UNIVERSIDADE REGIONAL DE BLUMENAU CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E NATURAIS N ATURAIS CURSO DE CIÊNCIAS DA COMPUTAÇÃO (Bacharelado)
AUTOMAÇÃO DE UM FORNO PARA TRATAMENTO DE CHAPAS COM CONTROLE VIA CLP E SISTEMA SUPERVISÓRIO
TRABALHO DE ESTÁGIO SUPERVISIONADO SUBMETIDO À UNIVERSIDADE REGIONAL DE BLUMENAU PARA A OBTENÇÃO DOS CRÉDITOS NA DISCIPLINA COM NOME EQUIVALENTE NO CURSO DE CIÊNCIAS DA COMPUTAÇÃO — BACHARELADO
WANDER SAMUEL MAASS
BLUMENAU, DEZEMBRO 2000 2000/2-57
AUTOMAÇÃO DE UM FORNO PARA TRATAMENTO DE CHAPAS COM CONTROLE VIA CLP E SISTEMA SUPERVISÓRIO WANDER SAMUEL MAASS ESTE TRABALHO DE ESTÁGIO SUPERVISIONADO, FOI JULGADO ADEQUADO PARA OBTENÇÃO DOS CRÉDITOS NA DISCIPLINA DE ESTÁGIO SUPERVISIONADO OBRIGATÓRIA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE: BACHAREL EM CIÊNCIAS DA D A COMPUTAÇÃO
Prof. Antônio Carlos Tavares — Supervisor na FURB
Edson Basquiroto — Orientador na Empresa
Prof. José Roque Voltolini da Silva — Coordenador na FURB do Estágio Supervisionado
BANCA EXAMINADORA
Prof. Antônio Carlos Tavares
Prof. Miguel A. Wisintainer
Prof. Dalton Solano dos Reis
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Penso 99 vezes e nada descubro. Deixo de pensar, mergulho no silêncio, e eis que a verdade se revela! Albert Einstein
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AGRADECIMENTOS Para minha família. Alido, meu pai, pelo incentivo que sempre recebi. Günter, meu irmão, pelo exemplo de vida a ser seguido. E em especial para minha mãe, Eronides, pelos anos de convivência. A todos os meus colegas de trabalho e de estudo. Para meu amigo João, que muito contribuiu para o desenvolvimento deste trabalho. Ao orientador Edson Basquiroto pela oportunidade de crescimento profissional. Ao supervisor Antônio Carlos Tavares pela atenção e dedicação.
E a todos que acreditaram, obrigado.
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SUMÁRIO SUMÁRIO...................... SUMÁRIO ............................................. .............................................. .............................................. .............................................. ......................................v ...............v LISTA DE FIGURAS.............................................. FIGURAS..................................................................... .............................................. .......................................viii ................viii LISTA DE TABELAS...................... TABELAS ............................................. .............................................. .............................................. .........................................xi ..................xi LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS .............................................. ..................................................................... .............................xii ......xii RESUMO.................................................. RESUMO......................................................................... ............................................... ............................................... ...............................xiii ........xiii ABSTRACT ............................................. .................................................................... ............................................... ............................................... ...............................xiv ........xiv 1 INTRODUÇÃO........................ INTRODUÇÃO............................................... .............................................. .............................................. ..............................................1 .......................1 1.1 JUSTIFICATIVAS E MOTIVAÇÃO..................... MOTIVAÇÃO ............................................ .............................................. ......................................4 ...............4 1.2 OBJETIVOS........................................ OBJETIVOS............................................................... ............................................... ............................................... .................................. ...........44 1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ............................................. .................................................................... ......................................5 ...............5
2 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL ............................................ ................................................................... ..............................................6 .......................6 2.1 DEFINIÇÃO E CONCEITOS................................. CONCEITOS........................................................ .............................................. ......................................6 ...............6 2.1.1 EMPREGOS X AUTOMAÇÃO ............................................. .................................................................... ..........................................9 ...................9 2.2 CONTROLE AUTOMÁTICO DE PROCESSOS PROCESSOS ............................................ .............................................................11 .................11 2.2.1 ELEMENTOS DO CONTROLE AUTOMÁTICO AUTOMÁTICO ............................................... ........................................................ .........14 14
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ............................................ ................................................................... ........................................16 .................16 3.1 CONTROLADORES LÓGICOS LÓGICOS PROGRAMÁVEIS PROGRAMÁVEIS ............................................. ...................................................... .........16 16 3.1.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO FUNCIONAMENTO .............................................. ..................................................................... ............................. ......19 19 3.1.2 ELEMENTOS DO HARDWARE .............................................. ..................................................................... .................................... .............21 21 3.1.2.1 A UCP E A MEMÓRIA DO CLP..................... CLP ............................................ .............................................. .................................... .............21 21 3.1.2.2 INTERFACES DE ENTRADAS E SAÍDAS DISCRETAS........................................ DISCRETAS........................................25 25 3.1.2.3 INTERFACES DE ENTRADAS E SAÍDAS NUMÉRICAS......................................27 3.2 CONTROLADOR PROPORCIONAL, PROPORCIONAL, INTEGRAL E DERIVATIVO DERIVATIVO ........................... ...........................29 29
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3.3 A NORMA IEC 1131-3....................................... 1 131-3.............................................................. .............................................. ........................................33 .................33 3.3.1 CARACTERÍSTICAS DA NORMA IEC 1131-3 ............................................. .......................................................... .............35 35 3.4 O CLP MODELO BOSCH CL200 CL200 ............................................ ................................................................... ........................................36 .................36 3.4.1 SOFTWARE DE PROGRAMAÇÃO WINSPS WINSPS ............................................ .............................................................40 .................40 3.5 SISTEMAS SUPERVISÓRIOS...................... SUPERVISÓRIOS ............................................. .............................................. ............................................42 .....................42 3.5.1 SOFTWARE SUPERVISÓRIO INDUSOFT INDUSOFT STUDIO STUDIO ........................................... ................................................. ......44 44
