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UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAZONAS ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA

ALEXANDRE MOTA DOS SANTOS

SISTEMA DE MEDIO E CONTROLE DE VAZO DE AR COMPRIMIDO

Manaus 2008

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ALEXANDRE MOTA DOS SANTOS

SISTEMA DE MEDIO E CONTROLE DE VAZO DE AR COMPRIMIDO

Proposta de monografia desenvolvida durante a disciplina de Trabalho de Concluso de Curso I e apresentada banca avaliadora do Curso de Tecnologia em automao industrial, como pr-requisito para a obteno do ttulo de tecnlogo em automao industrial.

ORIENTADOR: Prof. M.Sc. EDGARD LUCIANO OLIVEIRA DA SILVA

Manaus 2008

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LISTA DE FIGURAS FIGURA 5-1 SISTEMA EM MALHA ABERTA ................................................................................ 15 FIGURA 5-2 SISTEMA EM MALHA FECHADA .............................................................................. 15 FIGURA 5-3 SIMBOLOGIA DO BLOCO FB 250 ............................................................................. 29 FIGURA 5-4 SIMBOLOGIA DO BLOCO FB 251 ............................................................................. 30 FIGURA 5-5 MOVIMENTO LINEAR .............................................................................................. 36 FIGURA 5-6 MOVIMENTO ROTATIVO ......................................................................................... 36 FIGURA 6-1 DIAGRAMA EM BLOCOS DO PROJETO ..................................................................... 38 FIGURA 7-1 BLOCK-TRANSFER READ .......................................................................................... 41 FIGURA 7-2 PID......................................................................................................................... 42 FIGURA 7-3 BLOCK-TRANSFER WRITE......................................................................................... 42 FIGURA 7-4 MSG ...................................................................................................................... 43 FIGURA 7-5 LAYOUT IHM I ........................................................................................................ 44 FIGURA 7-6 LAYOUT IHM II ....................................................................................................... 44

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LISTA DE TABELAS TABELA 4-2 RELAO VAZAMENTO X POTNCIA CONSUMIDA ................................................ 13 TABELA 5-1 ESPECIFICAES DE PROGRAMAO DO BLOCO FB 250 ....................................... 29 TABELA 5-2 ESPECIFICAES DE PROGRAMAO DO BLOCO FB 251 ....................................... 30 TABELA 5-3 MODELO OSI ......................................................................................................... 33 TABELA 5-4 CABEAMENTO MODELO ETHERNET ........................................................................ 34 TABELA 5-5 COMPOSIO MENSAGEM PROTOCOLO TCP IP .................................................... 34 TABELA 7-1 VALORES DE ERRO DE MEDIO MODELO MS6-SFE-F5-P2I-M12 ...................... 40 TABELA 7-2 CRONOGRAMA ....................................................................................................... 45

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT AC A/D AFNOR BTR BTW CAN CLP CRC CSMA/CD D/A DC FBD FCS IEC IHM IL LAN LD MAN MSG OMV OSI P&G PID RTD SFC SFD ST TCI/IP UCP USB WAN Associao Brasileira de Normas Tcnicas Corrente alternada Analgico Digital Associacao francesa de Normas tcnicas (Block-transfer read) Bloco transferidor de leitura (Block-tranfer Write) Campus rea network . Controlador Lgico Programvel Ciclical Redundancy Check Carrier Sense Multiple Access/Colision detection Digital Analogico (Direct Current) Corrente Continua (Function Block Diagram) Lista de diagrama em bloco de funes Frame Check sequence International Electrotechnical Commission Interface Homem Maquina (Instruction List) Lista de instrues Local rea network (Ladder Diagram) Diagrama de contatos Metro rea Network. Message Off Measured Value Open System Interconection Procter & Gamble Proporcional Integral Derivativo ( resistence temperature detector) Detector de Temperetura por Resistencia (Sequential Function Charts) Linguagem sequencial Start Frame Delimeter (Structured Text) Texto estruturado Transmision Control Protocol-Internet Protocol Unidade Central de Procesamento Universal serial Bus Wide rea Network

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SUMRIO INTRODUO ........................................................................................................................ 7 1 TEMA ................................................................................................................................... 10 1.1 DELIMITAO DO TEMA..................................................................................... 10 2 FORMULAO DO PROBLEMA ............................................................................. 10

3 OBJETIVOS ................................................................................................................... 12 3.1 OBJETIVO GERAL .................................................................................................. 12 3.2 OBJETIVOS ESPECFICOS.................................................................................... 12 4 JUSTIFICATIVA ........................................................................................................... 12

5 REFERENCIAL TERICO ......................................................................................... 13 5.1 SISTEMAS DINMICOS ......................................................................................... 13 5.1.1 Tipos de Malha ....................................................................................................... 14 5.1.2 Tipos de Controle ................................................................................................... 15 5.2 SENSOREAMENTO ................................................................................................. 17 5.2.1 Erros de medio .................................................................................................... 18 5.2.2 Especificaes .......................................................................................................... 19 5.2.3 Condicionador de Sinal .......................................................................................... 22 5.2.4 Medidores de Fluxo ................................................................................................ 22 5.2.4.1 Sensores de Fluxo Baseados em presso ................................................................... 22 5.2.4.2 Sensores de Fluxo a turbina....................................................................................... 23 5.2.4.3 Sensores de Fluxo Baseado em Princpios trmicos ................................................ 24 5.3 CONVERSORES A/D E D/A .................................................................................... 24 5.3.1 Parmetros de Conversores ................................................................................... 24 5.3.2 Conversores A/D ..................................................................................................... 26 5.3.3 Conversores D/A ..................................................................................................... 27 5.4 CONTROLADOR LGICO PROGRAMVEL ................................................... 27 5.4.1 Programao ........................................................................................................... 27 5.4.2 Interface Homem maquina .................................................................................... 31 5.4.3 Redes ........................................................................................................................ 31 5.4.3.1 Modelo OSI ................................................................................................................. 33 5.4.3.2 Ethernet ....................................................................................................................... 33 5.5 ATUADOR .................................................................................................................. 35 5.6 MTODOS EXISTENTES........................................................................................ 37 6 MTODO PROPOSTO ................................................................................................. 38

7 METODOLOGIA........................................................................................................... 39 7.1 TRANSDUTOR .......................................................................................................... 39 7.2 CONVERSOR A/D ..................................................................................................... 40 7.3 CONTROLADOR PROGRAMAVEL ..................................................................... 40 7.4 CONVERSOR A/D ..................................................................................................... 43 7.5 IHM .............................................................................................................................. 43

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7.6 7.7 7.8 8

VLVULA DE CONTROLE .................................................................................... 44 RESULTADOS ESPERADOS .................................................................................. 45 CRONOGRAMA ........................................................................................................ 45 CONSIDERAES FINAIS ......................................................................................... 46

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................................................. 48

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INTRODUO O homem atual, embora no perceba, o elo final de uma intensa cadeia produtiva de bens de consumo que propiciam status, comodidade e conforto a seus usurios. Este processo iniciou-se no fim do sc. XVIII com a revoluo industrial, mas foi aps a segunda guerra mundial que o fluxo matria-prima, manufatura, bem de consumo, consumidor chega a apresentar um crescimento quase que exponencial e que modifica todo o proceder de nossas vidas cotidianas. De fato, impossvel pensar este sculo sem televisores, computadores, aparelhos de barbear com microchip, telefones celulares e etc. As tecnologias esto surgindo com uma janela de tempo cada vez menor entre elas e que tem como um de seus objetivos fazer com que o homem desprenda menos energia em suas atividades do dia-a-dia. neste contexto que esto inseridas as indstrias de manufatura que o estgio final da transformao da cincia em tecnologia. O alto consumo de produtos industrializados associada com a concorrncia em escala global leva as empresas a um interessante paradoxo: produzir mais com menos. Mais qualidade, mais quantidade, mais modelos... menos custo, menos tempo, menos desperdcio. H algumas dcadas, a automao, como a conhecemos hoje, vm oferecendo solues a estes desafios por meio de sistemas que integram o cho de fbrica as gerncias, possibilitando tomadas de decises estratgicas para a competitividade da indstria. Moraes e Castrucci [1] descrevem o papel da automao nas indstrias atuais: comum pensar que a automao resulta to somente do objetivo de reduzir custos de produo. Isso no verdade: ela decorre mais de necessidades tais como maior nvel de qualidade, expressa por especificaes numricas de tolerncia, maior flexibilidade de modelos para o mercado, maior segurana pblica e dos operrios, menores perdas materiais e de energia, mais disponibilidade e qualidade de informao sobre o processo e melhor planejamento e controles de produo.

