UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPRITO SANTO CENTRO TECNOLGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA PROJETO DE GRADUAO

PROJETO DE SISTEMAS DE ENTRADA E SADA DIGITAIS PARA SIMULAO DE CONTROLE COM PLCS

RICARDO SOARES DE FREITAS

VITRIA ES JULHO/2005

RICARDO SOARES DE FREITAS

PROJETO DE SISTEMAS DE ENTRADA E SADA DIGITAIS PARA SIMULAO DE CONTROLE COM PLCS

Parte manuscrita do Projeto de Graduao do aluno Ricardo Soares de Freitas, apresentado ao Departamento de Engenharia Eltrica do Centro Tecnolgico da Universidade Federal do Esprito Santo, para obteno do grau de Engenheiro Eletricista.

VITRIA ES JULHO/2005

RICARDO SOARES DE FREITAS

SISTEMAS DE ENTRADA E DE SADA DIGITAL PARA SIMULAO DE CONTROLE COM PLCS

COMISSO EXAMINADORA:

___________________________________ Prof. D.Sc, Jos Denti Filho Orientador

___________________________________ Prof. D.Sc, Alessandro Mattedi Examinador

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

Vitria - ES, 26, Julho, 2005

DEDICATRIA

Deus, meu Senhor e Salvador. Aos meus pais Jades Gonalves de Freitas e Ivaldete Soares de Freitas.

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AGRADECIMENTOS Agradeo ao Deus Vivo, Senhor da vida, pela direo e capacitao para elaborao deste trabalho. Aos meus pais, Jades Gonalves de Freitas e Ivaldete Soares de Freitas, pela oportunidade que me foi dada de somente me dedicar aos estudos dando-me todo suporte. Ao Prof. Jos Denti Filho, D, SC. Pelo auxlio, ateno, disponibilidade e por acreditar em mim, ajudando-me em diversos assuntos acadmicos. Sumika Soares de Freitas, irm, a qual me auxiliou na elaborao escrita deste projeto. Aos queridos Irmos e Amigos Rubens Teixeira Junior, Larissa Dias Cruz, Vinicius Amorim Costa Gomes, pelo ombro amigo, quando necessitava. Aos preciosos colegas: Marisa Matedi Alves, Mrio Henrique Moura, Vinicius Ruiz Martins, Nilson Alves de Almeida Filho e Marcelo Gonalves Fernandes, Obrigado pelo suporte, incentivo e principalmente o companheirismo, onde um ajudou ao outro para que pudssemos realizar este objetivo, conquistar o ttulo de Engenheiro Eletricista. Aos demais Amigos e Colegas. Muito Obrigado.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Entrada e Sada do PLC............................................................................. 13 Figura 2 - a) FX1N-Source; b) FX1N-Sink................................................................. 17 Figura 3 - a) Source; b)Sink. ....................................................................................... 18 Figura 4 a) Push-Buttons; b) Chave Seletora; c) Chave Limite............................... 19

Figura 5 Chave Thumbwheel[3]............................................................................... 20 Figura 6 Chave Thumbwheel com Disparo de Rel................................................. 21 Figura 7 Layout do Circuito de Entrada Chave Thumbwheel com Disparo de Rels.22