4 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO ............................................ ................................................................... ............................. ......46 46 4.1 DESCRIÇÃO DO PROBLEMA..................... PROBLEMA ............................................ .............................................. ............................................46 .....................46 4.2 EQUIPAMENTO UTILIZADO NO PROJETO ........................................... ................................................................49 .....................49 4.3 ESPECIFICAÇÃO .............................................. ..................................................................... .............................................. ........................................50 .................50 4.4 IMPLEMENTAÇÃO .............................................. ..................................................................... .............................................. .................................... .............50 50 4.4.1 IMPLEMENTAÇÃO DO SOFTWARE DO CLP...................... CLP ............................................. .................................... .............50 50 4.4.1.1 O CONTROLE PID NO CLP CLP CL200 ............................................. .................................................................... ............................. ......52 52 4.4.1.2 INTERTRAVAMENTOS INTERTRAVAMENTOS DO SISTEMA SISTEMA MANUAL E AUTOMÁTICO .................56 4.4.1.3 SEGURANÇA DO SISTEMA...................... SISTEMA ............................................. .............................................. ........................................58 .................58 4.4.2 IMPLEMENTAÇÃO DO SISTEMA SUPERVISÓRIO................................................ SUPERVISÓRIO................................................59 59 4.4.2.1 TELAS DE SINÓTICO................................. SINÓTICO........................................................ .............................................. ........................................59 .................59 4.4.2.2 ALARMES ONLINE E HISTÓRICOS ........................................... .................................................................. ............................. ......60 60 4.4.2.3 GRÁFICOS ONLINE E HISTÓRICOS .............................................. ..................................................................... ...........................63 63 4.4.2.4 COMUNICAÇÃO SUPERVISÓRIO/CLP................................. SUPERVISÓRIO/CLP......................................................... ................................. .........65 65 4.5 RESULTADOS ........................................... .................................................................. .............................................. .............................................. ...........................67 67
5 CONCLUSÃO....................................................................................................................68 5.1 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................. .................................................................... .............................................. ...........................68 68 5.2 TRABALHOS FUTUROS ............................................. .................................................................... .............................................. ............................. ......69 69
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6 ANEXO 1 – MODELAGEM MODELAGEM DO SISTEMA ............................................. ..................................................................70 .....................70 6.1 SISTEMA DA MESA DE CARREGAMENTO CARREGAMENTO .............................................. ...............................................................71 .................71 6.2 SISTEMA DE CARREGAMENTO CARREGAMENTO .............................................. ..................................................................... .................................... .............72 72 6.3 CONTROLE DA COMPORTA C3 ........................................... .................................................................. ........................................74 .................74 6.4 CONTROLE DA COMPORTA C4 ........................................... .................................................................. ........................................75 .................75 6.5 CONTROLE DA COMPORTA C5 ........................................... .................................................................. ........................................76 .................76 6.6 SISTEMA S ISTEMA DE DESCARREGAMENTO.................................................................. DESCARREGAMENTO........................................................................... .........77 77 6.7 SISTEMA DA MESA DE ESPERA .............................................. ..................................................................... .................................... .............79 79 6.8 CONTROLE DO INVERSOR DE DE FREQÜÊNCIA ............................................. .......................................................... .............80 80 6.9 CONTROLE DO SERVOMOTOR DO RESFRIAMENTO LENTO...............................81
7 ANEXO 2 – CÓDIGO FONTE......................................... FONTE................................................................ .............................................. ...........................82 82 8 ANEXO 3 – TELAS DO SUPERVISÓRIO ........................................... .................................................................. ...........................83 83 9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................. BIBLIOGRÁFICAS.................................................... .............................................. ...........................84 84
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LISTA DE FIGURAS FIGURA 01 – ARQUITETURA BÁSICA DE UM CLP ..........................................................2 FIGURA 02 – DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE UM SISTEMA CONTROLADO POR COMPUTADOR ................................................................................................................3 FIGURA 03 – DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM SISTEMA DE AUTOMAÇÃO..............7 FIGURA 04 – FATURAMENTO BRUTO DAS EMPRESAS DO SETOR DE AUTOMAÇÃO (DADOS ESTIMADOS).......................................................................10 FIGURA 05 –EXEMPLO BÁSICO DE UM PROCESSO AUTOMÁTICO..........................12 FIGURA 06 – RELAÇÃO DAS QUATRO FUNÇÕES BÁSICAS DE CONTROLE E DOS ELEMENTOS BÁSICOS DE UM SISTEMA DE CONTROLE AUTOMÁTICO........15 FIGURA 07 – DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM CLP .......................................................19 FIGURA 08 – CICLO DE VARREDURA DE UM CLP........................................................20 FIGURA 09 – UNIDADE DE MEMÓRIA .............................................................................24 FIGURA 10 – MAPA DE MEMÓRIA GENÉRICO DE UM CLP.........................................24 FIGURA 11 – MAPA DE MEMÓRIA DA ÁREA DE ENTRADA/SAÍDA..........................25 FIGURA 12 – PADRÕES COMERCIAIS PARA DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA ..........................................................................................................................................26 FIGURA 13 – INTERFACE PARA ENTRADA DE SINAIS CA / CC .................................27 FIGURA 14 – INTERFACE DE SAÍDA DE SINAL VIA CONTATO DE RELÉ................27 FIGURA 15 – PADRÕES COMERCIAIS PARA DISPOSITIVOS DE ENTRADAS E SAÍDAS ANALÓGICAS.................................................................................................28 FIGURA 16 – INTERFACE DE ENTRADA ANALÓGICA POR CORRENTE ..................29 FIGURA 17 – INTERFACE DE SAÍDA ANALÓGICA POR TENSÃO ..............................29 FIGURA 19 – CURVA DA AÇÃO PROPORCIONAL .........................................................30 FIGURA 20 – CURVA DA AÇÃO PROPORCIONAL + INTEGRAL .................................31