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As variantes dos processos de produo so inerentes a cada tipo de indstria e apresentam-se de maneiras igualmente diversas. Mas os gastos com energia no. As indstrias no teriam as mesmas caractersticas por ns conhecidas se no conseguissem transformar energia em trabalho. Manter esteiras funcionando, fornos na temperatura correta, compressores ligados um custo fixo e oneroso para qualquer segmento industrial. Por ser um custo fixo, o gasto com energia no pode ser eliminado, apenas diminudo. Um custo fixo e alto reside na transformao de energia eltrica em ar comprimido para o funcionamento dos sistemas pneumticos fabris. Embora o ar comprimido esteja sendo usado h sculos para auxiliar nas mais diversas atividades humanas, a partir da revoluo industrial que o ar comprimido ganha os moldes pertinentes ao objetivo desta proposta de monografia. DallAmico [2] define pneumtica como o estudo sistemtico da utilizao do ar comprimido na tecnologia de acionamentos, comando e controle de sistemas. A pneumtica est presente, seno em todas, na maioria das plantas industriais, trazendo enormes vantagens [3], tais como: a) Menor custo operacional e segurana: atravs da substituio de mo-de-obra

humana por sistemas pneumticos que tem em seus movimentos um alto grau de repetibilidade e um ritmo continuo sem precisar de descanso, diminuindo tambm o nmero de acidentes devido falta de ateno humana aps longos perodos de atividade repetitiva causada pela fadiga. Tambm no explodem e trabalham com presses baixas; b) Baixos custos de implantao: Um bom projeto de obteno, tratamento e

distribuio de ar comprimido em uma planta fabril conseguem ser pago sem muitos problemas no decorrer de seu uso o que diminui os custos de manutenes futuras e expanses do sistema; c) Flexibilidade: a simplicidade dos sistemas pneumticos no exige pessoal

altamente treinado e garante que possam ser implantadas melhorias em mquinas, bastando para isso o fornecimento de ar comprimido; d) Resistncia dos sistemas: Os sistemas pneumticos so relativamente

resistentes a quebras e outras influncias fsicas como, por exemplo, a temperatura. Por si s, estas vantagens justificam o uso dos sistemas pneumticos na automao de manufatura. Apesar do objetivo deste trabalho no seja explanar detalhadamente sobre estes, ser assinalado algumas desvantagens destes sistemas para que o estudante de automao perceba que o importante a aplicao de recursos necessrios e exatos para a

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soluo de um problema, ou seja, no existe um nico caminho correto e sim um recurso mais adequado a ser utilizado para uma aplicao final. Segue algumas desvantagens [3]: a) Tratamento do ar: O ar comprimido precisa ser tratado para a retirada de

impurezas e freqentemente monitorado quanto condensao do ar a fim de prejudicar os sistemas pneumticos, onerando o custo de manuteno; b) Os sistemas pneumticos so projetados para suportar um limite de presso(1723,6 kPa)1. Assim, no pode ser utilizado em todos os processos, obviamente, aqueles que

precisam de presses maiores; c) Compressibilidade: A compressibilidade do ar no permite um controle de

parada eficaz e velocidades constantes.

no cerne desta questo que este trabalho de concluso do curso de Tecnologia em Automao Industrial prope sua colaborao: a diminuio dos gastos de energia eltrica atravs de um sistema automtico de medio e controle de vazo de ar comprimido. A pneumtica est presente em praticamente todos os ramos da indstria e em poder diminuir o consumo excessivo e desnecessrio desta energia possibilitando uma vantagem competitiva de uma indstria contra seus concorrentes. Este trabalho busca recursos na rea de Engenharia de Automao Industrial, Engenharia de Controle, Instrumentao e reas afins para a realizao do trabalho proposto sem, contudo, expor todos os conhecimentos contidos em to complexas reas que exigem do estudante dedicao em disciplinas especificas. Tambm, no objetivo deste trabalho de concluso de curso apresentar estudo detalhado sobre o ramo da pneumtica. Apenas se utilizar de seus conceitos e aplicaes para delinear as caractersticas do sistema proposto.

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Ao longo deste trabalho sero utilizados vrias unidades para mensurar vazo e presso. Optou-se pela no padronizao em uma nica unidade pois entende-se que o profissional em automao precisa ter a habilidade de relacionar os vrios tipos de unidades, pois isto uma realidade neste mundo de to variados fabricantes com vrias referencias metrolgicas. Assim, disponibilizado em anexo uma tabela de converso para grandezas de vazo e presso.

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PROJETO DE PESQUISA

1 TEMA Economia do consumo de vazo do ar comprimido em plantas industriais.

1.1 DELIMITAO DO TEMA Sistema de medio e controle de vazo de ar comprimido.

2 FORMULAO DO PROBLEMA O fator manuteno importantssimo em todo sistema fabril. A Associao Francesa de Normatizao (A.F.N.O.R.) define manuteno como sendo um conjunto de aes que permitam manter ou restabelecer um bem dentro de um estado especfico ou na medida para assegurar um servio determinado [4]. Nos sistemas pneumticos no diferente, preciso manter ou restabelecer vlvulas, cilindros, mangueiras, reguladores de fluxo, reparos, sistemas de distribuio e etc, para que o sistema possa assegurar uma aplicao confivel. Geralmente, estas manutenes s so feitas quando detectado um mau funcionamento destes equipamentos, como um cilindro que no atua de forma linear ou uma vlvula que no comuta por exemplo. Isto caracteriza uma manuteno corretiva. De acordo com a ABNT, Manuteno Corretiva a manuteno efetuada aps a ocorrncia de uma pane, destinada a colocar um item em condies de executar uma funo requerida. Observe que esta definio omite o carter planejamento de tal tipificao [5]. Ou seja, o equipamento para abruptamente e no se tem nenhum planejamento sobre seu reparo. As decises tomadas para o retorno do bom funcionamento do equipamento dependem do grau do conhecimento do tcnico de manuteno sobre o sistema em falha, do tipo da falha e dos recursos para repar-la. No necessrio dizer que muito oneroso ter todos estes fatores de maneira confivel. As equipes de manuteno tentam resolver isto atravs da manuteno preventiva que Tem o propsito de prevenir e evitar as conseqncias das falhas [6].

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As manutenes preventivas so realizadas periodicamente em equipamentos que no apresentam defeito e esto em situao condizente para produzir. No leva em conta a dinmica do processo produtivo e a rigor, apresentam listas de substituio e/ou verificao de peas, lubrificao e outros itens que necessariamente no necessitem de reparos. A prpria atividade do tcnico de manuteno preventiva, em suas atividades, pode acarretar em um defeito de equipamento devido a erro humano ou das peas de reposio. A falta de uma manuteno nos sistema pneumticos que antecipem as falhas aumenta os custos de produo, pois tem como conseqncias paradas de mquina e aumento excessivo de energia eltrica devido a estes no estarem trabalhando em um estado confivel e apresentando vazamentos que em uma primeira analise no podem ser detectados devido ao alto rudo e no apresentarem falhas perceptveis dos componentes pneumticos. Geralmente, os sistemas pneumticos em uma indstria no contam com mais do que manutenes corretivas e/ou manutenes preventivas. O que contradiz as tendncias atuais a utilizao da manuteno preditiva que de acordo com Siqueira [6] Busca a previso ou antecipao da falha; medindo parmetros que indiquem a evoluo de uma falha a tempo de serem corrigidas . A manuteno preditiva busca informaes em sistemas de monitoramento e dos manuais dos fabricantes (informaes sobre a vida til dos componentes utilizados, por exemplo) para poder acompanhar, prevenir e diagnosticar falhas antes do ocorrido. Esta proposta de monografia prope uma soluo a esta problemtica atravs de um sistema de medio e controle de vazo de ar comprimido que gere informaes em tempo real. Possibilitando o acompanhamento e planejamento dos reparos nos sistemas pneumticos. Sendo uma ferramenta para uma implementao eficaz de uma manuteno preditiva pela equipe de manuteno nos sistemas pneumticos.

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3 OBJETIVOS 3.1 OBJETIVO GERAL Economizar custos de energia eltrica mediante o desenvolvimento de um sistema automtico de medio e controle de vazo de ar comprimido atravs dos recursos disponveis pela automao industrial, como controladores lgicos programveis, CLPs, Transdutores e etc. 3.2 OBJETIVOS ESPECFICOS a) Integrar este sistema aos nveis elevados de superviso em automao

possibilitando melhor planejamento e execuo da otimizao dos custos com energia eltrica.b) c)

Fornecer informaes em tempo real ao setor de planejamento de manuteno. Apresentar um prottipo em malha fechada , utilizando um transdutor para

captao de dados e um CLP para gerenciar o controle do processo e gerenciamento das informaes pertinentes ao planejamento de manuteno em tempo real.

4 JUSTIFICATIVA A Procter & Gamble (P&G) uma empresa de propores mundial instalada nos mais diversos pases e com um uma imensa gama de produtos em seu portflio. Em Manaus, ela esta representada pela sua unidade de manufatura de aparelhos de barbear descartveis. A P&G em sua poltica de qualidade zela pela integridade fsica e mental de seus funcionrios. Deste modo, como parte da poltica de reduo de doenas com causa no ambiente de trabalho, foi iniciado um projeto de reduo de rudos decorrente do uso do ar comprimido na planta. No decorrer deste projeto, foi constatado uma grande incidncia de vazamentos nos circuitos pneumticos dos equipamentos, decorrente de falta de manuteno adequada, fim da vida til dos componentes ou simplesmente erro humano. Constatou-se que o gasto de energia eltrica com a gerao de ar comprimido era segundo maior gasto da planta Manaus. Um custo que poderia ser diminudo com a eliminao de vazamentos .

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Assim, percebeu-se a necessidade de um projeto que auxiliasse a equipe de manuteno atravs do monitoramento dos circuitos pneumticos e proviso de dados para o planejamento de manuteno. A tabela 4-1 [3] demonstra os valores de potncia desperdiados em relao ao dimetro do orifcio do vazamento. Em um primeiro momento os valores parecem irrisrios mas bom lembrar que em uma grande planta industrial todos os valores dos vazamentos somados correspondem uma perda enorme de economia.

