na aplicação de sistemas de controle de iluminação através do protocolo
DALI.
3.3 PROTÓTIPO
Para a montagem do protótipo do laboratório de automação foram utilizados
alguns equipamentos gentilmente cedidos pela empresa Comercial Elétrica DW,
empresa esta que o autor exerce atividade profissional e outros equipamentos já
existentes no laboratório de acionamentos, sala PK12, do Departamento de
Engenharia Elétrica desta Universidade.
O controlador lógico programável, o inversor de frequência e o controlador
DALI foram fixados a uma placa de montagem 340x450mm através de trilho DIN de
35mm. Foram inseridos conectores de passagem de 2,5mm² onde foram realizadas
as conexões elétricas dos equipamentos. A seguir está apresentada a imagem do
protótipo montado para a validação dos roteiros de estudos com atividades práticas.
25
FIGURA 8 - PROTÓTIPO MONTADO
FONTE: O autor (2016)
3.4 DIAGRAMA ELÉTRICO
A Figura 9 apresenta o diagrama elétrico do protótipo que foi implementado
para a validação das atividades práticas propostas nos roteiros de estudos.
FIGURA 9 – DIAGRAMA ELÉTRICO DO PROTÓTIPO DESENVOLVIDO
~= CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL
S7-1200 - CPU 1214C DC/DC/RLY
L+ M
GN
D
L+ M 1M
I0.0
I0.1
I0.2
I0.3
I0.4
I0.5
I0.6
I0.7
I1.0
I1.1
I1.2
I1.3
I1.4
I1.5
2M
AI 0
AI 1
INVERSOR DEFREQUÊNCIA
G120C0,55kW 200-240VCA
PROFINET
1
2
3
4
12
13
21
22
28
69
34
5
6
7
8
16
17
19
20
18
9
L1 L2 L3 U2 V2 W2
RÉGUA DE BORNES DO CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL RÉGUA DE BORNES DO INVERSORDE FREQUÊNCIA
ALIMENTAÇÃODO MOTOR
FONTE: O autor (2016)
26
Este diagrama foi desenvolvido com objetivo que estudantes, professores
e/ou técnicos com conhecimento básico em eletricidade possam, a partir dos
equipamentos especificados, montar o protótipo sugerido neste projeto.
3.5 ROTEIROS DE ATIVIDADES PRÁTICAS
Os roteiros de estudos com atividades práticas foram desenvolvidos com o
objetivo dos estudantes desenvolverem os conhecimentos adquiridos em algumas
das disciplinas do curso de Engenharia Elétrica e familiarizá-los com controladores
lógicos programáveis, interfaces homem máquina, inversores de frequência e
controladores de iluminação baseados no protocolo DALI. Além disso, foram
propostas algumas atividades baseadas em situações reais frequentemente
encontradas em sistemas de automação industriais e situações cotidianas reais.
Foram elaborados dez roteiros de estudos que podem ser implementados e
simulados, utilizando os diversos recursos disponíveis no protótipo desenvolvido ao
longo deste projeto. A elaboração dos roteiros de atividades levou em consideração
que este será o primeiro contato dos estudantes com a plataforma de programação
e com os equipamentos especificados para composição do protótipo, logo o nível de
dificuldade aumenta a cada roteiro proposto. Espera-se que o estudante adquira
novos conhecimentos a cada atividade realizada e utilize estes conhecimentos
adquiridos nas atividades seguintes.
Todos os roteiros de atividades a serem realizadas no laboratório didático de
automação estão apresentados nos Apêndices deste trabalho.
3.5.1 Roteiros envolvendo CLP
Os roteiros de atividades práticas relacionados ao CLP foram propostos com
o objetivo de capacitar os estudantes a utilizar o equipamento a partir da condição
mais básica: retirar o equipamento da caixa, realizar a instalação física e elétrica,
energizá-lo, estabelecer comunicação com o software de programação, desenvolver
27
as lógicas de programação propostas nos exercícios e descarregar para o
equipamento.
O Apêndice 1 apresenta o tutorial de instalação do CLP onde está
desenvolvido passo a passo como deve ocorrer a instalação física, como devem ser
feitas as conexões elétricas para energização do equipamento e como realizar a
conexão física entre o CLP e o computador para o estabelecimento da comunicação
entre eles.
O software que deve ser utilizado para realizar a programação do CLP está
apresentado no Apêndice 2, onde o estudante é orientado a executar o software no
computador e explorar os modos de visualização disponíveis. Estão descritas,
também no Apêndice 2, como realizar as configurações de rede do computador para
que seja possível estabelecer comunicação com o CLP. Por último está descrito o
procedimento se conectar ao CLP, restaurar os valores de fábrica, definir um nome e
o endereço de IP deste CLP.