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FIGURA 21 – CURVA DA AÇÃO PROPORCIONAL + DERIVATIVO.............................32 FIGURA 22 – CURVA DE RESPOSTA DOS CONTROLADORES PID.............................33 FIGURA 23 – RESULTADO DE CADA TIPO DE CONTROLE .........................................33 FIGURA 24 – MÓDULOS DE UCP DO CL200 ....................................................................37 FIGURA 25 – MÓDULOS DE ENTRADA DIGITAL DO CL200........................................37 FIGURA 26 – MÓDULOS DE SAÍDA DIGITAL DO CL200...............................................38 FIGURA 27 – MÓDULOS DE ENTRADA ANALÓGICA DO CL200 ................................38 FIGURA 28 – MÓDULOS DE SAÍDA ANALÓGICA DO CL200 .......................................39 FIGURA 29 – MODELOS DE RACK DO CL200 ..................................................................39 FIGURA 30 – PROGRAMAÇÃO EM LISTA DE INSTRUÇÕES........................................40 FIGURA 31 – PROGRAMAÇÃO EM DIAGRAMA DE CONTATOS ................................40 FIGURA 32 – PROGRAMAÇÃO EM BLOCOS LÓGICOS .................................................40 FIGURA 33 – AMBIENTE DE EDIÇÃO WINSPS ...............................................................41 FIGURA 34 – AMBIENTE DE EDIÇÃO INDUSOFT STUDIO...........................................44 FIGURA 35 – O FORNO DE TRATAMENTO DE CHAPAS...............................................47 FIGURA 36 – MESA DE COMANDO PRINCIPAL..............................................................48 FIGURA 37 – INSTALAÇÃO DO CLP CL200 NO PAINEL ELÉTRICO ...........................49 FIGURA 38 – EDITORAÇÃO DO PROGRAMA EM LADDER..........................................51 FIGURA 39 – EDITORAÇÃO DO PROGRAMA EM BLOCO DE FUNÇÕES...................51 FIGURA 40 – EDITORAÇÃO DO PROGRAMA EM LISTA DE INSTRUÇÕES ..............51 FIGURA 41 – MÓDULO DE CONTROLE PID PARA O CLP CL200.................................52 FIGURA 42 – MÓDULO DE TIRISTORES DE POTÊNCIA................................................54 FIGURA 43 – JANELA DE CONFIGURAÇÃO DOS CONTROLADORES PID NO SUPERVISÓRIO .............................................................................................................55 FIGURA 44 – JANELA DE CONFIGURAÇÃO DE SETPOINT NO SUPERVISÓRIO......55
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FIGURA 45 – MODOS DE OPERAÇÃO DO FORNO..........................................................56 FIGURA 46 – ACIONAMENTO MANUAL VIA SUPERVISÓRIO ....................................57 FIGURA 47 – SISTEMA DE UMA COMPORTA INTERNA DO FORNO .........................58 FIGURA 48 – BARRA DE ALARMES NAS TELAS DE SINÓTICO..................................60 FIGURA 49 – BARRA DE ALARMES NAS TELAS DE SINÓTICO..................................61 TABELA 03 - CONTINUAÇÃO.............................................................................................62 TABELA 03 - CONTINUAÇÃO.............................................................................................63 FIGURA 50 – BARRA DE ALARMES NAS TELAS DE SINÓTICO..................................63 FIGURA 51 – TELA DE GRÁFICO DAS TEMPERATURAS .............................................64 FIGURA 52 – TABELA DE CONFIGURAÇÃO DA COMUNICAÇÃO ENTRE SUPERVISÓRIO E CLP..................................................................................................65 FIGURA 53 – TABELA DE CONFIGURAÇÃO DAS VARIÁVEIS DE COMUNICAÇÃO ENTRE SUPERVISÓRIO E CLP....................................................................................66
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LISTA DE TABELAS TABELA 01 – DISPOSITIVOS DE ENTRADAS E SAÍDAS DISCRETAS ........................26 TABELA 02 – DISPOSITIVOS DE ENTRADAS E SAÍDAS NUMÉRICAS ......................28 TABELA 03 – ALARMES GERADOS NO SUPERVISÓRIO..............................................61
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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS CLP – Controlador Lógico Programável UCP – Unidade Central de Processamento P – Ganho Proporcional I – Tempo de Integral D – Tempo de Derivativo PID – Proporcional, Integral e Derivativo CC – Corrente Contínua CA – Corrente Alternada NEMA – National Eletrical Manufactures Association ABNT – Associação Brasileira de Normas e Técnicas RISC - Reduced Instruction Set Computer
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RESUMO Neste trabalho são abordadas técnicas e métodos para a utilização de ferramentas dedicadas a área de programação de controladores lógicos programáveis e a elaboração de um sistema supervisório. Para demonstrar sua aplicação foi realizada a automação de um forno para o tratamento de chapas de motores elétricos industriais.
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ABSTRACT In this work are broached techniques and methods to make use of tools dedicaded to the area of programmable logic controllers programmation and the elaboration of a supervisory system. To demonstrate your application was realized a automation of a oven to the treatment of industrial eletric motors plates.
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1 INTRODUÇÃO A especificação de sistemas automatizados busca nos dias atuais uma maior sintonia entre software e hardware e também a constante atualização de tecnologias. Para tal é necessário a aplicação de normas comuns e eficazes destinadas aos sistemas de automação industrial ([BON1997]). Com o advento de controladores lógicos programáveis (CLP) logo se fez necessário a criação de uma estrutura de programação que seja consistente e padronizada. Da mesma forma, os sistemas supervisórios também evoluíram para um estágio onde a interação entre homem-máquina está mais avançada e automatizada. Agregando todas essas tecnologias da informática industrial foi desenvolvido um trabalho prático e real, a automação de um forno de tratamento de chapas para motores elétricos. Neste sistema as chapas receberão um tratamento térmico, o qual é chamada de azulamento que evita a oxidação das mesmas depois de montadas em pacotes dentro dos motores. Para tal as chapas são colocadas em “ pallets”, com uma capacidade aproximada de 300 Kg cada, que passam por um forno de tratamento horizontal (com 50m de comprimento, aproximadamente), com temperatura entre 500 e 760ºC. Todos os movimentos mecânicos e hidráulicos e o controle de temperatura serão gerenciados pelo controlador lógico programável, que recebe e envia sinais ao supervisório por meio de uma interface de comunicação serial RS-232C. O CLP é um equipamento utilizado em aplicações diversas de automação, a sua estrutura assemelha-se ao de um computador, possuindo UCP, memória e barramento de dados. Seu diferencial está nos dispositivos que se comunicam com o meio externo, chamados de módulos de entrada / saída ([BON1997]). A sua arquitetura é demonstrada na figura 01.
2 FIGURA 01 – ARQUITETURA BÁSICA DE UM CLP
Fonte: [BON1997]
Todos os intertravamentos utilizados no forno foram desenvolvidos com base nas especificações do fabricante e do cliente final (WEG INDÚSTRIAS LTDA. DIVISÃO MOTORES), e seguiram os padrões estabelecidos pela norma IEC 1131-3 para sistemas industriais automatizados ([BON1997]). A técnica de programação adotada para o desenvolvimento do projeto foi a lista de instruções (instruction list ). Para realizar o controle de temperatura das zonas do forno será implementada a programação de controladores PID (Proporcional, Integral e Derivativo), sendo que neste caso foram utilizados métodos pré-estabelecidos pela seção de software aplicativo, local de realização deste estágio supervisionado. Serão enfatizados alguns aspectos importantes como: leitura de sinais digitais e analógicos, conversão analógico-digital e vice-versa, conversão de escalas de grandeza e lógicas de segurança, conforme figura 02.
3 FIGURA 02 – DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE UM SISTEMA CONTROLADO POR COMPUTADOR
Fonte: [AST1997]
O sistema supervisório, que está instalado em um microcomputador padrão PC, deve trazer informações, comandos e serviços aos operadores do sistema como: a) telas de sinótico, as quais informam a posição das cargas dentro do forno através da leitura de fotocélulas; b) leitura e comandos e todos os movimentos mecânicos eletricamente comandados pelo CLP; c) leitura das temperaturas das diversas zonas do forno; d) visualização de todos os alarmes do sistema, assim como gráficos de todas as temperaturas. A metodologia para a especificação será realizada utilizando fluxograma, o qual demonstrará as lógicas de intertravamento desenvolvidas no software aplicativo do CLP. As telas gráficas do supervisório foram construídas utilizando o software Indusoft Studio e seguiram as especificações do fabricante da máquina e do cliente final, porém também foram adotados padrões básicos elaborados pela WEG INDÚSTRIAS LTDA (DIVISÃO AUTOMAÇÃO).
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1.1 JUSTIFICATIVAS E MOTIVAÇÃO O mercado de trabalho na área de informática industrial vem evoluindo de forma considerável nos últimos anos devido a constante evolução e aprimoramento das tecnologias adotadas. O desenvolvimento deste trabalho é um bom exemplo dos benefícios obtidos com a automação, atribuindo ao homem tarefas nobres como a supervisão e controle, substituindo o esforço humano. A execução de tarefas utilizando o controle informatizado se mostra mais eficiente e de garantida qualidade, tal controle não seria possível se realizado apenas por mãos humanas. Tendo em vista todos estes fatores, econômicos e sociais, é onde se encontrou a grande motivação para a realização deste estágio supervisionado e seu conseqüente projeto, a automação do forno de tratamento de chapas.