Tabela 4-1 Relao Vazamento X Potncia Consumida

Fonte: PARKER Hannifin Ind. Com Ltda

5 REFERENCIAL TERICO 5.1 SISTEMAS DINMICOS Sistemas dinmicos so sistemas que podem ser modelados por equaes diferenciais, em que o tempo a varivel independente [1]. Deste modo, todo sistema que se utiliza de tal relao pode ser classificado como sistema dinmico. Na automao, estes sistemas esto presentes e so classificados como time-driven, ou seja, acionados pelo tempo. Que podem ser contnuos no tempo ou discretos no tempo. Com a evoluo dos sistemas combinacionais que tem um tempo de resposta quase que instantneo, a automao tambm vem classificando estes de sistemas dinmicos eventdriven, ou seja, acionados por eventos discretos. Estes sistemas no utilizam a relao diferencial de origem newtoniana e sim sinais lgicos e de relao causa efeito.

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Este trabalho utilizar os conceitos do sistema dinmico time-driven contnuo em amplitude e discreto no tempo. Em automao estes sistemas so utilizados para controlar algum processo fsico e tem como vantagens a tomada de decises sem interferncia humana. Isto faz com que o sistema consiga diminuir o valor de erro entre o valor real e o desejado o mximo possvel independente de variveis externas [7]. Quando do estudo de um sistema dinmico de controle, evidente o princpio que este seja dividido em componentes que tem uma funo especfica e que esto interligados [8]. Este sistema pode ser basicamente dividido em: a) Controlador: a inteligncia do sistema. Recebe o sinal eltrico que representa o processo fsico, faz um comparativo entre esta e o valor desejado e gera um sinal de sada que representa o valor desejado livre ao Maximo de erros. b) Atuador: Converte o sinal desejado em alguma ao no mundo fsico. c) Varivel controlada: Grandeza fsica a ser controlada d) Varivel de referencia (setpoint): Sinal geralmente eltrico na entrada do controlador. e) Varivel manipulada: grandeza fsica diferente da varivel controlada, mas que a influencia de maneira significativa.

5.1.1

Tipos de Malha Os sistemas dinmicos de regulagem podem ser classificados de acordo com a sua

modalidade de aplicao do controle [9]: Aplicao em malha aberta: O controlador trabalha de forma independente, enviando sinais desejados ao atuador para modificao da varivel controlada, mas em nenhum momento o controlador sabe, ou consegue saber o real status da varivel controlada. A malha aberta muito usada em processos com um alto grau de repetibilidade.A figura 5-1 apresenta um diagrama em blocos de um sistema em malha aberta.

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Figura 5-1 Sistema em Malha Aberta

Aplicao em malha fechada: Em sistemas em malha fechada o controlador sabe o status da varivel controlada, baseado nas informaes obtidas por essa monitorao o controlador pode tomar decises para ajuste e estabilidade do sistema. Esta caracterstica conseguida atravs do mdulo de realimentao: um sensor que colhe amostras sucessivas da varivel controlada e disponibiliza um sinal representativo que possa ser compreendido pelo controlador. O sinal do sensor diminudo do valor de setpoint (valor desejado da varivel controlada) resultando no erro do sistema. O valor ideal para o erro do sistema zero e isto significa que o sistema est onde o controlador quer. A figura 5-2 apresenta um diagrama em blocos de um sistema em malha fechada.

Figura 5-2 Sistema em Malha Fechada

5.1.2

Tipos de Controle Os controladores industriais podem ser classificados quanto ao modo com que tratam

a varivel controlada. Isto possibilita uma maior ou menor taxa de erro da grandeza fsica controlada. Estes controladores so projetados para aplicaes gerais, isto , no so

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utilizados em apenas um tipo de processo. Podemos classificar os controles industriais como [8]: a) Controle ON/OFF

So controles que admitem apenas dois estados lgicos em seu atuador. Essa caracterstica faz com que a varivel manipulada sempre oscile entre valores acima e abaixo do valor desejado. Essa diferena entre valor desejado e valor real chamada de erro de offset. Estes controladores podem apresentar um tempo morto elevado, que a faixa de tempo entre a oscilao da varivel e a deteco desta oscilao pelo controlador Apesar disto, os controladores on/off so bastante utilizados pelo seu baixo custo em processos simples. b) Controle Proporcional

A prpria ao do controlador on/off para ajuste do processo causa uma oscilao na varivel controlada. O controlador proporcional impede esta caracterstica gerando um sinal ao atuador proporcional ao valor de desvio. A diferena entre o valor real da varivel controlada e o valor de offset multiplicada por um fator KP, dando assim a caracterstica proporcional ao controlador. Esta caracterstica trabalha em um faixa proporcional. Fora desta faixa o controlador trabalha como um on/off. Evidente que quanto menor a faixa mais oscilaes o meu sistema ter. Apesar disso, o controlador proporcional no consegue acabar com o erro de offset mas depende do valor do KP.Assim, o uso deste controlador indicado onde no exista uma variao muito grande do processo medido. c) Controle Integrativo

Projetado para eliminar o erro de offset, esta correo integrada no tempo e atua lentamente, at zerar o erro de offset. Assim, a eliminao do erro de offset depende deste e do tempo em que ele perdura. Caracterizando uma desvantagem do sistema quando da existncia de rpidas variaes de desvios Quanto maior for o valor do erro mais rpido ser a ao integral . d) Controle Proporcional-integrativo

composto pela caracterstica proporcional de correo instantnea de desvio e da integral que correo enquanto permanecer qualquer desvio. Por tem um amplo uso na indstria. Mas tambm levam as desvantagens destes controles que a sua atuao apenas na existncia de desvios. Sistemas no podem prever desvios antes destes acontecerem, mas podem antecipar sua correo. e) Controle derivativo

O controle derivativo funciona em funo da variao do desvio e no da sua amplitude. Ele antecipa a correo do desvio impedindo o aumento deste assim diminuindo o

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tempo de resposta. Note que se o desvio for constante o controle derivativo no atua. Este controle inadequado em sistema com uma alto grau de variao e sujeito a rudos, Isto se aplica ao controle de vazo, pois rpidas mudanas na medio do desvio causar grandes e rpidas mudana no atuador, ou seja, a vlvula estar em constante movimento e causando instabilidade no sistema e diminuindo o tempo de vida til deste componente. f) Controle proporcional derivativo

Composto pela caracterstica proporcional de correo instantnea de desvio e do controle derivativo que antecipa a atuao de controle em desvios medidos, uma soluo para sistemas com caractersticas transitrias e sistemas estacionrios. g) Controle Proporcional Integral Derivativo

Rene as vantagens dos trs tipos de controle mencionados. Por isso, em tese pode ser utilizado em qualquer sistema.

5.2 SENSOREAMENTO O sensoreamento um estgio indispensvel em sistemas de automao industrial. Os sensores fazem o elo entre o mundo fsico e os sistemas de controle. So eles os responsveis pela transformao de fenmenos naturais que necessitam ser medidos em sinais que possam ser entendidos pelo controlador em uso. Os tipos de sensores so to diversos quanto s aplicaes a que se destinam. De acordo com Moraes e Castrucci [1], os sensores podem ser classificados em dois grupos, de acordo com o sinal fornecido em sua sada. Sensores discretos: Este tipo de sensor indica eventos tais como a presena ou no de um objeto. Suas sadas assumem nveis lgicos tais como zero ou 24 v, ligado ou desligado, zero ou um e etc. Natale [10] classifica estes sensores de transdutores digitais. Sensores de medio ou transdutores: Estes sensores apresentam em suas sadas valores eltricos proporcionais aos valores fsicos medidos. Isto , para cada valor fsico medido na entrada do transdutor existe um valor correspondente e proporcional na sada do sensor. Tambm chamados de sensores analgicos por Natale [10]. Estes sensores so imprescindveis em sistemas de controle dinmicos e sero o alvo deste estudo.