Figura 8 Desenho da Mascara do Kit....................................................................... 22 Figura 9 Conexo do Kit ao PLC FX1N.................................................................. 23 Figura 10 Ligao dos Dispositivos de Sada ao PLC FX1N.................................. 24 Figura 11 Disparo de Rel. ...................................................................................... 25 Figura 12 Layout do Circuito de Sada Controle de Rels........................................ 26 Figura 13 Desenho da Mascara do Kit..................................................................... 26 Figura 14 Conexo do Kit ao PLC FX1N................................................................ 26 Figura 15 Circuito do Sistema de Sada Luzes Disparo de Triac. ........................ 27 Figura 16 Layout do Circuito de Sada Luzes Disparo de Triac........................... 28 Figura 17 Desenho da Mascara do Kit..................................................................... 28 Figura 18 Conexo do Kit ao PLC FX1N................................................................ 28 Figura 19 Circuito do Sistema de Sada Ventiladores (FANS). .............................. 29 Figura 20 Layout do Circuito de Sada Ventiladores (FANS)................................. 30 Figura 21 Desenho da Mascara do Kit..................................................................... 30 Figura 22 Conexo do Kit ao PLC FX1N................................................................ 30 Figura 23 Circuito do Sistema de Sada Sirene. ...................................................... 31 Figura 24 Layout do Circuito de Sada Sirene. ........................................................ 32 Figura 25 Desenho da Mascara do Kit..................................................................... 32 Figura 26 Conexo do Kit ao PLC FX1N................................................................ 32 Figura 27 Circuito das Fontes de 5, 12, 24 Vcc....................................................... 33 Figura 28 Layout do Circuito das Fontes................................................................. 35 iii

Figura 29 Desenho da Mascara da Fonte DC. ......................................................... 35 Figura 30 Conexo das Fontes aos Sistemas de Entrada e de Sistemas de Sada e

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

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LISTA DE TABELA Tabela 1 - Power Requirements. Retirada do Manual do Hardware do PLC[1]. ....... 14 Tabela 2 - 24VDC Input Specifications. Retirada do Manual do Hardware[1]. ......... 14 Tabela 3 - Output Specifications, Retirada do Manual de Hardware[1]..................... 14 Tabela 4 - Sistemas de Entrada\Sada Digital (Discreto)............................................ 15 Tabela 5 - Conjunto de Sistemas de Entradas e de Sadas Discretos Escolhidos. ...... 15 Tabela 7 - Lista dos Componentes de entrada. ........................................................... 19 Tabela 8 Tabela Verdade das sadas da chave Thumbwheel.................................... 20 Tabela 9 Tabela Verdade do 74SL240[6]. ............................................................... 21 Tabela 10 Lista dos Componentes Necessrios para Construo do Sistema de

Entrada Chave Thumbwheel com Disparo de Rels. .................................................. 22 Tabela 12 Lista dos Componentes Necessrios para a Construo do Sistema de

Sada Disparo de Rel. ................................................................................................ 25 Tabela 13 Lista dos Componentes Necessrios para a Construo do Sistema de

Sada Luzes. ................................................................................................................ 27 Tabela 14 Lista dos Componentes para Construo do Sistema de Sada

Ventiladores(FANS). .................................................................................................. 29 Tabela 15 Lista dos Componentes Necessrios para a Construo do Sistema de

Sada Sirene................................................................................................................. 31 Tabela 16 Especificaes dos Reguladores de Tenso[5]. ...................................... 34 Tabela 17 Dados do Trafo Escolhido....................................................................... 34 Tabela 18 Lista dos Componentes Necessrios para Construo da Fonte............. 35 Tabela 19 Oramento dos Componentes por Estabelecimento................................ 38

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SUMRIO DEDICATRIA...........................................................................................................I AGRADECIMENTOS............................................................................................... II LISTA DE FIGURAS ...............................................................................................III LISTA DE TABELA.................................................................................................. V SUMRIO .................................................................................................................VI RESUMO ................................................................................................................VIII 1 2 INTRODUO.............................................................................................. 12 CARACTERISTICAS DE ENTRADA E DE SAIDA E DEFINIO