1.2 OBJETIVOS O objetivo principal do trabalho é desenvolver um sistema completo de automação para a linha de tratamento de chapas para motores elétricos industriais por meio de um forno de tratamento térmico. Para tal será realizado o projeto e elaboração do programa do CLP e das telas do sistema supervisório. Os objetivos específicos do trabalho são: a) elaborar a lógica de intertravamento do sistema, conforme especificações do fabricante do forno; b) desenvolver e aplicar controladores PID para o controle de temperatura do forno; c) criação das telas do supervisório, consistindo em sinóticos, alarmes, gráficos das temperaturas, comandos e leitura de todos os sinais aplicáveis ao sistema; d) desenvolver as tabelas de comunicação necessárias entre CLP e supervisório; e) acompanhamento de todo sistema após a conclusão do mesmo.
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1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO Este trabalho organiza-se da seguinte forma: a) no capítulo 1 é descrita a introdução do projeto, sua justificativa e motivação e seus objetivos; b) no capítulo 2 são ressaltadas definições e conceitos sobre a automação industrial, uma reflexão sobre automação e empregos, o controle automático de processos e seus componentes; c) no capítulo 3 é apresentada a fundamentação teórica do trabalho. São apresentadas as características e o princípio de funcionamento dos controladores lógicos programáveis; a teoria sobre os controladores PID (proporcional, integral e derivativo); é também descrita a norma IEC 1131-3; o CLP modelo CL200 da Bosch e sua ferramenta de programação WINSPS, os quais foram utilizados para o desenvolvimento deste projeto; também aborda os sistemas supervisórios, suas características e benefícios, apresentando o software supervisório Unisoft Studio, o qual foi utilizado neste trabalho; d) o capítulo 4 se refere ao desenvolvimento do projeto em si, a descrição do problema; a apresentação da especificação do sistema; a implementação do software do CLP, demonstrando técnicas adotadas, intertravamentos e segurança do sistema; a implementação do software do sistema supervisório, as funções das telas de sinótico, gráficos, alarmes e comunicação com o CLP; os resultados obtidos; e) e por fim, o capítulo 5 apresenta as conclusões deste projeto, e sugestões para trabalhos futuros.
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2 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL A automação industrial se verifica sempre que novas técnicas de controle são introduzidas num processo. Associado ao aumento de produtividade, como fator preponderante do aumento da qualidade de vida por meio de poder de compra adquirido pela sociedade, torna-se o maior poder gerador de riquezas que jamais existiu. Segundo alguns autores, “as técnicas de produção e a produtividade do trabalho são os fatores preponderantes do poder de compra” ([NAT1995]). Pode-se dizer que automação industrial é oferecer e gerenciar soluções, pois ela sai do nível de chão de fábrica para voltar seu foco para o gerenciamento da informação. Apesar da diferença sutil entre os termos, é importante salientar a existência de dois termos muitos difundidos popularmente: automatização e automação ([NAT1995]). Segundo [NAT1995] o termo automatização se difundiu desde a construção das primeiras máquinas e se consolidou com a revolução industrial e, portanto, automatização indissoluvelmente ligada à sugestão de movimento automático, repetitivo, mecânico e é sinônimo de mecanização, portanto, ação cega, sem correção, tem-se um sistema no qual a saída independe da entrada, ou seja, não existe uma relação entre o valor desejado para um sistema e o valor recebido por este, por meio da variável responsável por sua atuação. Diz-se que esse tipo de controle se dá por malha aberta. Neste caso, o sistema terá sempre o mesmo comportamento esperado, pois ele, é determinado por leis físicas associadas ao hardware utilizado. Hardware que pode ser de natureza mecânica, elétrica, térmica, hidráulica, eletrônica ou outra.
2.1 DEFINIÇÃO E CONCEITOS De acordo com [SIL1999] a automação é um conceito e um conjunto de técnicas por meio das quais se constroem sistemas ativos capazes de atuar com uma eficiência ótima pelo uso de informações recebidas do meio sobre o qual atuam. Com base nas informações, o sistema calcula a ação corretiva mais apropriada para a execução da tarefa e esta é uma característica de sistemas em malha fechada, conhecidos como sistemas de realimentação, ou seja: aquele que mantém uma relação expressa entre o valor da saída em relação ao da entrada de referência do processo. Essa relação entrada/saída serve para corrigir eventuais valores na
7 saída que estejam fora dos valores desejados. Para tanto, são utilizados controladores que, por meio da execução algorítmica de um programa ou circuito eletrônico, comparam o valor atual com o valor desejado, efetuando o cálculo para ajuste e correção. O valor desejado também é conhecido da literatura inglesa como set-point ([OGA1993]). Na automação, prevê-se o uso extensivo dos mesmos conceitos associados à automatização. Entretanto, o nível de flexibilidade imputado ao sistema é bem mais elevado pelo fato de estar associado ao conceito de software. Tal recurso provê, a um sistema dotado de automação, a possibilidade de ser alterado radicalmente todo o comportamento automatizado a fim de, intencionalmente, produzir-se uma gama diferenciada de resultados. Embora se esteja associando o conceito de um controle de malha aberta ao de malha fechada por meio dos termos automatização e automação, respectivamente, o termo automatização também é empregado para situações em que a saída depende da entrada por meio de uma realimentação em sua malha de controle, uma vez que máquinas mais antigas apresentavam, mesmo de forma primária, um controle em malha fechada, revelando ser possuidoras de um sistema de controle “inteligente” ([KUO1985]). Apesar da sutil diferença entre os termos, confundidos até por importantes autores na área, em ambos os casos o sistema deverá seguir as leis básicas da cibernética (ciência que estuda e estabelece a teoria geral de sistemas). De acordo com [JOV1986] uma delas é que todo sistema dotado de retroação e controle implica na presença de três componentes básicos, cuja principal característica é a realimentação das informações requeridas para seu controle, conforme ilustra a malha de realimentação da figura 03. FIGURA 03 – DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM SISTEMA DE AUTOMAÇÃO
Fonte: [JOV1986]
8 Sensor é
definido como sendo um dispositivo sensível a uma grandeza física, tais