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5.2.1

Erros de medio Um sistema de medio est intrinsecamente ligado a seu agente medidor, no caso

um sensor de medio ou transdutor. No possvel trabalhar com instrumentos se no levarmos em conta os fatores que possam lev-los a apresentarem erros de medida. O ideal que o instrumento utilizado possa indicar um sinal que represente fielmente o fenmeno medido. Na pratica isto no existe e os erros de medidas so caractersticas que os prprios fabricantes informam nos catlogos de seus produtos. Estes erros podem ser agravados. Moraes e Castrucci [1] classificam estes erros em quatro. Erros absolutos e relativos so definies de erro obtidos atravs de instrumento padro. O que no foco de nosso estudo. Erros sistemticos so aqueles que no variam de uma leitura para outra. [1]. Suas fontes so: a) De construo: erros na fabricao do instrumento, tais como

dimensionamento, tolerncias de componentes; b) c) componentes; d) e) neste sinal; f) Multiplicativos: Multiplicao da varivel de entrada por um certo valor. De insero: Erros quando o prprio instrumento interfere na leitura; Aditivos: Interferncia no valor de zero da sada atravs de superposio de De aproximao: Erros de comparaes entre variveis lineares; De envelhecimento: fadiga do instrumento devido final da vida til de seus

Erros randmicos variam a sada de maneira aleatria quando se tem uma mesma medio na entrada. So fontes de erros randmicos: a) b) c) d) Operao: Erros de paralaxe incertezas devido operao; Ambientais: temperatura, presso, Interferncia eletromagntica e etc; Rudos; rudos causados por materiais e componentes do prprio instrumento; Dinmicos: Atritos, inrcias e etc;

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5.2.2

Especificaes As especificaes so as caractersticas inerentes a um transdutor fornecidas pelo

fabricante do mesmo afim de oferecer um recurso de comparao entre produtos similares e auxiliar na escolha de um produto que mais se adqe a aplicao exigida. Escolher corretamente um transdutor atravs do estudo de suas especificaes diminui as chances de erros de medio que tem um efeito cascata em todo o sistema. Moraes e Castrucci [1] apresentam algumas especificaes de um transdutor que devem ter seus conceitos muito bem assimilados. Entre parnteses est a nomenclatura utilizado por Natale[10] dos mesmos tpicos. a) Sensibilidade (Constante de Proporcionalidade) a razo entre um valor sada pelo valor correspondente de entrada;

b) Fundo de Escala (Faixa de medida, range) Janela de valores da entrada e sada a qual o instrumento pode trabalhar normalmente;

c) Resoluo a definio entre valor mnimo e fundo de escala da sada. Valor mnimo definido como valor que seja perceptvel para que o transdutor mude o sinal de sada; %Resoluo =

d) Exatido Fator que indica que o ponto de medio esteja no mesmo ponto do valor real; %Exatido=

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e) Preciso (Preciso) o desvio Maximo entre o valor medido o valor real;

f) Linearidade (Linearidade) a aproximao entre a funo entrada/sada e uma reta. Geralmente mensurada a no linearidade; %NL=

g) Offset Desvio de zero do sinal de sada quando o valor medido na entrada zero;

h) Repetibilidade (Repetibilidade) Indica a capacidade do transdutor apresentar em sua sada os mesmos valores para um dado valor de entrada medido varias vezes. expressa em frao de preciso;

i) Reprodutibilidade (estabilidade) Indica o grau de relao entre as medidas feitas em condies variveis, tais como mtodo de medio, condies de uso e etc;

j) Histerese Dado um valor de entrada obtem-se valores diferentes na sada. A faixa de melhor funcionabilidade de um sensor a que mais se aproxima de uma caracterstica linear na curva de histerese;

k) Banda Morta Regio ou faixa de valores de entrada a qual o instrumento no apresenta modificaes nos valores de sada;

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l) Banda de Erro esttica o total da soma dos defeitos de medio de instrumentao;

Onde:

- erro de linearidade - erro de histerese - erro de repetitividade - erro de outros parmetros

Os valores de erro tolerveis esto dentro de uma faixa entre duas retas paralelas que so tratadas eqidistantes a uma terceira reta que obtida pela funo entrada/sada de um transdutor. Natale[10] chama esta reta de reta otimizada de um transdutor. E a partir dela que ele define o clculo para linearidade ao traar uma reta paralela ao eixo das ordenadas, chamando-as de V1 e V2.

m) Retardo (Velocidade de resposta) Tempo que o transdutor utiliza para reagir a uma mudana na entrada. Dividi-se em: Tempo de resposta: Tempo para sada atingir 0% a 95% do estado

estacionrio Tempo de subida: Tempo para sada atingir de 10% a 90& do estado

estacionrio Tempo de acomodao: Tempo para a sada se estabelecer em certa faixa do

estado estacionrio (% a 5%). Alm dos fatores tcnicos citados, importante analisar o custo do transdutor que ser escolhido para o projeto. A relao custo beneficio tem de ser bem analisada para no onerar o projeto de forma desnecessria.

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5.2.3

Condicionador de Sinal Natale [10] apresenta um outro dispositivo ligado a um transdutor: o condicionador

de sinal. Este dispositivo converte um sinal eltrico em outro sinal eltrico em que se possa manipular mais habilmente. Muitas vezes, o transdutor gera um sinal de sada no adequado, isso pode acontecer devido a caractersticas fsicas como baixa potencia do sinal, por exemplo, ou devido ao conversor analgico digital do sistema utilizado no ser capaz de fazer sua leitura na faixa fornecida pelo transdutor. De maneira geral, um transdutor sempre esta ligado a um condicionador de sinal.

5.2.4

Medidores de Fluxo Dallamico [2] define fluxo como a circulao de ar comprimido quando da

existncia de uma diferena de presso entre dos pontos. E vazo a quantidade de fluxo (fluido) que escoa em um determinado espao de tempo. No Sistema Internacional vazo definida como:

Para este estudo ser utilizado o termo fluxo para referenciar vazo. Um sensor de fluxo um sensor de vazo que tem como objetivo medir a relao apresentada acima. Existem diversas formas de se medir um fluxo. Ser apresentado as mais usuais.

5.2.4.1 Sensores de Fluxo Baseados em presso Estes sensores se baseiam no fato de presso e fluxo pneumtico obedecerem uma relao direta [7]. Um sensor de presso mede a presso e conhecendo-se as dimenses do sistema possvel calcular o fluxo. Um dos meios de utilizar este conceito chama-se orifice plate que consiste em colocar um ponto de estrangulamento no tubo causando uma queda de presso. A presso medida antes e depois do estrangulamento. O fluxo proporcional a queda de presso entre esses dois pontos e calculado pela formula abaixo.

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Q = fluxo C = coeficiente de descarga (0,63 para a gua quando o dimetro do orifcio, estrangulamento, for metade do dimetro do tubo) A = rea do orifcio, estrangulamento. d = densidade do fluido

P2 P1 = diferena de pressa (psi)

= gravidade

A frmula descrita acima uma aproximao. Uma medio mais acurada depende de se levar em conta alguns outros fatores como velocidade do fluido, condies do tubo, janela entra as reas e . Alm do mais, para se conseguir um valor correto de coeficiente

de descarga(C), o sensor de fluxo precisa ser calibrado. Outra forma de se medir o fluxo de um fluido o estrangulamento do prprio tubo. No ponto do estrangulamento obtem-se um incremento de velocidade com uma presso menor. A medio de presso feita antes e no ponto do estrangulamento. O fluxo proporcional a queda de presso entre os dois pontos de medida de presso. Este mtodo se chama Venturi. Tem que ser tomado cuidados com este mtodo devido a quedas de presso que ele apresentar, o que pode causar transtornos em alguns sistemas. O tubo de Pito o mtodo que causa menos estrangulando no tubo. Este consiste de dois pequenos tubos abertos dentro do fluxo a se medir. Um primeiro indica o impacto da presso e o outro, perpendicular ao fluxo, indica a presso esttica. A diferena entre presso de impacto e presso esttica proporcional ao fluxo. Este mtodo muito utilizado em aviao para indicar velocidade.

5.2.4.2 Sensores de Fluxo a turbina Este mtodo consiste de instalar uma turbina de geometria especifica para se mover na mesma direo do fluxo a ser medido e um sensor na ponta da turbina. Este sensor que pode ser de efeito Hall gera um pulso a cada volta da turbina e a velocidade de rotao da

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turbina proporcional ao valor do fluxo [7]. Dependendo do fluxo a ser medido e das condies ambientais, talvez no seja possvel a utilizao do sensor de efeito Hall.

5.2.4.3 Sensores de Fluxo Baseado em Princpios trmicos Estes sensores utilizam a transferncia de calor e a primeira lei da termodinmica para realizar a medio do fluxo [11]. Ao entrar no transdutor o ar encontra um by-pass de fluxo laminar que gera uma queda de presso, forando uma pequena frao de ar a passar por um pequeno tubo em paralelo com o by-pass de fluxo laminar. Neste pequeno tubo chamado tubo sensor esto enrolados em forma de bobina duas resistncias de deteco de temperatura (RTD, resistence temperature detector). Estas resistncias esto postas em srie. A diferena de temperatura entre o primeiro RTD e o segundo causado pela passagem de fluxo de ar em relao a uma constante de aquecimento gera um sinal de sada que proporcional ao fluxo. 5.3 CONVERSORES A/D E D/A Controladores Lgicos Programveis (CLPs) so sistemas digitais que trabalham com duas possibilidades de valores: (0 ou 1, nvel alto ou baixo). Mas, como na maioria das aplicaes preciso interagir com o mundo fsico (fazendo leitura do meio ou atuando neste) que de natureza analgica, preciso de um interfaceamento destes dois mundos distintos. Os conversores A/D e D/A so os dispositivos responsveis por este papel.