O Apêndice 3 traz um tutorial para a criação de um novo projeto. O primeiro
passo é criar, atribuir um nome, escolher o diretório onde este projeto ficará salvo e
definir o nome do autor. Depois é necessário adicionar ao projeto um novo
dispositivo, dispositivo este que deve ser o mesmo que o equipamento disponível no
protótipo sugerido para o laboratório didático para desenvolvimento dos roteiros de
atividades práticas. Com o dispositivo, placas de sinal on-board e/ou módulos de
expansão disponíveis no protótipo inseridos no projeto o tutorial descreve como
desenvolver as lógicas de programação no software TIA Portal Basic versão 13. Por
último o Apêndice 3 sugere o desenvolvimento de uma lógica de controle de uma
partida direta de motor de indução trifásico para que o estudante possa utilizar as
instruções básicas de programação. A proposta deste trabalho é que os estudantes
utilizem o Ladder para executar as atividades no laboratório, que é uma linguagem
de programação gráfica, onde a representação é baseada em lógica de diagramas
de circuitos elétricos, os quais a maioria dos estudantes já esta familiarizada. Isso
não impede que sejam desenvolvidos roteiros de atividades utilizando linguagens de
programação mais complexas, como texto estruturado, que poderão também ser
simuladas no protótipo proposto por este trabalho.
Avançando na apresentação das funcionalidades do software, foi criado o
Apêndice 4 que descreve como são utilizados os blocos de funções na programação
de CLPs e IHMs. Também foi sugerida a criação de blocos de funções para as
28
lógicas de comando de uma partida direta, partida reversora manual e partida
reversora cíclica incluindo a utilização de blocos de função de temporizadores e
contadores. Também está descrito como estes blocos que foram criados devem ser
declarados no bloco principal, para que a lógica seja executada pela CPU do
controlador.
O Apêndice 5 descreve como devem ser realizadas as conexões elétricas
das entradas e saídas digitais do CLP com os dispositivos de campo como: botão de
impulso, sinalizadores luminosos, bobinas de contatores, contatos auxiliares de relés
de sobrecarga, sensores indutivos e fotoelétricos, etc. Após realizar as conexões
elétricas conforme descrito neste Apêndice e montagem do circuito de potência das
partidas direta e reversora é possível testar fisicamente os blocos de funções
desenvolvidos nos Apêndices anteriores.
Ampliando o conhecimento dos estudantes está apresentado no Apêndice 8
como utilizar das entradas e saídas analógicas do CLP. Neste Apêndice está
descrito detalhadamente sobre as instruções de conversão de variáveis NORM X e
SCALE X, instruções essenciais quando são utilizadas as entradas e saídas
analógicas do CLP. A instrução NORM X normaliza a variável declarada na entrada
do bloco segundo os valores máximos e mínimos definidos e a instrução SCALE X
define uma escala de saída para a variável declarada na entrada deste bloco
considerando também os valores mínimos e máximos definidos.
3.5.2 Roteiros envolvendo a IHM
Buscando trazer mais conhecimento prático aos estudantes, foram propostos
roteiros de atividades com o desenvolvimento de telas para a Interface Homem-
Máquina. As telas criadas na IHM têm como principal finalidade a visualização e
alteração das variáveis envolvidas nas lógicas desenvolvidas no CLP.
O Apêndice 6 deste trabalho traz um tutorial de utilização da IHM onde está
descrito como devemos:
Inserir uma IHM ao projeto existente;
Definir o CLP que a IHM estará conectada;
Definir o Layout das telas da IHM;
Definir os Alarmes necessários;
29
Definir a quantidade e o nomes da telas da IHM;
Definir Telas de Sistema e Botões da IHM.
Além dos itens acima, estão apresentados os elementos disponíveis para
inserção nas telas da IHM como:
Elementos Básicos: Linhas, Elipses, Círculos, Retângulos, Textos e
Gráficos;
Elementos Básicos Dinâmicos: Campos para entrada de dados, Botões
de Comando, Gráficos de Variáveis, Chaves Seletoras, etc;
Elementos de Controle: Visualização de Alarmes, Usuários, Gráficos
do Sistema, Receitas e Diagnósticos;
Elementos de Representação Gráfica de Equipamentos: Motores,
Reservatórios, Bombas, Misturadores, Ventiladores, Esteiras, etc.
O Apêndice 7 traz o tutorial para personalização das telas conforme o projeto
desenvolvido na lógica de programação do CLP. Sugere-se a criação de telas na
IHM, que contenham os elementos necessários para a visualização e controle dos
blocos de funções definidos nos tutoriais de CLP.
Através das telas da IHM é possível visualizar e alterar o valor de cada uma
das variáveis do CLP. Em resumo, é possível substituir os elementos de controle e
sinalização ligados nas entradas e saídas do CLP por apenas uma interface homem
máquina. Isso traz versatilidade na aplicação, redução de dispositivos de comando e
sinalização, redução de entradas e saídas digitais no CLP.