como: temperatura, umidade, luz, pressão, entre outros. Por meio desta sensibilidade, os sensores enviam um sinal, que pode ser um simples abrir e fechar de contatos, para os dispositivos de medição e controle. Ou, caso exista a necessidade de medir uma grandeza elétrica (como por exemplo: corrente) a partir de um fenômeno físico qualquer envolvendo grandezas que não sejam de natureza elétrica tem-se, conceitualmente, a necessidade de utilizar um transdutor , que se caracteriza por um dispositivo capaz de responder ao fenômeno físico, ou estímulo, de forma a converter sua magnitude em um sinal elétrico conhecido, proporcional á amplitude desse estímulo. Os transdutores também são conhecidos como conversores de sinais ([KUO1985]). Os atuadores são dispositivos a serem acionados para executarem uma determinada força de deslocamento ou outra ação física, definida pelo sistema controlador por meio de uma ação de controle (maneira pela qual o controlador produz o sinal de controle). Podem ser magnéticos, hidráulicos, pneumáticos, elétricos ou de acionamento misto. Como exemplo, temos: válvulas e cilindros pneumáticos, válvulas proporcionais, motores, aquecedores, entre outros ([KUO1995]). Num sistema automatizado, para que se possa calcular e implementar um tipo de controlador dedicado, é preciso modelar matematicamente o processo, conhecendo-se, portanto, toda sua planta. Por meio de critérios de estabilidade conhecida da teoria “clássica de controle”, obtêm-se os parâmetros necessários para o correto projeto desse controlador que se está preconizando é o controlador lógico programável. Muitas das aplicações existentes destinadas ao controle de processos se mostram insatisfatórias, pois dentro de um curto período de tempo, existe a necessidade de amostrar o sinal a ser controlado e de obter uma alta velocidade de resposta. Basta um atraso na realimentação do sistema e os novos dados irão gerar uma solução e controle baseado em valores passado. O problema será tão maior quanto maior for seu atraso. Seus estudos de determinação são feitos pela análise dinâmica do processo. Tais problemas existem e são geralmente encontrados em sistemas de controle em tempo real. Segundo [SIL1999] além da automação programada, existem basicamente outras duas maneiras características de fazer automação. Ela pode ser dada por meio da automação fixa, que se constitui em estações de trabalhos especialistas que processam o produto de forma a se
9 especializarem em uma determinada tarefa, específica para um determinado tipo de produto. Tal processo é utilizado quando o volume de produção é muito elevado, porém, quando a vida útil de um produto é comprometida, a máquina especializada torna-se rapidamente ultrapassada. Outro tipo é o da automação flexível , que combina características da automação programada e da fixa, constituindo-se em um tipo intermediário, em que a flexibilidade se constitui no fato de vários tipos de produtos poderem ser fabricados ao mesmo tempo dentro do mesmo sistema de fabricação. É utilizada para uma quantidade média de produção. Numa automação programável, quando um lote é completado, o equipamento é reprogramado para o processo do próximo lote.
2.1.1 EMPREGOS X AUTOMAÇÃO A grande questão que deve ser abordada, com muito cuidado, é a velha falácia de que a automação é sinônimo de desemprego. Neste avanço tecnológico alguns inventos apenas aperfeiçoam seus materiais, tornando sua aplicabilidade mais confiável e de maior qualidade, como é o caso do plástico, vidro, madeira e do aço. Outros, como o avião, realizam operações que a mão-de-obra direta não poderia realizar, e são possíveis graças ao nível de automação que se tem atualmente. E a grande maioria delas acabam criando novas profissões, gerando diversas ocupações decorrentes de seu impacto social e tecnológico, como é o caso dos televisores, computadores e telefone ([NAT1995]). As novas profissões surgem também do hibridismo de duas ou mais ocupações como, por exemplo, as oriundas da mecatrônica, biotecnologia, bioengenharia, entre outras. E algumas profissões encontram-se em extinção como é o caso do datilógrafo, sapateiro, torneiro mecânico, linotipista (compositor manual de textos para jornais, livros e revistas). Algumas passam por transformações bem acentuadas como é o caso do agrônomo, do médico, do engenheiro e do costureiro. Como não poderia deixar de ser diferente, no Brasil, o setor de automação se constitui um mercado emergente. O setor conta com fornecedores nacionais e internacionais de todas as linhas de produtos para o controle de processos nos mais diferentes níveis. Como a informação se constitui de um processo rápido de atualização e o acesso disponível pela rede mundial de computadores, a Internet, o Brasil conta com o que há de mais moderno nessa
10 área, apresentando soluções sofisticadas e de última geração, estando representado pelas principais empresas do setor mundial. Estima-se que a taxa de faturamento e crescimento desse mercado gira em torno de 15%, caso persista o crescimento econômico dado pela estabilização da economia brasileira. O mercado potencial brasileiro para este setor, em 1998, segundo [ABI2000], vai ser de US$ 1,6 bilhões, devendo ultrapassar o milênio com um mercado aberto, seguindo a taxa estimada, no valor de US$ 1,8 bilhões. Observa-se no gráfico da figura 04 o faturamento bruto das principais empresas do setor até 1998, dados coletados no 8º Congresso e Exposição Internacional de Automação. Segundo dados do Ministério do Trabalho, no Brasil, entre 1990 e 1997, houve uma redução de mais de 2 milhões de empregos formais, dentre os quais, os empregos de atividades relacionadas à automação contribuíram de maneira substancial. É claro que esta situação dever ser analisada juntamente com o contexto sócio-econômico global, em que fortes crises internacionais também contribuíram para que esses números fossem expressivos. FIGURA 04 – FATURAMENTO BRUTO DAS EMPRESAS DO SETOR DE AUTOMAÇÃO (DADOS ESTIMADOS)
Fonte: [ABI2000]
11 Por que automatizar ([ABI2000]): a) Trata-se de um processo de evolução tecnológica irreversível; b) Valorização do ser humano em sua liberação na execução de tarefas entediantes e repetitivas, ou mesmo situações de trabalho insalubres e de riscos; c) Aumento da qualidade de vida de toda uma sociedade, promovendo seu conforto e maior integração; d) Maior enriquecimento pelo menor custo do produto (pela baixa manutenção, ou pela rapidez e precisão na execução de tarefas) ou pelo aumento de produtividade (num curto período de tempo); e) Uma questão de sobrevivência e forte apelo de marketing , dentro de um mercado altamente competitivo; f) Criação de empregos diretos e indiretos, além de novos empregos relacionados com a manutenção, desenvolvimento e supervisão de sistemas; g) Busca pela qualidade do produto e satisfação do cliente.
2.2 CONTROLE AUTOMÁTICO DE PROCESSOS O rápido desenvolvimento do controle automático industrial requer um pessoal de operação, manutenção e projeto, que tenham uma firme compreensão das teorias de controle. O uso de controladores microprocessados e computadores aplicados ao controle automático, aumentam a necessidade do conhecimento prático em relação ao comportamento do sistema controlado e aos métodos para alcançar o funcionamento perfeito do sistema ([SEN1997]). Para ilustrar esta apresentação claramente, consideremos um processo simples, como o trocador de calor mostrado na figura 05. O termo processo, aqui usado, significam operações usadas no tratamento de um material ou matéria-prima, portanto, a operação de adicionar energia calorífica à água é um processo. As serpentinas de vapor, o tanque, os tubos e as válvulas constituem o circuito no qual o processo de aquecimento é realizado. A temperatura de água quente e a vazão de vapor são as principais variáveis do processo.