5.3.1

Parmetros de Conversores Conversores A/D tem em seus circuitos conversores D/A para poderem realizar sua

converso. Deste modo, por se tratar de processos comuns a ambas as converses sero apresentados os parmetros importantes que se deve ter em mente em projetos utilizando conversores A/D e D/A de acordo com Tocci e Widmer [12]. Quando de uma aplicao especifica ser apresentado uma explanao mais detalhada em que conversor compete tal especificidade. a) Fundo de escala a faixa de valores que o conversor pode ler (Conversor A/D) ou fornecer (conversor D/A) b) Resoluo

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Tambm chamada de tamanho de degrau definida como o menor valor de entrada para se obter uma mudana na sada. Geralmente apresentada em forma de bit. Quanto maior o numero de bits de um conversor, melhor ser a sua converso. Conhecendo-se a resoluo e o fundo de escala, possvel encontrar uma relao entre elas que a definio matemtica de resoluo.

c) Preciso So valores especificados pelo fabricante que indica o quanto o valor da sada de um conversor D/A pode se desviar do ideal. A preciso um valor dependente dos componentes eletrnicos que constituem o conversor. Os fabricantes fornecem o valor do erro em porcentagem de fundo de escala. E podem ser com relao ao fundo de escala (erro de fundo de escala) ou em relao ao valor do degrau (erro de linearidade).

d) Quantizao a diferena entre o valor real e o valor digital associada a ela [12]. Embora os valores analgicos possam apresentar quaisquer valores dentro de uma faixa definida, s existira um valor digital correspondente a um valor analgico, o que no acontece inversamente. Um valor analgico pode variar dentro da faixa do valor de degrau sem alterar o seu correspondente digital. O erro de quantizao esta relacionado a resoluo do conversor, quanto mais bits tiver o conversor menor ser o erro de quantizao. Pode-se definir matematicamente o erro de quantizao como:

Para se obter o valor total do erro de um conversor basta somar o erro de preciso com o erro de quantizao. e) Offset Para um valor onde todos os bits de um conversor apresentassem valor zero, o valor analgico ideal correspondente deveria ser o valor mnimo de fundo de escala. Na pratica isto no acontece e o erro de offset deve ser corrigido para que no seja somado aos outros erros.

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5.3.2

Conversores A/D Um conversor analgico-digital um dispositivo que recebe uma tenso analgica de

entrada e depois de um certo tempo produz um cdigo digital de sada que representa a entrada analgica [12]. Para se obter um valor digital relacionado ao valor analgico. O conversor A/D faz uma amostragem do sinal a ser medido. a partir do valor obtido na amostra que o conversor realiza seu trabalho. O tempo de amostras por segundos especificado pelo fabricante e a freqncia de amostragens precisa ser pelo menos duas vezes maior que a freqncia do sinal medido, a fim de ser obter uma melhor representao digital do sinal. necessrio atentar para outros detalhes importantes na utilizao de um conversor A/D. a) Rudos Rudos podem causar erro na leitura e devem ser eliminados atravs da utilizao de fiao com blindagem e da obedincia ao manual do fabricante acerca deste assunto. b) Tempo de resposta Existe um tempo entre o inicio da amostragem e a obteno do valor digital. c) Multiplexao Muitos cartes de entrada analgicos (conversores A/D) disponibilizam varias entradas analgicas. Para compartilhar estas entradas feita uma multiplexao das entradas. Este recurso diminui a freqncia de amostragem, mas precisamente a freqncia de amostragem total deve ser dividida pelo nmero de entradas para se obter a freqncia de amostragem de cada sada. d) Entradas diferenciais e entradas simples possvel escolher entre estes dois tipos de entrada. Entradas diferencias no

utilizam o negativo do sistema, por isso so mais recomendadas para a reduo de rudos, mas diminuem o numero de entradas do carto de entradas analgicas. Entradas simples utilizam o negativo do sistema e tendem a ser mais suscetveis a rudos. possvel conhecer o valor inteiro (numero do degrau) relacionado a um valor analgico, pela formula abaixo:

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5.3.3

Conversores D/A O processo de converso D/A constitui no fato de a partir de um valor digital se obter

um valor analgico que tenha uma relao com o valor digital. E no geral, mais simples, embora esteja sujeito as mesmas caractersticas descritas acima, como erros de quantizao. Tambm possvel conhecer o valor analgico da sada de um conversor D/A a partir do valor inteiro (numero do degrau), pela formula, abaixo:

importante ressaltar que tanto esta frmula quanto a anterior esto sujeitas aos erros de quantizao.

5.4 CONTROLADOR LGICO PROGRAMVEL 5.4.1 Programao Os controladores Lgicos Programveis (CLPs) so dispositivos computadorizados

dedicados a atividade industrial. O CLP advm de uma necessidade da indstria de flexibilidade e confiabilidade no controle de seus processos. Os CLPs podem ser divididos em alguns dispositivos bsicos que constituem sua arquitetura [1]. a) Fonte de Alimentao responsvel pela converso da tenso AC para Tenses DC que so utilizadas pela UCP, para alimentao das memrias e do microprocessador. b) Unidade Central de Processamento (UCP) Unidade Central de processamento constituda pelo microprocessador que responsvel de executar o programa de usurio e atualizaes do sistema. nela que esto as memrias do usurio onde est armazenado o programa do usurio; memria de dados que uma tabela de valores manipulveis utilizada pelo programa do usurio; memria de entradas e sadas que so usadas como uma mascara das entradas e sadas. E a memria EPROM que contem o programa do fabricante que responsvel pela inicializao, gerenciamento do sistema. Este programa no acessvel pelo usurio.

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c) Mdulos de Entradas e Sadas So responsveis pelo interfaceamento entre sinais de tenso maiores com os sinais digitais que a UCP utiliza que so de baixa tenso. As entradas recebem os sinais de sensores que indicam o status do sistema a ser controlada. A UCP utiliza os dados de entrada para de acordo com a lgica do programa do usurio atuar as sadas. Geralmente, se utiliza uma fonte externa para excitar as entradas e chavear as sadas. Os mdulos de entrada e sada podem ser disponveis em cartes que so encaixados em um rack, junto com a UCP e a fonte, a esta configurao d-se o nome de modular. Ou estarem disponveis em um nico gabinete que no pode ser intercambivel, a qual chamado de compacto [10]. Por se tratar de assunto extenso e reconhecendo a existncia de excelentes livros sobre o assunto, este trabalho se deter nos conceitos e caractersticas importantes ao projeto proposto. A partir deste ponto, ser explanado como o CLP ler informaes analgicas e como envia informaes digitais. A capacidade de conexo do CLP com uma rede de dados e a capacidade de interao com uma unidade IHM. Desde fevereiro de 1993 foi estabelecido um padro internacional para programao de CLPs que adotado pela maioria dos fabricantes. O padro IEC 61131. Este documento padro divido em partes, segue as principais: IEC 61131-1 Avaliao (Overview) IEC 61131-2 Exigncias e Procedimentos de teste (Requirements and Test Procedures) IEC 61131-3 Tipos de Dados e Programao (Data types and programming) IEC 61131-4 Diretrizes de usurio (User Guidelines) IEC 61131-5 Comunicaes (Communications) IEC 61131-7 Controle Fuzzy (Fuzzy control) O padro IEC 61131-3 apresenta cinco tipos de linguagem de programao para CLPs que podem ser utilizados pelo programador. Elas so definidas como linguagens de alto nvel e podem ser usadas tanto para representar lgicas simples quanto complexas. So elas: IL ST LD FBD SFC Lista de instrues (Instruction List) Texto estruturado (Structured Text) Diagrama de contatos (Ladder Diagram) Lista de diagrama em bloco de funes (Function Block Diagram) Linguagem sequencial (Sequential Function Charts)

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Para se ler um valor analgico o IEC 61131-3 utiliza o bloco de funo FB250 I, Este bloco l um valor analgico de um mdulo de entrada analgico e gera um valor XA em uma janela especificada pelo usurio [10]. Um bloco de funo utilizado para controlar variveis complexas como temperatura, por exemplo.Sua simbologia est descrita na figura 5-3.

Figura 5-3 Simbologia do Bloco FB 250

Segue tabela explicativa dos parmetros a serem programados para a utilizao deste bloco de funes [13].

Tabela 5-1 Especificaes de Programao do Bloco FB 250 PARAMETRO XA BG KNKT EXPLANACAO Valor analgico colocado na sada Endereo do slot TIPO a ser W 0a7 KF Numero do canal e tipo de canal KF KY=x,y X=0;1 Y=0;1 0: Representao bipolar com ponto fixo -32767 a +32767 -32767 a +32767 KF FEH BU Erro no limite do valor setado BI Valor de XA fora dos limites OGR e UGR Bit em 1 quando XAOGR BI Bit em 1 quando UGR=OGR KY=x,y X=0 Y=0 representao unipolar 8 I/O EXTERNO I/O ONBOARD Valor de entrada dentro da faixa UGR a OGR

OGR UGR

Limite superior do valor de sada Limite inferior do valor sada

KF

Fonte: SIEMENS. Manual do Usurio: SIMATIC S5

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O bloco de funo FB 251 utilizado para gerar valores de funo analgico apropriados para um modulo de sada analgica. a seguir a sua simbologia e tabela explicativa [13]. Sua simbologia est descrita na figura 5-4.

Figura 5-4 Simbologia do Bloco FB 251

Segue tabela com parmetros a serem configurados para a utilizao deste bloco, conforme tabela 5-2 [13].