DOS SISTEMAS ....................................................................................................... 13 2.1 Caractersticas de Entradas e de Sadas Digitais.............................................. 13 2.1.1 Caractersticas do PLC FX1N ................................................................ 13 2.1.2 Caractersticas de Entrada ...................................................................... 14 2.1.3 Caractersticas de Sada .......................................................................... 14 2.2 Definio do Conjunto de Sistemas de Entradas e de Sadas Discretos .......... 15 2.3 Concluses ....................................................................................................... 16 3 SISTEMAS DE ENTRADAS ....................................................................... 17 3.1 Wiring Tpicos.................................................................................................. 17 3.2 Chaves Seletora, Push-Buttons e Chaves Limite ............................................. 18 3.2.1 Circuitos Projetados................................................................................ 18 3.2.2 Especificao dos Componentes ............................................................ 19 3.3 Chave Thumbwheel com Controle de Rels..................................................... 19 3.3.1 Circuito Projetado................................................................................... 20 3.3.2 Especificao dos Componentes ............................................................ 21 3.3.3 Montagem do Kit de Entrada Chave Thumbwheel com Disparo de Rels22 3.3.4 Procedimento para Conexo do Kit ao PLC FX1N................................ 23 3.4 Concluses ....................................................................................................... 23 4 SISTEMAS DE SAIDAS DIGITAIS ........................................................... 24 4.1 Exemplo de Sada Rel Typical Relay[1] .................................................. 24 4.2 Disparo de Rel ................................................................................................ 25 vi

4.2.1 Especificao dos Componentes. ........................................................... 25 4.2.2 Montagem do kit de Sada Controle de Rel.......................................... 26 4.2.3 Procedimento para Conexo do kit ao PLC FX1N ................................ 26 4.3 Sistema de Sada Luzes Disparo de Triac ..................................................... 27

4.3.1 Especificao dos Componentes ............................................................ 27 4.3.2 Montagem do kit de Sada Luzes - Disparo de Triac ............................. 28 4.3.3 Procedimento para Conexo do kit ao PLC FX1N ................................ 28 4.4 Sistema de Sada Ventiladores (FANS) ........................................................... 29 4.4.1 Especificao dos Componentes ............................................................ 29 4.4.2 Montagem do kit de Sada Ventiladores (FANS)................................... 30 4.4.3 Procedimento para Conexo do kit ao PLC FX1N ................................ 30 4.5 Sistema de Sada Sirene ................................................................................... 31 4.5.1 Especificao dos Componentes ............................................................ 31 4.5.2 Montagem do kit de Sada Sirene........................................................... 31 4.5.3 Procedimento para Conexo do kit ao PLC FX1N ................................ 32 5 FONTES ......................................................................................................... 33 5.1 Introduo......................................................................................................... 33 5.2 Projeto do Circuito das Fontes de 5, 12 e 24VDC. .......................................... 33 5.2.1 Montagem das Fontes de 5, 12 e 24Vcc................................................. 35 5.2.2 Procedimento para Conexo da Fonte ao PLC FX1N e aos kits............ 35 5.3 Concluses ....................................................................................................... 36 6 ORAMENTO DO PROJETO ................................................................... 37 6.1 Pesquisa de Preos ........................................................................................... 37 6.2 Concluses ....................................................................................................... 38 7 CONCLUSES.............................................................................................. 39

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS.................................................................... 41

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RESUMO

Em virtude da falta de laboratrio e modelos especficos para o aprendizado acadmico de sistemas de controle com PLC, ou CLP, (Controle Lgico Programvel). Desenvolveram-se projetos de modelos, Kits didticos, de entrada e sada discretos, digitais, para uso em simulao de controle usando PLC. Estes modelos fazem a interface entre o dispositivo de campo e o PLC. O projeto baseou-se na seguinte metodologia: Estudo detalhado das caractersticas de entrada e de sadas digitais, do PLC FX1N Mitsubishi; definio do conjunto mnimo de sistemas de entrada e sadas discretas simuladas, que didaticamente, melhor, simulassem o meio exterior ou a planta simulada; especificao das caractersticas e projeto do conjunto supra (Kits); elaborao do procedimento de utilizao, conexo dos kits; escrita do Projeto de Graduao. Uma vez que o objetivo deste projeto de graduao propor kits didticos, os mesmos foram escolhidos e projetados de maneira que a partir do seu modelo, futuramente, quando implementado, a comunidade acadmica de Engenharia Eltrica e demais cursos, possam utiliz-lo para aprimorar o conhecimento terico e prtico, em Controle Lgico e Seqencial.