12 FIGURA 05 –EXEMPLO BÁSICO DE UM PROCESSO AUTOMÁTICO
Fonte: [SEN1997]
O termo atual controle automático de processo foi definido quando os procedimentos do controle automático foram aplicados para tornar mais eficiente e seguro a manufatura dos produtos. O controle automático de processo é em grande parte responsável pelo progresso que vem acontecendo nas últimas décadas. O principal objetivo do controle automático de processo é conseguir que uma variável dinâmica se mantenha constante em um valor específico ([KUO1995]). Assim é necessário que exista uma malha de controle fechada, que opere sem intervenção do elemento humano, medindo continuamente o valor atual da variável, comparando-o com o valor desejado e utilizando a possível diferença para corrigir ou eliminar o erro existente. A variável controlada ou a variável do processo é aquela que mais diretamente indica a forma ou estado desejado do produto. Consideremos por exemplo, o sistema de aquecimento de água mostrado na figura 05. A finalidade do sistema é fornecer uma determinada vazão de água aquecida. A variável mais indicativa desse objetivo é a temperatura da água de saída do aquecedor, que deve ser então a variável controlada ([SEN1997]).
13 Assim, é realizado um controle direto sobre a qualidade do produto, que é a maneira mais eficaz de garantir que essa qualidade se mantenha dentro dos padrões desejados. Um controle indireto sobre uma variável secundária do processo pode ser necessário quando o controle direto for difícil de se implementar. Por exemplo, no forno de reaquecimento de chapas, que é projetado para recozer convenientemente peças metálicas, a variável controlada deveria ser a condição de recozimento do material. Entretanto, é muito difícil de se obter esta medida com simples instrumentos, e normalmente a temperatura do trocador de calor exemplificado na figura 05 ou do forno de tratamento térmico é tomada como variável controlada. Assume-se que existe uma relação entre a temperatura do forno e a qualidade do recozimento das chapas metálicas. Geralmente o controle indireto é menos eficaz que o controle direto, porque nem sempre existe uma relação definida e invariável entre a variável secundária e a qualidade do produto que se deseja controlar ([OGA1993]). Também segundo [OGA1993] a variável manipulada do processo é aquela sobre a qual o controlador automático atua, no sentido de se manter a variável controlada no valor desejado. A variável manipulada pode ser qualquer variável do processo que causa uma variação rápida na variável do processo que causa uma variação rápida na variável controlada que seja fácil de se manipular. Para o trocador de calor da figura 05, a variável manipulada pelo controlador deverá ser a vazão de vapor. É possível, mas não prático, manipular a vazão da água de entrada ou sua temperatura. As variáveis de carga ou secundárias do processo são todas as outras variáveis independentes, com exceção das variáveis manipulada e controlada. Para o trocador da figura 05, a temperatura da água de entrada é uma variável de carga. O controlador automático deverá absorver as flutuações das variáveis de carga para manter controlada no seu valor desejado. Comenta-se em [SEN1997] que na análise de um processo do ponto de vista do controle automático é bom dar-se particular consideração a três dos vários tipos de distúrbios de processo que podem ocorrer.
Distúrbios de alimentação: É uma mudança de energia ou material na entrada do processo. No trocador de calor, da figura 05, as mudanças na temperatura do vapor, na entrada de água fria ou na abertura da
14 válvula, são distúrbios de alimentação. Ou então, no caso do forno, a quantidade de cargas que entram no mesmo
Distúrbios de demanda: É uma mudança de energia ou material na saída do processo. No exemplo do trocador de calor, a mudança da vazão de água fria devido a um aumento da vazão de água aquecida é um distúrbio de demanda. Ou ainda no forno, a quantidade de cargas que saem do mesmo;
Distúrbios de set-point: É uma mudança no ponto de trabalho do processo. As mudanças de set-point geralmente são difíceis por várias razões: elas geralmente são aplicadas muito repentinamente, e são geralmente mudanças na alimentação e por isso devem atravessar o processo inteiro para serem medidas e controladas.
2.2.1 ELEMENTOS DO CONTROLE AUTOMÁTICO Conforme [SEN1997] os elementos funcionais de um sistema de controle automático e seu posicionamento com relação a malha de controle fechada são mostrados na figura 06. A função de medição, é exercida pelos elementos sensores que avaliam a variável de saída do processo e geram o sinal de medição. A função comparação pega o sinal de medição e compara com o valor desejado, isto é feito pelo detector de erro, que por sua vez produz um sinal quando existe um desvio entre o valor medido e o valor desejado. Este sinal produzido na saída do detector de erro é chamado de sinal de erro. A função computação pega o sinal de erro e calcula o sinal de correção. Este por sua vez irá direto para o elemento final de controle. A função de correção é exercida pelo elemento final de controle na entrada do processo, de acordo com o sinal de correção.
15 FIGURA 06 – RELAÇÃO DAS QUATRO FUNÇÕES BÁSICAS DE CONTROLE E DOS ELEMENTOS BÁSICOS DE UM SISTEMA DE CONTROLE AUTOMÁTICO
Fonte: [SEN1997]
De acordo com [SEN1997] o sistema de controle automático é então um equipamento sensível ao desvio e autocorretor. Ele toma um sinal na saída de um processo e realimenta na entrada do processo. Então, o controle em malha fechada é também comumente chamado controle a realimentação ( feedback ).
16
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Neste capítulo são abordados temas considerados essenciais para a compreensão do desenvolvimento do trabalho. São apresentados os controladores lógicos programáveis (CLPs), um breve histórico, seu princípio de funcionamento e os elementos que compõem sua estrutura. Também é apresentada a norma de programação para ambiente industrial IEC 1131-3 e algumas de suas características. Após esta apresentação genérica sobre CLPs é abordado o CLP utilizado no projeto, o CL200 da Bosch. Também são comentadas as funções de um sistema supervisório, e logo após é apresentado o software utilizado, o Indusoft Studio, com suas respectivas características.