Tabela 5-2 Especificaes de Programao do Bloco FB 251 PARAMETRO XE BG KNKT EXPLANACAO TIPO Valor analgico colocado na sada Endereo do slot a ser W 0a7 KF Numero do canal e tipo de canal KF KY=x,y KY=x,y X=0;1 X=0 Y=0;1 Y=0 representao 0: representao bipolar unipolar com ponto fixo -32767 a +32767 -32767 a +32767 KF Bit em 1 quando UGR=OGR BI Bit em 1 quando XAOGR BI 8 Valor de entrada dentro da faixa UGR a OGR I/O EXTERNO I/O ONBOARD

OGR UGR FEH BU

Limite superior do valor de sada Limite inferior do valor sada Erro no limite do valor setado Valor de XA fora dos limites OGR e UGR

KF

Fonte: SIEMENS. Manual do Usurio: SIMATIC S5

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5.4.2

Interface Homem maquina Uma capacidade atrativa de um CLP a conexo com uma unidade de Interface

Homem - Mquina (IHM). As IHMs preparadas para resistir aos agentes danosos comuns ao cho de fabrica como poeira, vibrao, temperatura e etc. Dependendo do grau de proteo (IP), indicado pelo fabricante. Existem diversos tipos de IHM, desde os chamados Hand Held que cabem na palma da mo e que tem apenas uma linha de display linha por coluna at os mais complexos que podem gerar dezenas de telas navegveis entre si, animaes, pequenas programaes por j serem um sistema microprocessado e a acesso a rede de dados. Seja qual for o tipo, As IHMs so utilizadas para mudar no CLP parmetros de processo sem precisar que o usurio conhea o programa do CLP. Indicar o status do equipamento e alterar configuraes no modo de funcionamento do equipamento (manual ou automtico, por exemplo). Dependendo do modelo de IHM, possvel comunicar com o CLP via canal serial, ou at mesmo ethernet. Alguns modelos oferecem diversos tipos de comunicao, deixando a escolha final para o cliente. Os softwares de programao das IHMs comerciais no so padres , ou seja, cada famlia de IHM tem seu prprio software de programao. Embora alguns fabricantes afirmem que a sua IHM consegue se comunicar com outros fabricantes de CLP. Neste trabalho, ser utilizado uma IHM para monitorar os dados do sistema em tempo real, configurar o sistema para apenas monitoramento ou monitoramento e controle e apresentar grficos de tendncias e alarmes de status do sistema pneumtico.

5.4.3

Redes Em automao industrial imprescindvel a integrao entre os vrios nveis

envolvidos no processo de manufatura. Desde o cho de fabrica at o as gerencias corporativas de uma grande empresa. A possibilidade de se poder tomar decises gerenciais levando em conta dados em tempo real do cho de fbrica ou monitorar os status de cada componente de uma maquina s possvel atravs das sedes de dados. As redes de dados permitem a comunicao entre terminais (microcomputadores CLPs, por exemplo) que deste modo podem compartilhar dados, realizar monitorao remota. Pelo seu contnuo baixo custo e vantagens as redes industriais tem sido uma diretriz

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importante em projetos de automao. Conceber um projeto j integrado a uma rede ou com possibilidades de integrao um diferencial em qualquer projeto. Moraes e Castrucci [1] apresentam as variveis que so necessrias na especificao de uma rede de automao. a) Taxa de transmisso: o valor mdio de dados transmitidos em um determinado espao de tempo. Em bits por segundo. b) Topologia Fsica da rede: Esta relacionada ao modo como os terminais esto interligados fisicamente. c) Meio fsico de transmisso: Diz respeito ao cabeamento utilizado na transmisso de dados. Podem-se utilizar fios de cobre para dados em sinais eltricos, fibra tica para dados em sinal tico ou at mesmo o ar para dados em sinal eletromagntico. d) Tecnologia de Comunicao: a forma em que os terminais se comunicam mestre-escravo ou produtor-consumidor por exemplo. e) Algoritmo de acesso ao barramento: Modo como os terminais disponibilizam e/ou acessam informaes na rede. As redes podem ser classificadas de varias formas:

a) Disponibilidade Geogrfica: Local rea network (LAN): Redes locais, normalmente um prdio ou uma casa. Tem um mesmo meio fsico. Campus rea network (CAN): Geralmente um conjunto de LANs de uma mesma regio geogrfica. Metro rea Network (MAN): Interligam outras redes em um raio maior de atuao. Wide rea Network (WAN): So redes de propores nacionais e/ou continentais b) Tecnologia de Comunicao Broadcasting (Produtor-consumidor): Um nico meio usado para a comunicao entre os terminais, deste modo um pode enviar dados que todos os outros terminais recebam e os receptores podem se tornar transmissores de dados. Ponto- a-ponto: Os dados de origem so enviados a cada destino, especificamente. Caso se precise enviar os mesmos dados a outro terminal, o dado deve ser processado novamente com outro endereo de destino.

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c) Topologia Anel: Topologia em que o ultimo terminal ligado ao primeiro. Configurando um anel. Os dados circulam o anel at chegar ao destino escolhido. Estrela: Utiliza uma central que gerencia a comunicao entre os terminais, todos os dados devem passar por esta central. Barramento: Todos os terminais utilizam o mesmo meio fsico para a comunicao de dados. um dos mais utilizados, pois possui flexibilidade caso da necessidade de expanso e se um terminal apresentar um erro este no prejudica a rede.

5.4.3.1 Modelo OSI O Open System Interconection (OSI) um modelo aberto desenvolvido para descrever todas as caractersticas necessrias [14], tanto na parte de hardware como na parte de software, para um projeto de redes. Na prtica o modelo mais utilizado em meios acadmicos e as redes existentes no utilizam a todas as camadas do modelo OSI ou s vezes utilizam uma camada que apresentam a mesma caracterstica de duas camadas do modelo OSI.

Tabela 5-3 Modelo OSI Aplicao Apresentao Sesso Transporte Rede Enlace Fsica Disponibiliza modos de aplicaes usarem a rede. Codificao de dados para transmisso e criptografia Sincronismo entre terminais afim de estabelecer comunicao. Controle de transmisso da mensagem, particiona e recupera mensagens Padronizao de endereos de rede e rotas de envio de mensagens Controle de acesso ao meio e deteco de erros da camada fsica Especificao das caractersticas fsicas (tenso, tipos de cabo, por exemplo) para comunicao em bits

Fonte: KILIAN, Cristopher. Modern Control Technology: Components and systems

.

5.4.3.2 Ethernet Embora tenha nascido em um ambiente de escritrios, a rede ethernet tem se consolidado como uma rede tambm de aplicao industrial [1]. Para isto tem se utilizado de um grande numero de fabricantes que fabricam seus dispositivos com possibilidade de acesso a esta rede devido a seu cdigo aberto. A ethernet tambm tem a vantagem de ser bem mais

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barata em aplicaes em alto escala do que as tradicionais redes industriais. E os empecilhos a sue uso na indstria, como esforo mecnico, temperatura e rudos de natureza eletromagntica tem sido suplantados pelo advento de novas tecnologias, em hardware e software. A rede ethernet utilizada freqentemente em topologia de barramento e sua taxa de transferncia depende do meio fsico de transmisso. Segue abaixo os tipos de cabeamento e algumas caractersticas. Na tabela 5-4 apresentado os tipos de cabeamento a algumas de suas caractersticas.

Tabela 5-4 Cabeamento modelo ethernet Cabo 10base2 10base5 Caractersticas Cabo coaxial fino At 30 ns por segmento Cabo coaxial grosso Opera a 10mbps At 100 ns por segmento Par traado Opera a 10Mbps At 1024 ns por segmento Conectados por Hub

10baset

Fonte: TENENBAUM, Andrew S. Rede de Computadores

O cabo 10baset o mais utilizado atualmente por fcil manuteno, baixo custe de implementao. A tecnologia de comunicao mais utilizada o protocolo TCI/IP(Transmision Control Protocol-Internet Protocol) que se baseia na identificao de elementos em uma rede por um nico numero, chamado IP [14]. Que pode ser visto como um modelo de camadas no qual a ethernet estaria na camada de enlace. Na tabela 5-5 segue o escopo da mensagem do referido protocolo

Tabela 5-5 Composio Mensagem Protocolo TCP IP Prembulo 7 bytes SFD 1 byte DESTINO 6 bytes ORIGEM 6 bytes TAMANHO bytes DADOS -n bytes PAD -p bytes FCS 4 bytes

Fonte: TENENBAUM, Andrew S. Rede de Computadores

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a) Prembulo: bits utilizados para sincronismo entre terminal de destino e mensagem. b) SFD: Start Frame Delimeter, Indica o inicio da mensagem. c) Destino e Origem: Indicam os terminais que recebem oi enviam mensagens. d) Tamanho: Indica tamanho em bytes caso campo seja menor que 1500 e) Dados: mensagem propriamente dita. f) PAD: Este campo preenchido com bytes extras caso a estrutura no alcance

64 bytes do destino ao FCS. g) FCS: Frame Check sequence: bytes utilizados na verificao de erros atravs do Ciclical Redundancy Check (CRC). O algoritmo utilizado pelo padro ethernet par acesso ao meio o carrier Sense Multiple Access/Colision detection, CSMA/CD. Na ethernet so comuns as colises que acontecem quando dois terminais querem transmitir dados ao mesmo tempo. Os terminais abortam suas transmisses e comeam a contar tempos aleatrios para retorn-la a transmisso. Isto diminui as colises, mas gera uma imprevisibilidade no tempo de entrega das mensagens. Vale ressaltar que coliso no um erro do sistema e sim uma caracterstica de como uma rede utiliza o acesso ao meio.

5.5 ATUADOR Um atuador o responsvel direta pelas mudanas na varivel de processo decorrente do ajuste de controle. Neste tpico ser explanada de os conceitos bsicos das vlvulas de controle de vazo [15]. Ela pode ser dividida em vlvula que restringe mecanicamente a vazo e no atuador que controla o movimento da vlvula. Quanto ao modo que feito o movimento para a regulagem do fluxo de vazo, esta pode ser dividida em duas maneiras. a) Linear O Regulagem do fluxo de vazo feito por uma haste que se movimenta no eixo longitudinal, como mostrado na figura 5-5.