3.5.3 Roteiros com Inversor de Frequência
Além de integrar o CLP à IHM, este trabalho propõe integrar os dois
dispositivos citados a um inversor de frequência. O roteiro de atividades propostos
envolvendo inversores de frequência têm como objetivo inicial familiarizar o
estudante com os princípios básicos dos inversores: instalação, parametrização
básica e exercícios com configurações pré-definidas.
O tutorial apresentado no Apêndice 10 orienta inicialmente sobre como
realizar:
30
Montagem física
Conexões elétricas de potência
Conexões elétricas de controle
Após orientar sobre a montagem e as conexões elétricas o tutorial apresenta
as configurações pré-definidas existentes no inversor. Estas configurações têm
como objetivo facilitar a parametrização do inversor para aplicações que são comuns
no dia-a-dia, evitando um esforço excessivo na alteração de uma grande quantidade
de parâmetros sendo que a mesma parametrização é utilizada por diversos usuários
de inversores de frequência.
Depois da apresentação das configurações pré-definidas, o tutorial apresenta
o painel de operação do inversor e a estrutura do menu de navegação. Através do
painel de operação e do menu de navegação é possível realizar o comissionamento
inicial do inversor, acessar e modificar os parâmetros conforme necessidade da
aplicação e monitorar os valores das variáveis do motor. Na última etapa deste
tutorial está detalhado como realizar o comissionamento básico inicial do inversor
para colocar em funcionamento.
As propostas de exercícios práticos com inversores de frequência estão
apresentadas no Apêndice 11. Inicialmente estão propostas duas atividades práticas
onde o comando e a variação da velocidade ocorre através das entradas digitais do
inversor de frequência. A terceira atividade propõe o comando através das entradas
digitais porém a velocidade é ajustada através de um potenciômetro de 5kOhms
conectado à entrada analógica do inversor de frequência. As duas últimas atividades
propostas no Apêndice 11 integram os conhecimentos adquiridos nos tutoriais de
CLP, IHM e inversor de frequência apresentados neste trabalho, com isso os
estudantes podem colocar em prática todos os conhecimentos adquiridos no
desenvolvimento das atividades anteriores propostas por este trabalho.
3.6 FUNDAMENTOS DA PROGRAMAÇÃO DO CLP
Nesta seção serão apresentados alguns fundamentos básico sobre as
linguagens de programação utilizadas em controladores lógicos programáveis. A
norma IEC 61131-3 definiu que para a programação de CLPs podem ser utilizadas
linguagens textuais, gráficas ou estruturação de programa. Lista de Instruções e
31
Texto Estruturado classificam-se como linguagens textuais, Diagrama Ladder e
Diagrama de Blocos Funcionais são classificadas como linguagens gráficas e o
Sequenciamento Gráfico de Funções é uma linguagem de estruturação de
programa. Neste trabalho optou-se por apresentar o Diagrama Ladder devido a sua
facilidade de interpretação e por ser uma linguagem baseada em diagramas
elétricos que representa contatos e bobinas interconectados a qual os estudantes já
estão familiarizados.
3.6.1 Dados, Variáveis, Constantes e Operadores
Para um melhor entendimento dos fundamentos das linguagens de
programação faz-se necessário ter conhecimento sobre tipos de dados, variáveis,
constantes e operadores. A seguir estão os quadros com uma breve explicação:
QUADRO 1 – TIPOS DE DADOS
FONTE: O autor (2016)
Os controladores lógicos programáveis possuem memórias onde cada uma
delas possui um endereço que indica onde a informação está localizada. As
informações armazenadas em memórias são chamadas de variáveis e podem
guardar diversos tipos de informações como número, letra, palavra, frase, etc. Para
armazenar e acessar essa informação é necessário saber o tipo de dado desta
informação, ou seja, o número de bytes de memória por ela ocupados e a posição
inicial deste conjunto de bytes. As variáveis possuem em geral três características:
nome, tipo de dado e a informação armazenada.
Os operadores são símbolos que indicam a operação que deve ser realizada
entre operandos, constantes ou variáveis, produzindo um determinado resultado.
Pode-se classificar os operadores em lógicos, aritméticos ou relacionais.
Tipo dos dados nº bits O que pode ser representado Obs:
Booleano 1 bit 0 ou 1
Byte 8 bits 0 a 255
Inteiro 32 bits Números Inteiros positivos e negativos
Real 32 bits Números Fracionários positivos e negativos
Character 8 bits Sequência contendo letras, número e símbolos especiais Código ASCII
Word
Double Word
TIPOS DE DADOS
32
QUADRO 2 - OPERADORES ARITMÉTICOS
FONTE: Petruzella (2013)
QUADRO 3 - OPERADORES RELACIONAIS
FONTE: Petruzella (2013)
QUADRO 4 - OPERADORES LÓGICOS
FONTE: Petruzella (2013)
3.6.2 Diagrama Ladder
Para que os estudantes estejam capacitados a realizar a programação do
controlador lógico programável conforme os roteiros de atividades propostas, é
33
necessário que tenha conhecimento sobre as principais instruções utilizadas na
linguagem de programação Ladder.