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INTRODUOO principal fundamento para a elaborao do presente trabalho, constituiu-se na

necessidade de haver dispositivos capazes de auxiliar o aprendizado prtico de conceitos tericos adquiridos durante o curso de graduao. Mais especificamente em controle lgico e seqencial com PLCs, uma vez que tais controladores so utilizados maciamente em processos industriais, onde provavelmente, o futuro estudante de engenharia eltrica ir exercer sua profisso. Este trabalho tem como objetivo propor projetos de sistemas de entrada e sada digitais para simulao com PLCs, ou seja, propor kits didticos que simulem o processo industrial, uma vez que h um distanciamento entre a teoria aprendida em sala de aula e a prtica cotidiana, possibilitando ao aluno alguma experincia prtica com a utilizao do PLC. O presente trabalho limitou-se apenas no projeto, ou seja, em propor circuitos eletrnicos, de natureza digital, que iro realizar a interface entre o PLC e os dispositivos de campo. Ficando assim, concentrado na questo eletrnica dos circuitos. Contudo, tambm foram idealizadas as mscaras dos kits, bem como os desenhos dos layouts das placas de circuito impresso e a maneira de conexo dos kits no PLC FX1N Mitsubishi. O projeto visa propor estes kits para serem acoplados aos PLCs disponveis e compor um laboratrio de treinamento em Controle Lgico e Seqencial com PLCs. Portanto, para que os treinamentos fiquem mais prximos do real e para que sejam exploradas as possibilidades de utilizao de PLCs em Controle Lgico e Seqencial tais sistemas simulados so necessrios.

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CARACTERISTICAS DE ENTRADA E DE SAIDA E DEFINIO

DOS SISTEMASEste captulo diz respeito ao detalhamento das caractersticas de entrada e de sada digitais do PLC FX1N Mitsubishi disponvel no DEL-CTUFES, como tambm a escolha dos sistemas, kits.

2.1 Caractersticas de Entradas e de Sadas Digitais O estudo das caractersticas de Entradas e de Sadas Digitais do PLC FX1N Mitsubishi realizou-se com o Manual de Hardware[1].

2.1.1 Caractersticas do PLC FX1N O PLC Mitsubishi FX1N - 14MR ES/UL possui oito entradas em 24VDC

(Sink/Source) e oito sadas digitais a rel (SSR), como mostrado na Figura 1. No DELCTUFES dispe-se de dois PLC Mitsubishi FX1N.

Figura 1

Entrada e Sada do PLC.

Os smbolos, 14 MR

ES/UL, do nome do PLC FX1N significam

respectivamente: quatorze canais de I/O; tipo de unidade Main type; tipo de sada Rel; Fonte de alimentao AC World Spec; CE, UL Produto Registrado. A Tabela 1 apresenta os parmetros requeridos para alimentao do PLC utilizado. FX1N 14MPower supply Max. allowable momentary power failure period 100 240V AC +10%, - 15%, 50/60Hz 10ms; If less than 10ms, the PLC will continue operation. If 10ms or more, the PLC will shut down. 250V 1A 100V AC Max. 15A for 5ms

Fuse (size) rating In-rush current

14200V AC Max. 25A for 5ms Power consumption * 29W * Includes the input curent (7 or 5 mA per point). Tabela 1 - Power Requirements. Retirada do Manual do Hardware do PLC[1].

Tendo ento como base a Tabela 1, a fonte que ser utilizada para a alimentao do PLC ser a prpria Rede Eltrica, disponibilizada pela concessionria responsvel do Estado do Esprito Santo, Escelsa, pois a mesma, fornece tenso AC de 127 V/ 60Hz para uso residencial.

2.1.2 Caractersticas de Entrada A Tabela 2 apresenta as especificaes das oito entradas do PLC FX1N.FX1N main unit extension block X0 X7 Input voltage 24V DC + 10% Input current 24V DC, 7mA Input Switching current OFF ON >4.5mA ON OFF