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Figura 5-5 Movimento Linear

b) Rotativo A vazo regulada pelo giro do eixo, como mostrado na figura 5-6.

Figura 5-6 Movimento Rotativo

O atuador pode controlar o movimento da vlvula atravs da transformao em movimento de energia pneumtica, hidrulica ou eltrica. O controle eltrico pode ser por meio de bobina solenides ou motores que giram um a engrenagem ligada a haste da vlvula. O controle de fluxo pela vlvula afetado pelo dimetro do orifcio de passagem da vazo, pelo ajuste e seleo da mola, quando houver e pela queda de presso entra a entrada e a sada do atuador. Um mau funcionamento da vlvula proporcional de vazo pode ser diagnosticado quando o sistema no consegue atingir o fluxo mximo, quando o instrumento mede o consumo de ar comprimido com o controle de setpoint em zero; quando se percebe uma sada instvel devido oscilaes da vlvula.

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5.6 MTODOS EXISTENTES Embora os controles de fluxo de vazo em malha fechada sejam bastante utilizados na indstria. No foi encontrado nenhum mtodo cuja aplicao final seja semelhante a este projeto. E em geral, tambm no foi encontrado nenhum sistema completo de fabricante especifico que oferea medidas, controles e atuaes. E sim componentes separados que podem ser interligados para o propsito deste projeto. A SIERRA Instruments, INC oferece ao mercado o SIERRA 810 SERIES MASS_TRAK que um instrumento de medida e atuador de vazo de qualquer fluido [11], dependendo do modelo especificado. Mas este deve ser conectado a um dispositivo externo para realizar o controle, como um CLP por exemplo. O CLP responsvel pelo processamento da informao de medida que vem do modulo no valor de 0 a 10 Vdc e de acordo com a ao de controle programada gerar um variao na varivel manipulada de 4 a 20mA para atuao da vlvula proporcional de pilotagem eletromagntica. Vlvulas proporcionais de vazo tambm so usadas em aplicaes que exigem atuaes de cilindros em montagens de produtos frgeis, que necessitem de amortecimento preciso. Essas vlvulas tambm so usadas para posicionamento de eixos, ou seja, servomecanismos pneumticos. Neste caso se utiliza um sistema de malha fechada, mas a varivel monitorada no a vazo e sim o posicionamento linear do cilindro. Em indstrias qumicas utilizado na obteno de misturas com a porcentagem certa de cada composto.

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6 MTODO PROPOSTO Deste modo o sistema de medio e controle de vazo de ar comprimido deve ser instalado em serie com o circuito pneumtico. Logo aps a conexo da mquina com a tomada de alimentao pneumtica. O projeto medira o valor de vazo do ar comprimido (varivel controlada) atravs de um transdutor de fluxo (sensor de realimentao) que enviar estas informaes a um CLP (controlador) que far todo o processamento de controle (varivel de referncia e comandar uma vlvula proporcional de vazo (atuador) pilotado eletricamente (varivel manipulada). O CLP reconhecer a parada do equipamento que nesta condio ter um

fechamento total da vlvula. Quando do normal funcionamento do equipamento o sistema abrir a vlvula e funcionar normamente. A maioria dos sistemas atuais so controlados digitalmente e como o mundo fsico de natureza analgica, um projeto de controle de um sistema dinmico s est completo com a adio de conversores entre estes dois mundos. O projeto tambm prev a utilizao de uma IHM para visualizao grfica do processo de medio e controle. O envio das informaes de consumo de ar comprimido para um terminal remoto, sendo carregada em uma planilha de Excel atravs da rede ETHERNET e a possibilidade de habilitaes/desabilitaes dos componentes do projeto com o intuito de manuteno do sistema ou escolha de funcionalidade. Assim, se o usurio quiser trabalhar apenas com o modulo de medio por um motivo qualquer, ele tem essa possibilidade. Abaixo, apresentado na figura 6-1 um diagrama em bloco do sistema do projeto sugerido.

Figura 6-1 Diagrama em Blocos do Projeto

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7 METODOLOGIA Em projetos de automao industrial so levados em conta alguns fatores na escolha e dos componentes que constituem o sistema projetado, tais como: a) Relao custo/beneficio necessrio ter em mente o que realmente se quer alcanar na aplicao final, pois o mercado oferece vrios modelos de diversos fabricantes para uma aplicao comum. Comprar um dispositivo que no atende a aplicao de forma eficaz onera o projeto com a necessidade de um novo estagio na especificao de outro dispositivo e evidente, na compra deste. Comprar um dispositivo que oferea alem do necessrio desperdcio de dinheiro, pois todos os recursos no sero utilizados, mas estavam no custo do produto. Exceto, quando estiver claro no escopo do projeto aperfeioamentos futuros. b) Integrabilidade Quanto mais os sistemas de automao sejam integrados melhor. Geralmente, uma maior integrabilidade conseguida com dispositivos de um mesmo fabricante. Gerando uma maior confiabilidade no sistema. Muito embora, os padres mundiais de tratamento de dados e informaes sejam seguidos e hoje em dia possvel encontrar dispositivos de diversos fabricantes sendo integrados para uma aplicao comum. c) Suporte Todo sistema precisa de manuteno para se obter um funcionamento adequado. Deste modo, no projeto de um sistema industrial necessrio a especificao da disponibilidade de pecas de reposio, prazos de entrega e substituio de tecnologia e etc. E disponibilidade de suporte de informao tcnica para treinamentos e apoio tcnico. A compra de um produto significa a compra de todos os servios que o fabricante deste produto pode oferecer, ou no. Levando em conta estes fatores ser descrito os dispositivos a serem utilizados na implementao deste projeto e sua integrabilidade. Todos os componentes deste projeto sero gentilmente cedidos pela Procter & Gamble Manaus.

7.1 TRANSDUTOR Para transdutor foi escolhido o sensor de fluxo de modelo MS6 SFE F5 P2I M12 de fabricao Festo [16]. Este transdutor utiliza o principio termodinmico para realizar as medies de fluxo. alimentado por uma tenso de 24Vdc e tem duas sadas digitais que

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podem ser configuradas para funcionarem como normalmente aberto e normalmente fechado. Estas sadas podem ser comutadas atravs da configurao de comparao de janelas ou simplesmente limite de valor. Tambm oferece uma sada analgica nos valores de 4 a 20mA correspondendo a uma faixa de medio (fundo de escala) de 200 a 5000 l/min. A seguir, na tabela 7-1, algumas especificaes sobre os erros de medio [16]Tabela 7-1 Valores de Erro de Medio modelo MS6-SFE-F5-P2I-M12

Preciso Capacidade de reproduo do valor analgico Repetibilidade do valor de comutaoFonte: FESTO, Manual de Uso:MS6- Fluxometro

+/- (3% omv + 0,3% FS) +/- (0,8% omv + 0,2% FS) +/- (0,8% omv + 0,2% FS)

7.2 CONVERSOR A/D O transdutor ser ligado diretamente nos barramento do modulo de entrada analgica 1771 IFE/C de fabricao Allen bradley [17]. Este conversor analgico/digital pode ser configurado para reconhecer sinais analgicos tanto em grandeza de corrente( faixas de 4 a 20mA, 0 a 2omA e -20 a 20mA) quanto em grandeza de tenso(1 a 5Vdc, 0 a 5vdc, -5 a 5Vdc, -10 a 10Vdc e 0 a 10Vdc). Ele compreende 16 entradas simples e oito diferenciais. Para este projeto foi escolhido utilizar a configurao entrada diferencial com valores de corrente de 4 a 20mA. Estas configuraes so feitas via hardware atravs de jumpers de configurao na prpria placa. Este modulo tem uma resoluo de 12 bits , com preciso de 0,1% da faixa total de fundo de escala a 25c. Sua linearidade e repetibilidade so de + ou um bit menos significativo(LSB).

7.3 CONTROLADOR PROGRAMAVEL Para a realizao de processamento dessa informao ser utilizado o controlador programvel PLC/5 de fabricao Allen Bradley com um processador 5/20 EN [18]. Admite conexo com rede ethernet que ser utilizada para comunicao entre o CLP e a IHM e entre o CLP e sistema supervisorio. Tem memria de usurio de 16K Word, com 512 pontos de I/O ou 512 pontos de entrada e 521 pontos de sada. Tambm comporta 512 pontos de I) analgicas. Admiti linguagem Ladder, SFC, lista de instrues e texto estruturado. Tem um tipos de instrues a rel, contadores, temporizadores, instrues matemticas avanadas, PID e etc. E tem um tempo de varredura de 10 ms a 57,6 Kbits/s a) BTR

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O bloco utilizado para fazer a leitura do carto de entrada analgica o Blocktransfer read (BTR) que quando configurado corretamente, na sua ativao chama o processador para ler os dados do rack/group/module e grav-los em um arquivo de dados. A Sua simbologia apresentada na figura 7-1.