As instruções mais básicas do diagrama Ladder estão relacionadas à lógica
booleana. A lógica booleana consiste na combinação de contatos normalmente
abertos, normalmente fechados, NOT e bobinas de saída. Os contatos normalmente
abertos, normalmente fechados e NOT são relacionados às entradas físicas ou
memórias do CLP. Os contatos normalmente abertos estão fechados quando o bit
atribuído a ele é igual a um. Os contatos normalmente fechados estão abertos
quando o bit atribuído a ele é igual a um. É possível obter-se portas lógicas AND ou
OR conectando os contatos em série ou em paralelo respectivamente. O contato
NOT inverte o estado lógico de entrada do fluxo de potência.
A instrução de bobina de saída escreve um valor para um bit de saída. As
bobinas podem ser endereçadas como um endereço físico de saída ou então como
uma memória interna do CLP. O CLP quando em funcionamento verifica
continuamente os sinais de entrada, processa os dados de entrada conforme a
lógica do programa e em seguida define os novos valores de estados das saídas.
Este ciclo se repete diversas vezes por segundo. Se houver fluxo de energia através
de uma bobina de saída então o bit de saída será 1. Se não houver fluxo de energia
através de uma bobina de saída então o bit de saída será 0.
FONTE: O autor (2016)
CONTATO NORMALMENTE
ABERTO
CONTATO NORMALMENTE
FECHADO
CONTATO INVERSOR (NOT)
BOBINA DE SAÍDA
BOBINA DE SAÍDA INVERSA
QUADRO 5 - INSTRUÇÕES BÁSICAS
34
Outra instrução básica utilizada na programação dos de CLPs são as
instruções temporizadas. As instruções temporizadas são utilizadas para criar
atrasos de tempo programados na lógica do programa.
Módulos de sinais analógicos fornecem sinais de entrada ou esperam valores
de saída que representam tanto uma faixa de tensão ou de corrente. Usualmente os
intervalos são ±10V, ±5V, ±2.5V, or 0 - 20mA. Os módulos analógicos retornam
valores inteiros, onde os sinais de corrente variam de 0 a 27648 e os sinais de
tensão variam de -27648 a 27648. Qualquer valor fora deste intervalo representa um
estouro de valores.
Em programas de lógica de controle normalmente é necessário utilizar
variáveis fornecidas por sensores analógicos para representar unidades de
engenharia como volume, temperatura, peso ou outro valor quantitativo. Para isso é
necessário normalizar a variável lida por uma entrada analógica, 0 a 27648 ou
-27648 a 27648 para um valor real de 0.0 a 1.0. Após isso, deve ser definida a
escala que este valor normalizado representa em unidade na unidade de engenharia
em questão. Para valores que estão em unidade de engenharia e necessitam ser
convertidos para um valor de saída analógica deve inicialmente normalizar o valor
em unidade de engenharia para um valor entre 0.0 e 1.0 e, em seguida escalá-lo
entre 0 e 27648 ou -27648 a 27648, dependendo o tipo de módulo analógico que
está sendo utilizado no projeto. No tutorial de utilização de variáveis analógicas
apresentado no Apêndice 8 o estudante pode ver em detalhes como utilizar as
instruções de normalização e de aplicar escala à variáveis analógicas. No mesmo
Apêndice sugere-se como atividade prática ao estudante apresentar na IHM o nível
de líquido presente em um tanque a partir da leitura fornecida por um sensor
ultrassônico analógico. O sensor ultrassônico fornece um sinal de 0-10V à entrada
analógica do CLP que converte os dados em unidade de volume e envia a IHM esta
informação.
No Apêndice 11 é apresentado como controlar a velocidade de um motor de
indução trifásico onde a velocidade é pré-definida na interface homem máquina,
enviada ao CLP que converte os dados em valores analógicos de corrente que
variam de 0 a 20mA. A saída analógica do CLP é conectada à entrada analógica do
conversor de frequência que está parametrizado para controlar a velocidade do
motor através de uma variável analógica externa.
35
3.7 CUSTOS
Após a definição da topologia e da especificação dos componentes do
laboratório didático de automação proposto foi realizada uma pesquisa de preços
dos principais componentes para definir o valor do investimento necessário, e
elaboração de uma proposta nos padrões do Fundo de Desenvolvimento
Acadêmico.