3.1 CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS Durante a década de 50, os dispositivos eletromecânicos foram os recursos mais utilizados para efetuar controles lógicos de intertravamentos nas linhas de produção e em máquinas isoladas. Tais dispositivos, baseados principalmente em relés, tinham especial importância na indústria automobilística em que a complexidade dos processos produtivos envolvidos exigia, não raro, instalações em painéis e cabines de controle com centenas de relés e, conseqüentemente, um número maior de interconexões deles ([WEB1995]). Tais sistemas de controle, apesar de funcionais, apresentavam problemas de ordem prática bastante relevantes. Como as instalações possuíam uma grande quantidade de elementos, a ocorrência de uma falha qualquer significava o comprometimento de várias horas ou mesmo dias de trabalho de pesquisa e correção do elemento faltoso. Além disto, pelo fato de os relés apresentarem dimensão física elevada, os painéis ocupavam grande espaço, painéis estes que deveriam ser protegidos contra umidade, sobretemperatura, gases inflamáveis, oxidações, poeira, etc. Outro fator ainda comprometedor das instalações a relés era o fato de que como as programações lógicas do processo controlado eram realizadas por interconexões elétricas com lógica fixas (hardwired ), eventuais alterações na mesma exigiam interrupções no processo produtivo a fim de se reconectarem os elementos. Interrupções, estas nem sempre bem vindas
17 na produção industrial. Como conseqüência ainda, tornava-se obrigatória a utilização das listas de fiação como garantia de manter a documentação do sistema. De acordo com [WEB1995] com o advento da tecnologia de estado sólido, desenvolvida a princípio em substituição às válvulas a vácuo, alguns dispositivos transistorizados foram utilizados no final da década de 50 e no início dos anos 60, sendo que tais dispositivos reduziam muitos
problemas existentes nos relés. Porém, foi com o
surgimento dos componentes eletrônicos integrados em larga escala , que novas fronteiras se abririam ao mundo dos computadores digitais e, em especial às tecnologias para a automação industrial. Assim, a primeira experiência de um controle de lógica que permitisse a programação por recursos de software foi realizada em 1968, na divisão de hidramáticos da General Motors Corporation. Aliado ao uso de dispositivos periféricos, capazes de realizar operações de entrada e saída, um minicomputador com sua capacidade de programação pôde obter vantagens técnicas de controle que supriram o custo que tal implementação representou na época. Iniciava-se a era dos controladores de lógica programável, o CLP ([SIL1999]). Essa primeira geração de CLP, como poderia ser denominada, recebeu sensíveis melhorias com o advento dos microprocessadores ocorrido durante os anos 70. Assim, não se tornava necessário o uso de computadores de grande porte, tornando ele uma unidade isolada. Foram adicionados ainda recursos importantes tais como interfaces de operação facilitadas ao usuário, instruções de aritmética e de manipulação de dados poderosas, recursos de comunicação por meio de redes de CLP, possibilidades de configuração específica a cada finalidade por meio de módulos intercambiáveis, dentre outras inúmeras vantagens encontradas nos modelos comerciais que estão atualmente disponíveis. Assim, os técnicos em controle de máquinas e processos passaram a contar com um dispositivo capaz de ([SIL1999]): a) permitir fácil diagnóstico de funcionamento ainda na fase de projeto do sistema e/ou de reparos em falhas que venham a ocorrer durante a sua operação; b) ser instalado em cabines reduzidas devido ao pequeno espaço físico exigido; c) operar com reduzido grau de proteção, pelo fato de não gerarem faiscamentos; d) ser facilmente reprogramado sem necessidade de interromper o processo produtivo (programação on-line);
18 e) possibilitar a criação de um banco de armazenamento de programas que podem ser reutilizados a qualquer momento; f) manter uma documentação sempre atualizada com o processo em execução; g) apresentar baixo consumo de energia; h) manter o funcionamento da planta de produção com uma reduzida equipe de manutenção; i) garantir maior confiabilidade pela menor incidência de defeitos; j) emitir menores níveis de ruídos eletrostáticos; k) ter a flexibilidade de expansão do número de entradas e saídas a serem controladas; l) ter a capacidade de se comunicar com diversos outros equipamentos. Em nível de Brasil porém, é na década de 80, que o CLP veio a proliferar na indústria, principalmente pela absorção de tecnologias utilizadas na matriz das multinacionais. Atualmente, com a crescente redução no custo do CLP, observa-se o incremento de sua utilização nas indústrias em geral, independente de seu porte ou ramo de atividades. Devido a ampla gama de equipamentos e sistemas disponíveis para controle industrial, aliada a crescente capacidade de recursos que o CLP vem agregando, existe a possibilidade de se confundir outros equipamentos com ele. Para evitar tal equívoco, deve-se observar as três características básicas, que servem de referência para identificar um equipamento de controle industrial como sendo um controlador lógico programável ([WEB1995]): a) o equipamento deve executar uma rotina cíclica de operação enquanto em funcionamento; b) a forma básica de programação deve ser realizada a partir de uma linguagem oriunda dos diagramas elétricos de relés; c) o produto deve ser projetado para operação em ambiente industrial sujeito a condições ambientais adversas. A norma NEMA define formalmente um CLP como: “Suporte eletrônico-digital para armazenar instruções de funções específicas, como de lógica, seqüêncialização, contagem e aritméticas; todas dedicadas ao controle de máquinas e processos” ([SIL1999]). Já a norma ABNT cita que o controlador lógico programável é um equipamento eletrônico-digital, com hardware e software compatíveis com as aplicações industriais ([SIL1999]).
19
3.1.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Para melhor compreensão do que seja um CLP e do seu princípio de funcionamento, são apresentados, em seguida, alguns conceitos associados, os quais são de fundamental importância que sejam assimilados, conforme descritos em [WEB1995]. Variáveis de entrada :
são sinais externos recebidos pelo CLP, os quais podem ser
oriundos de fontes pertencentes ao processo controlado ou de comandos gerados pelo operador. Tais sinais são gerados por dispositivos como sensores diversos, chaves ou botoeiras, dentre outros. Variáveis de saída :
são os dispositivos controlados por cada ponto de saída do CLP.
Tais pontos poderão servir para intervenção direta no processo controlado por acionamento próprio, ou também poderão servir para sinalização de estado em painel sinótico. Podem ser citados como exemplos de variáveis de saída os contactores, válvulas, lâmpadas, displays , dentre outros. Programa:
seqüência específica de instruções selecionadas de um conjunto de
operações oferecidas pelo CLP em uso e, que irão efetuar as ações de controle desejadas, ativando ou não as memórias internas e os pontos de saída do CLP a partir da monitoração do estado das mesmas memórias internas e/ou dos pontos de entrada do CLP. Um CLP é basicamente composto por dois elementos principais: uma UCP (Unidade Central de Processamento) e interfaces para os sinais de entrada e saída. A ilustração da figura 07 mostra o diagrama de blocos de um CLP genérico. FIGURA 07 – DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM CLP
Fonte: [WEB1995]
20 A UCP segue padrões similares às arquiteturas dos computadores digitais, os quais são compostos basicamente por um processador, um banco de memória (tanto para dados como para programas) e um barramento para interligação (controle, endereçamento de memória e fluxo de dados) entre os elementos do sistema ([WEB1995]). O princípio fundamental de funcionamento de CLP é a execução por parte da UCP de um programa, conhecido como “executivo” e de responsabilidade do fabricante, que realiza ciclicamente as ações de leitura das entradas, execução do programa de controle do usuário e atualização das saídas, conforme a figura 08. FIGURA 08 – CICLO DE VARREDURA DE UM CLP
Fonte: [WEB1995]
O tempo total para execução dessas tarefas, chamado ciclo de varredura ou scanning , depende, dentre outros fatores, da velocidade e características do processador utilizado, do tamanho do programa de controle do usuário, além da quantidade e tipo de pontos de entrada/saída. Como regra geral, tal tempo se encontra na faixa média de milisegundos (até microsegundos nos CLPs de última geração). Em algumas situações críticas de controle em que o processo não pode esperar todo o tempo de execução do ciclo de varredura, pois deve executar uma rotina imediatamente, ou ainda quando o sinal de entrada é emitido por um tempo inferior ao mesmo ciclo, há casos em que o CLP tem a capacidade de interromper a execução do ciclo de varredura para, prioritariamente, atender a esta situação. Entretanto, apesar de não ser regra geral, a
21 compreensão do ciclo de varredura é suficiente para conhecer seu princípio básico de funcionamento.