Figura 7-1 Block-Transfer Read

Rack: Numero do rack de I/O que foi instalado a placa de entrada analgica. Group: Numero do grupo I/O que especifica a posio da placa de entrada analgica no rack. Module: Numero do slot que especifica a posio da placa analgica em um group. Controler Block: Arquivo de controle do bloco de transferncia composto por seis words Data File: Arquivo de dados do tipo inteiro que a qual so transferidos os valores lidos, os seus endereos representam os valores das entradas do modulo de entradas analgico. Lenght: Numero de words utilizados na transferncia de dados.

b) PID O bloco que ser utilizado para controle ser o PID. A sua simbologia apresentada na figura 7-2.

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Figura 7-2 PID

Control Block:Palavra de controle do bloco PID. Process Variable: Endereo do data File que corresponde ao endereo de entrada da placa de entradas analgicas com o valor da varivel de processo. Tieback: palavra utilizada em caso de comando manual do sistema. Control process: Endereo do data file que corresponde com o endereo de placa sada analgica com o valor da varivel controlada. Setup screen: Janela de configurao do controle PID. c) BTW O bloco utilizado para atualizar a varivel manipulada ser o Block-tranfer Write que tem as configuraes que o BTR tem, apenas tem como objetivo a escrita, ou seja, ele chama o processador que grava os dados arquivo de dados na placa de sada analgica posicionada em um rack/group/module. Sua simbologia apresentada na figura 7-3.

Figura 7-3 Block-Transfer Write

O bloco usado para transferir dados de um terminal para outro, no caso deste projeto a informao de consumo do CLP para um terminal de um computador via rede ethernet, o

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bloco Message (MSG ). O MSG pode transferir at 120 words, dependendo do tipo de dado a ser transferido. Send/Receive message: Endereo onde esta a informao a ser enviada ou recebida. Control Block: Janela onde esta todas as informaes relacionadas a mensagem, como tipo de rede a ser utilizada. d) MSG Para se utilizar a rede ethernet preciso utilizar dos blocos MSG, um que contem a informao da mensagem e o segundo contem o endereo de destino. Sua simbologia apresentada na figura 7-4

Figura 7-4 MSG

7.4 CONVERSOR A/D Para ajuste da varivel manipulada ser utilizado o modulo de sada analgica 1771 OFE2/B fabricado pela Allen Bradley [19]. O valor da grandeza de sada a corrente, de 4 a 20mA. Esta caracterista uma configurao de fabrica e no pode ser mudada. Caso se precise de outro valor de faixa de corrente ou outra grandeza preciso escolher outro modelo. OFE1 para grandezas a tenso por exemplo.Este modulo tem uma resoluo de 12 bits, tem preciso de 0,1% do valor de fundo de escala, com preciso e repetibilidade de LSB.

7.5 IHM O IHM a ser utilizada ser um modelo PanelView Plus 600 de fabricao Allen Bradley [20], com alimentao de 24Vdc , uma porta serial e uma entrada rede ethernet e uma porta USB. O software utilizado para a programao da IHM o RS View Studio e ser confeccionado duas telas. Uma para visualizao dos valores atuais de consumo e status do consumo, normal ou alto. E outra com um trend que mostrar um grfico de vazo x tempo dos valores da varivel de processo e manipulada e de offset. O layout das telas propostas so apresentadas nas figuras 7-5 e 7-6.

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Figura 7-5 Layout IHM I

Figura 7-6 Layout IHM II

7.6 VLVULA DE CONTROLE A vlvula de controle proporcional de fluxo a ser utilizada depende do valor do fluxo a ser controlado. Isto est ligado diretamente ao consumo do circuito pneumtico do equipamento. O valor do consumo deve ser medido antes para a escolha correta da vlvula para a aplicao . Para este projeto ser utilizado a vlvula proporcional miniatura

VP1208BG03Q00 de fabricao Norgren [21]. Ela ser ligada diretamente ao carto de sada digital analgico pois trabalha com a mesma faixa de sinal: 4 a 20 mA.Esta vlvula utiliza um motor como atuador. E especificao descrita indica uma faixa de trabalho at 8 Bar. Fisicamente, a vlvula proporcional de controle de vazo ser instalada aps o sensor de fluxo.

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7.7 RESULTADOS ESPERADOS Ao trmino deste trabalho espera-se a obteno de um prottipo de projeto

industrial que esteja dentro das especificaes delimitadas do sistema proposto. Que possa ser implementado em qualquer planta industrial e integrado a sistemas de superviso. Esperase controlar de maneira autnoma o consumo de vazo de ar comprimido de maneira eficiente utilizando o controle PID e o instrumento de medio e atuao descritos anteriormente. Espera-se demonstrar atravs de grficos e tabelas as melhorias alcanadas e diminuio de custos atravs da instalao deste projeto no cho de fabrica e suas implicaes no gerenciamento da equipe de manuteno e demais reas envolvidas, como planejamento de produo, por exemplo.

7.8 CRONOGRAMATabela 7-2 Cronograma

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CONSIDERAES FINAIS Como avaliar o valor de projeto tecnolgico? Decerto, existem vrias vises que

norteiam a resposta desta indagao. Para o seu projetista o resultado apresentado vai alm de um simples conjunto de laudas A4 bem escritas e normatizadas ou circuitos interligados de maneira a garantir o melhor funcionamento das tecnologias envolvidas, a figura de um filho de gestao longa e difcil. A relao custo-benefcio e a garantia de soluo da problemtica proposta permeiam a avaliao dos clientes que pagam por um projeto. Projetos acadmicos so validados pela capacidade do aluno em fazer uma leitura do mundo a sua volta e correlacionar as disciplinas estudadas na obteno de um projeto que agregue valor terico pratico para as partes envolvidas. Avaliar uma proposta de projeto requer uma ampla viso de onde se est e aonde se quer chegar, para isso necessrio permear, pelo menos sucintamentente, todos os modos de avaliao descritos anteriormente. salutar reafirmar a no pretenso de estudar a fundo todos os tpicos tericos envolvidos nesta proposta, de fato, isto seria at impossvel. Por isso, este projeto no apresentou modelagem matemtica e/ou simulaes devido ao fato de se utilizar um controle de conhecido modelo matemtico. Alm disto, o foco deste trabalho reside na implementao prtica e em campo do sistema especificado, no menosprezando as ferramentas de modelagem e simulao que so de grande importncia acadmica e profissional. Os componentes especificados no capitulo sobre a metodologia deste projeto foram escolhidos devido facilidade de obteno junto a Planta P&G Manaus, reconhecido um alto custo deste projeto ao utilizar tais componentes. Este fato no deve ser empecilho para a utilizao deste projeto em outras plantas de manufatura, pois mais que um prottipo, esta proposta de monografia apresenta um sistema que pode ser implementado com a utilizao de outros componentes, como outros modelos de CLP ou transdutores. Bastando para isso o conhecimento especfico de tal produto. Isto faz variar a relao do custo-benefcio do projeto proposto em diferentes situaes em diferentes plantas. A escolha desta proposta de projeto foi baseada na sua relao com varias disciplinas estudadas no curso de Tecnologia em Automao Industrial e na pertinncia do tema: a

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economia de energia vem ao encontro das atuais tendncias sobre responsabilidade ecolgica, com o objetivo de garantir a existncia das geraes futuras. Os cursos tecnolgicos so cursos de ensino superior com nfase no mercado de trabalho. Poder interagir com o mundo acadmico e o profissional traz inmeros benefcios ao estudante e a sua instituio de ensino. Foi nesta viso que esta proposta de projeto foi desenvolvida. O xito deste projeto est na transformao desta proposta de projeto em um bem tecnolgico, o que incidir no esforo da segunda parte deste projeto.

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REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

[1] MORAES,Cicero Couto de.; CASTRUCCI,Plinio de Lauro. Engenharia de Automao Industrial. 2.ed.Rio de Janeiro:LTC,2007. [2] DALLAMICO,Renato.Fundamentos da Pneumtica. SMC Pneumticos do Brasil.Disponivel em< www.acser-automacao.com.br/_downloads > Acesso em 08ago. 2008.

[3] PARKER Hannifin Ind. Com. Ltda. PARKER Training. Tecnologia Pneumatica Industrial.Jacare: 2000. [4] MONCHY, F. A funo Manuteno: Formao para a Gerncia da Manuteno Industrial. So Paulo: Durban, 1989. [5] VIANA, Herbert Ricardo Garcia. PCM - Planejamento e Controle da Manuteno.Rio de Janeiro: Qualitymark Ed., 2002. [6] SIQUEIRA, Iony P. de. Manuteno Centrada na Confiabilidade: Manual de Implementao. Rio de Janeiro: Qualitymark, 2005. [7] KILIAN, Christopher T.Modern Control Technology:Components ans Systems. 2.ed.Estados unidos: Delmar Cengage Learning,2000. [8] OGATA,Katsuhiko. Engenharia de Controle Moderno. 3.ed. Rio de Janeiro:LTC,2000. [9] FIGINI, Gianfranco. Eletrnica Industrial: Servomecanismos Teoria da Regulagem automtica. Paran, Hemus,2002. [10] NATALE,Ferdinando.Automao industrial.6.ed. So Paulo: rica,2000. [11] SIERRA INSTRUMENTS INC. Instruction Manual:Mass Flow Instruments. Netherlands:2001 [12] TOCCI, Ronald J.;Widmer,Neal S. Aplicaes.7.ed.Rio de Janeiro:LTC:2000. Sistemas Digitais Princpios e

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