Foi realizada a cotação dos equipamentos necessários para montagem de
protótipos individuais no mercado, porém ao realizar contato com o fabricante
descobriu-se que existem pacotes educacionais chamados Siemens Automation
Cooperates with Education (SCE) que são compostos por conjuntos de
equipamentos e podem ser adquiridos por instituições de ensino por um custo menor
que o de mercado. O pacote de controlador lógico programável é composto por seis
conjuntos de equipamentos que permite a montagem de seis protótipos de CLP
idênticos. O pacote estudantil de inversor de frequência é de apenas um conjunto,
sendo necessária a aquisição de seis pacotes para realizar a montagem dos
protótipos sugeridos. Já a interface homem-máquina pode ser adquirida em pacotes
estudantis com apenas um ou com seis conjuntos.
No Quadro 6 estão apresentados os custos dos pacotes estudantis que
poderão ser adquiridos pela Universidade Federal do Paraná caso haja interesse na
implementação da proposta deste projeto.
QUADRO 6 - CUSTOS DOS EQUIPAMENTOS
PACOTE ESTUDANTIL COMPOSTO PELOS ITENS CUSTO
COMPOSTO POR 6 CONJUNTOS DE CONTROLADOR
LÓGICO PROGRAMÁVEL 6ES7214-1BE30-
4AB3
6 X CPU 1214C - S7-1200 AC/DC/RLY 6ES7214-1BG40-0XB0
R$ 14.014,00
6 X LICENÇA STEP 7 BASIC V13 6ES7214-1BG40-0XB0
6 X CABO ETHERNET INDUSTRIAL RJ-45/RJ-45, CAT 6, CABO 4X2, PRÉ MONTADO COM 2 CONECTORES RJ-45, COMPRIMENTO 6M
6XV1870-3RH60
6 X MÓDULO DE SINAL ANALÓGICO SB 1232 COM 1 SAÍDA ANALÓGICA 0-10V OU 0-20mA
6ES7232-4HA30-0XB0
COMPOSTO POR 6 CONJUNTOS DE
INTERFACE HOMEM MÁQUINA
6AV2123-2DB03-
6 X IHM SIMATIC KTP400 BASIC COLOR PROFINET
6AV2123-2DB03-0AX0
R$ 22.896,00
6 X SWITCH INDUSTRIAL 5 PORTAS ETHERNET SCALANCE
6GK5005-0BA00-1AB2
36
0AA0 6 X LICENÇA WINCC BASIC V13 6AV2100-0AA03-0AA5
6 X CABO ETHERNET INDUSTRIAL RJ-45/RJ-45, CAT 6, CABO 4X2, PRÉ MONTADO COM 2 CONECTORES RJ-45, COMPRIMENTO 6M
6XV1870-3RH60
COMPOSTO POR 1 CONJUNTO DE
INTERFACE HOMEM MÁQUINA
6AV2123-2DB03-0AA0
1 X IHM SIMATIC KTP400 BASIC COLOR PROFINET
6AV2123-2DB03-0AX0
R$ 4.010,00
1 X SWITCH INDUSTRIAL 5 PORTAS ETHERNET SCALANCE
6GK5005-0BA00-1AB2
1 X LICENÇA WINCC BASIC V13 6AV2100-0AA03-0AA5
2 X CABO ETHERNET INDUSTRIAL RJ-45/RJ-45, CAT 6, CABO 4X2, PRÉ MONTADO COM 2 CONECTORES RJ-45, COMPRIMENTO 6M
6XV1870-3RH60
COMPOSTO POR 1 CONJUNTO DE INVERSOR DE
FREQUÊNCIA G120 6SL3200-3AX00-
0UL1
MÓDULO DE POTÊNCIA PM240-2 SEM FILTRO 0,55KW ALIMENTAÇÃO MONO/TRIFÁSICA 200-240VCA
6SL3210-1PB13-8UL0
R$ 2.980,00
UNIDADE DE CONTROLE CU250S-2 COM ENTRADAS E SAÍDAS DIGITAIS E INTERFACE PROFINET
6SL3246-0BA22-1FA0
PAINEL DE OPERAÇÃO INTELIGENTE IOP
6SL3255-0AA00-4JA1
CARTÃO DE MEMÓRIA PARA INVERSOR G120 512MB
6SL3054-4AG00-2AA0
CABO DE COMUNICAÇÃO INVERSOR-PC USB 3M
6SL3255-0AA00-2CA0
Fonte: O autor (2016) baseado na lista de preços da Siemens para Pacotes Educacionais,
em Outubro/2016
Considerando as informações apresentadas no Quadro 6 seria necessário
um investimento de R$54.790,00 para aquisição de seis conjuntos de equipamentos
para a montagem do protótipo proposto neste projeto. Uma opção de redução de
custos seria a aquisição do pacote estudantil com apenas um ou nenhum conjunto
de IHM visto que é possível realizar a simulação da interface homem máquina
através da tela do computador. Desta forma o investimento reduziria para
R$31.894,00.
37
4 MATERIAL E MÉTODOS
4.1 MATERIAL
Para a realização do presente projeto foram utilizados equipamentos
desenvolvidos, produzidos e comercializados por fabricantes que tem sua marca
difundida mundialmente. A motivação desta escolha foi a facilidade de encontrar os
equipamentos no mercado nacional e o suporte técnico disponível pelos fabricantes,
caso os estudantes que irão utilizar o laboratório necessitem na implementação das
atividades práticas propostas nos roteiros de estudos ou em outras aplicações que
surjam através do interesse do próprio estudante. Além disso o estudante irá se
familiarizar com equipamentos presentes em larga escala na indústria brasileira. A
seguir serão apresentados todos os materiais utilizados no projeto e as suas
principais características.
O controlador lógico programável utilizado no protótipo apresentado neste
projeto foi a CPU 1214C 6ES7214-1BG40-0XB0 com alimentação 24VCC, memória
de trabalho de 100KB, 14 entradas digitais alimentadas em 24VCC, 10 saídas à relé,
2 entradas analógicas de tensão (0-10V). Possui uma interface de comunicação
PROFINET que é utilizada para realizar a programação, mas também é utilizada
para comunicação com interfaces homem máquina, outros CLPs ou inversores de
frequência.
FIGURA 10 - CPU1214C
FONTE: Siemens (2012)
38
Para realização das atividades com saídas analógicas foi utilizado a placa de
sinal on-board com uma saída analógica com 12 bits de resolução 12bits 6ES7232-
4HA30-0XB0.
FIGURA 11 - PLACA DE SINAL SB1232
FONTE: Siemens (2014)
Para realizar o desenvolvimento das atividades de programação do CLP e
da IHM, foi utilizada a ferramenta de programação TIA Portal, que é um software do
fabricante Siemens destinado à programação dos controladores lógicos
programáveis, interfaces homem máquina e, O STEP 7 permite o desenvolvimento
da programação em um ambiente simples e de fácil compreensão para os
estudantes. Nele é possível criar, editar e monitorar as lógicas necessárias para as
mais variadas aplicações, incluindo ferramentas de gerenciamento e configuração
de todos os dispositivos do projeto.
O STEP 7 permite que o projeto seja visualizado de duas formas diferentes:
visão Portal e visão Projeto. Na primeira é a visão inicial do software onde o usuário
tem acesso a uma aba com as diferentes tarefas possíveis de realizar, uma aba com
as possíveis ações dentro da tarefa inicial selecionada e um painel de informações
para a ação selecionada. Nesta visão contém o botão para alterar o modo de
visualização para a visão Projeto. Na visão Projeto tem-se acesso aos Menus e
Barras de Ferramentas, Navegador do Projeto, Área de Trabalho, Barra de Tarefas,
Janela de Propriedades, Barra de Edição e o botão para alterar novamente para a
visão Portal. Estes dois métodos de visualização estão mais detalhados nos roteiros
39
de atividades propostas, onde há uma maior explicação das ferramentas utilizadas
no desenvolvimento da atividade.
Para realização das atividades que envolviam o controle de velocidade de
motores de indução trifásico foi utilizado um inversor de frequência com alimentação
de 0,55kW e alimentação trifásica de 200-240VCA.
Além destes equipamentos foram utilizados outros materiais como cabos
para alimentação dos equipamentos e conexões elétricas entre eles, conectores de
passagem para os cabos, terminais tubulares, trilho de fixação e uma placa de
montagem. A partir destes equipamentos é possível recriar o protótipo utilizado para
realização das atividades práticas propostas nos Apêndices deste trabalho.
4.2 MÉTODOS
O presente projeto caracteriza-se como pesquisa experimental. Inicialmente
será realizada a revisão teórica dos temas relacionados ao projeto, na sequência
serão elaboradas propostas de atividades práticas a serem realizados no laboratório
didático de automação. A partir das propostas, serão desenvolvidos protótipos
funcionais dos experimentos utilizando-se de equipamentos de automação como
CLPs, Inversores e Luminárias. Na sequência, serão elaborados roteiros de
experimentos a serem realizados pelos estudantes e professores. Finalmente, os
protótipos serão testados junto a um grupo de estudantes do curso de engenharia
elétrica, de modo a validar a proposta.
40
5 ANÁLISE DOS RESULTADOS E DISCUSSÃO
Neste capítulo serão apresentados os resultados obtidos a partir da
validação dos roteiros de atividades práticas realizada com os estudantes do curso
de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Paraná utilizando o protótipo
montado a partir das especificações deste trabalho.
Os resultados obtidos serão apresentados conforme a lista a seguir:
O protótipo e o diagrama elétrico
Realização de atividade prática com a participação dos estudantes
Pesquisa pós-atividade com os participantes da atividade prática e
com os que demonstraram interesse em participar
5.1 O PROTÓTIPO E O DIAGRAMA ELÉTRICO
Após elaboração da revisão teórica e especificação dos equipamentos
elétricos, foi realizada a montagem do protótipo físico que permitisse o
desenvolvimento das atividades práticas com os estudantes. Também foi elaborado
o diagrama elétrico do protótipo que permitisse que, em posse dos equipamentos,
qualquer pessoa com conhecimento básico em eletricidade pudesse recriar o
protótipo e realizar as atividades práticas independentemente.
5.2 REALIZAÇÃO DAS ATIVIDADES PRÁTICAS COM OS ESTUDANTES
Para validação dos roteiros propostos foi definido a realização de uma
atividade prática de quatro horas de duração, e houve a necessidade de convidar
alguns estudantes para que de forma voluntária realizassem as atividades
propostas. Os voluntários foram convidados através da lista de discussão do curso
de Engenharia Elétrica desta universidade.
O interesse por parte dos alunos em participar da atividade de validação
dos roteiros práticos excedeu as expectativas, totalizando trinta e sete estudantes
que demonstraram interesse em participar das atividades. Levando em conta que
havia sido montado apenas um protótipo para realizar a validação das atividades, foi
necessário realizar a atividade em dois dias e horários distintos. Devido à
incompatibilidade de agenda, houve a participação de dezessete alunos no total.
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A atividade contou com a participação de estudantes que já tiveram algum
contato com dispositivos similares e também com estudantes que naquela atividade
era o primeiro contato com o tema. Todos demonstraram grande interesse no tema e
na execução de atividades práticas com CLPs, IHM e inversor de frequência assim
portanto, seria de grande valia o investimento por parte da UFPR nos equipamentos
especificados neste projeto atualizando tecnologicamente o laboratório de
acionamentos permitindo a utilização deste na disciplina de Laboratório V por
exemplo.
5.3 RESULTADO DA PESQUISA
Para mensurar o interesse dos estudantes que participaram e demonstraram
interesse no tema Automação Industrial, foi criado uma pesquisa através dos
formulários do Google.
FIGURA 12 - PESQUISA REALIZADA COM ESTUDANTES APÓS A REALIZAÇÃO DAS
ATIVIDADES PRÁTICAS
Fonte: O Autor (2016).
Os estudantes foram questionados sobre a importância do tema Automação
Industrial ser abordado na universidade e sobre a importância da realização de
atividades práticas. Mais de 85% dos estudantes responderam ser muito importante
na opinião deles. Quando questionados quanto ao nível de interesse em participar
de uma disciplina de Automação Industrial caso fosse ofertada no curso de
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Engenharia Elétrica na UFPR, 100% dos estudantes responderam que possuem
grande interesse.
Os estudantes expuseram a opinião sobre o investimento em equipamentos
como Controladores Lógicos Programáveis, Interfaces Homem Máquina e Inversores
de Frequência para a montagem de protótipos para realização de atividades práticas
em uma disciplina de laboratório e a maioria das opiniões demonstrou ser
necessário este investimento principalmente para que os estudantes saiam da
Universidade com conhecimento prático neste tipo de equipamento, aumentando as
oportunidades de trabalho nesta área, principalmente na indústria onde ocorre a
maior demanda por profissionais com este perfil.
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6 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Através da realização do presente projeto foi possível perceber a importância
da inserção de atividades práticas relacionadas ao tema Automação Industrial. Os
estudantes que participaram da atividade prática realizada na UFPR mostraram-se
satisfeitos e entusiasmados neste assunto. O técnico do laboratório aprovou os
dispositivos propostos.
O desenvolvimento dos roteiros de estudos acrescentou conhecimento e
experiência ao autor. Ao longo do desenvolvimento foram encontradas dificuldades
que necessitaram ser resolvidas para que o trabalho atendesse os objetivos. Nem
sempre as informações contidas em manuais técnicos de produtos trazem todas as
informações necessárias para a solução dos problemas que surgem nas
implementações de projetos de automação.
O protótipo do laboratório pode ser utilizado de modo compartilhado com as
disciplinas de Controle e Automação, Acionamentos de Máquinas Elétricas,
Programação de Computadores, Eletrônica de Potência, Instrumentação e
Laboratório V. O protótipo proposto dará sustentação a realização de atividades
práticas particulares em cada uma destas disciplinas.
A partir da aquisição dos equipamentos sugeridos para montagem do
protótipo sugerido neste trabalho, a montagem propriamente dita do protótipo é
possível que os equipamentos sejam utilizados para o desenvolvimento de projetos
futuros. Seguem alguns temas que poderão ser desenvolvidos caso este projeto seja
implementado:
Desenvolvimento de um protótipo físico onde os estudantes possam
realizar atividades práticas cotidianas como controle de nível de
reservatórios, movimentação de materiais através de esteiras
transportadoras;
Integração do protótipo desenvolvido à ferramenta NETLAB que
permita o acesso remoto ao laboratório;
Aplicação de CLPs em sistemas de controle de demanda e
gerenciamento de energia;
Aplicação de inversores de frequência no controle de velocidade e
posicionamento de motores assíncronos.
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A introdução do conceito DALI por este trabalho permite que projetos futuros
possam utilizar os equipamentos aqui apresentados como referência no estudo de
viabilidade econômica de projetos de retrofit de sistemas de iluminação convencional
por sistemas de iluminação automático com luminária a LED dimerizáveis, sensores
de luminosidade e de presença sem fio, entre tantas coisas mais.
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REFERÊNCIAS
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46
Disponível em: <http://www.snumam.com.br/download-manuais/siemens/G120C_Getting Started_pt_rev2.pdf>. Acesso em: 23 jul. 2016.
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APÊNDICE 1 - INSTALAÇÃO DO CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL
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APÊNDICE 2 - APRESENTAÇÃO DO SOFTWARE DE PROGRAMAÇÃO E
ESTABELECIMENTO DA COMUNICAÇÃO ENTRE O COMPUTADOR E O
CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL
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APÊNDICE 3 – TUTORIAL DE CRIAÇÃO DE UM NOVO PROJETO NO
SOFTWARE DE PROGRAMAÇÃO TIA PORTAL V13
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APÊNDICE 4 – TUTORIAL DE CRIAÇÃO DOS BLOCOS DE FUNÇÕES NO
SOFTWARE TIA PORTAL V13
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APÊNDICE 5 – CONEXÕES ELÉTRICAS DOS DISPOSITIVOS DE CAMPO ÀS
ENTRADAS E SAÍDAS DIGITAIS DO CLP
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APÊNDICE 6 – TUTORIAL DE UTILIZAÇÃO DA INTERFACE HOMEM MÁQUINA
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APÊNDICE 7 – TUTORIAL DE PERSONALIZAÇÃO DAS TELAS DA IHM
CONFORME PROJETO DESENVOLVIDO NO CLP
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APÊNDICE 8 – TUTORIAL DE UTILIZAÇÃO DAS VARIÁVEIS ANALÓGICAS DO
CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL
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APÊNDICE 9 – PROPOSTAS DE EXERCÍCIOS PRATICOS PARA UTILIZAÇÃO
DO CLP E DA IHM
Exercício 1: Desenvolva a lógica no software TIA Portal V13 de um sistema de
controle para um portão automático seguindo as instruções a seguir:
a. Comando de abertura através do botão “START”;
b. Utilizar MOTOR 1 para abertura e fechamento do portão;
c. O portão deve ficar totalmente aberto durante 15 segundos;
d. O sistema possui 2 fim de cursos: FIM DE CURSO PORTAO ABERTO e FIM
DE CURSO PORTAO FECHADO que detectam quando o portão está
totalmente aberto ou totalmente fechado respectivamente;
e. O sistema possui um SENSOR DE PRESENÇA que detecta pessoas ou
objetos no curso do portão quando ele está aberto não permitindo que o
portão feche quando este sensor estiver acionado. Se o portão estiver
fechando, deve parar e começar a abrir novamente;
f. Caso o botão “START” seja pressionado novamente antes do fim do ciclo
(PORTÃO FECHADO), o portão deve iniciar a abertura novamente onde quer
que ele esteja. Se estiver aberto, deve ficar aberto por mais 15 segundos;
Exercício 2: Crie uma tela de IHM para representar o funcionamento do “Portão
Eletrônico” desenvolvido no Exercício 1. A tela de IHM deve atender os seguintes
requisitos.
a. Possuir botão “START”;
b. Elemento verde aceso sinalizando que o portão está aberto;
c. Elemento vermelho aceso sinalizando que o portão está fechado;
d. Elemento verde piscando sinalizando que o portão está abrindo;
e. Elemento vermelho piscando sinalizando que o portão está fechando;
f. Criar um DataBlock específico para esta tela da IHM;
g. Criar um Bloco de Função “IHM PORTAO ELETRÔNICO”.
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Exercício 3: Conecte um potenciômetro na fonte 0-10Vcc e conecte a saída na
entrada analógica AI 0 do CLP. Não esqueça de interligar a referência da fonte
(GND) à referência da entrada analógica do CLP (2M).
Varie a resistência do potenciômetro e observe no TIA Portal a variação do sinal
analógico.
Exercício 4: Considere que este sinal é a saída de um sensor de nível ultrassônico
que está medindo o nível de um tanque. O tanque tem 700 litros. Quando o tanque
está cheio o sinal é 0V e quando o tanque está vazio o sinal é 10V. Faça a alteração
nos parâmetros para que se obtenha esses valores na saída bloco analógico.
Exercício 5 – Crie uma tela de IHM que apresente a variação em litros deste tanque.
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APÊNDICE 10 – TUTORIAL DE UTILIZAÇÃO DO INVERSOR DE FREQUÊNCIA
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APÊNDICE 11 – PROPOSTAS DE EXERCÍCIOS PRÁTICOS COM INVERSOR DE
FREQUÊNCIA E INTEGRAÇÃO COM O CLP E COM A IHM
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