3.1.2 ELEMENTOS DO HARDWARE Após apresentar-se, na seção anterior, os diagramas de blocos de um CLP, nesta seção, serão vistos, em maiores detalhes, os elementos da UCP e em seguida, as suas interfaces de entrada/saída.
3.1.2.1 A UCP E A MEMÓRIA DO CLP A Unidade Central de Processamento pode ser encarada como o “cérebro” que controla todas as ações de um CLP e, é constituído por um processador, memórias e um sistema de interligação, normalmente conhecido como barramento ([SAN1994]). As capacidades e características dos atuais CLP’s estão intimamente relacionadas com as qualidades do processador empregado, que pode ser denominado microprocessador ou microcontrolador, conforme o caso. Suas habilidades na solução de operações lógicomatemáticas, manipulação de dados e controle de fluxo de programa são de tal ordem que jamais poderiam ser implementadas nos tradicionais diagramas de relés. A principal função de processador é o gerenciamento de todo o sistema composto pelo CLP. Tal função é efetuada pelo executivo, semelhante a um sistema operacional de um computador (como o DOS ou Windows), o qual é responsável, dentre outras tarefas, pela garantia de execução do ciclo de varredura. Os processadores utilizados nos CLP’s podem ser classificados, a priori, pelo tamanho da informação que podem manipular. Valores como 8 bits, 16 bits ou 32 bits são os mais encontrados na atualidade. Outro fator relevante em um processador é sua velocidade de operação (ou clock ) que, apesar de os processadores em computadores pessoais alcançarem velocidades de centenas de megahertz, nos CLP’s em geral, não necessita ser tão grande. Ainda sobre processadores, é levado em consideração o conjunto de instruções de programação disponíveis, que poderá torná-los com maior ou menor poder de complexidade de programação, bem como a quantidade de memória e dispositivos de entrada e saída que podem ser endereçados. Devido ao seu reduzido tamanho a UCP de um CLP pode ser classificada como RISC ( Reduced Instruction Set Computer ) ([SAN1994]).
22 O termo programável do CLP implica numa seqüência de instruções, o programa, que deve estar armazenado e disponível em algum local. Tal região é denominada sistema de memória, que deverá estar organizada de modo a formar o “mapa de memória”. Para entender o assunto, faz-se necessário definir a que seja uma célula de memória e que tipos existem disponíveis atualmente, para então, em seguida, compreender como são organizados os mapas de memória em um CLP. Segundo [SAN1994] uma célula de memória é a unidade básica para armazenamento de um único bit de informação em um sistema de memória. As memórias semicondutoras, utilizadas para armazenamento de informação digital. Os circuitos eletrônicos utilizados para construir memórias semicondutoras são usualmente flip-flops por meio de transistores. Embora existam diversos tipos disponíveis, as memórias semicondutoras podem ser classificadas em duas categorias, voláteis e não voláteis. Memórias de armazenamento voláteis são aquelas nas quais uma perda, mesmo que breve, de alimentação de energia resultará na perda da informação armazenada. Em contrapartida, memórias de armazenamento não voláteis mantêm sua informação mesmo durante ausência de alimentação, o que às vezes é denominado memória retentiva. Na organização do sistema de memória dos CLP’s, encontraremos o uso de ambos os tipos, incluindo-se ainda, em alguns equipamentos, um sistema de fornecimento de energia via baterias ou acumulador, a fim de manter os dados que estão armazenados em memórias voláteis. Os tipos de memórias e como suas principais características afetam a forma de armazenamento/alteração dos dados serão relacionados em seguida ([SAN1994]). RAM: ( Random Access Memory) é o tipo de memória volátil mais amplamente utilizado. Sua principal característica reside no fato de que os dados podem ser gravados e alterados facilmente, ficando a critério das necessidades do usuário. Nos CLP’s, são utilizadas para formar uma área de armazenamento temporário como uma espécie de rascunho de informações tanto de dados como de programas. ROM: ( Read Only Memory) são memórias especialmente projetadas para manter armazenadas informações que, sob hipótese alguma, poderão ser alteradas. Assim, sua única forma de acesso é para operação de leitura. Devido a essa característica, elas se encaixam na categoria de memórias não voláteis.
23 PROM: (Programmable Read Only Memory ) semelhante as ROM, esse tipo de memória permite que os dados sejam gravados, pelo próprio usuário, porém a operação de gravação só pode ser realizada uma vez. EPROM: ( Erasable Programmable Read Only Memory) é um tipo especial de PROM que permite ao usuário efetuar alterações nos dados ali contidos. O processo de apagamento dos dados pré-armazenados é feito pela exposição temporária do chip a uma fonte de luz ultravioleta. A EPROM pode se constituir um excelente meio de armazenamento não volátil do programa de controle que o CLP irá executar, após, porém, o mesmo ter sido elaborado e totalmente isento de erros enquanto armazenado em RAM. EEPROM: ( Eletrically Erasable Programmable Read Only Memory ) são dispositivos de memória que, apesar de não voláteis, oferecem a mesma flexibilidade de reprogramação existente nas RAM. As grandes maiorias dos CLP’s atuais vêm equipadas com EEPROM em seu sistema de memória devido à sensível vantagem advinda do seu uso. Porém, elas apresentam duas limitações: primeiro, é o processo de regravação de seus dados que só pode ser efetuado após a limpeza da célula (o que exige um tempo da ordem de milisegundos por byte) e segundo, que a vida útil de uma EEPROM é limitada pelo número de reprogramações que ela pode receber (da ordem de dez mil operações limpeza/escrita). Após esta rápida apresentação dos principais tipos de memórias semicondutoras, em seguida, é demonstrado como elas são organizadas e, quais suas principais atribuições no caso específico de um CLP. Um sistema de memória pode ser, a princípio, visualizado como uma longa fila de células de memória. Como cada uma dessas células contém uma informação digital do tipo “0” ou “1”, passarão a ser denominadas simplesmente bit de memória. Entretanto, como os processadores podem manipular mais de um bit de cada vez, essa lista de bit na memória passa a ser organizada em grupos compatíveis com a capacidade do processador. Esses grupos recebem denominações específicas conforme seu tamanho, tem-se que ([SAN1994]): a) nibble = 4 bits; b) byte = 8 bits; c) word = 16 bits; d) double word = 32 bits.
24 Estes elementos formarão a estrutura do mapa do sistema de memória, conforme ilustrado na figura 09, e cuja quantidade máxima de grupos irá depender da capacidade de endereçamento do processador. FIGURA 09 – UNIDADE DE MEMÓRIA
Fonte: [SAN1994]
A forma como é organizado o mapa de memória em um CLP varia de fabricante e ainda entre diferentes modelos para um único fabricante. Porém, como as necessidades inerentes à operação de um CLP são semelhantes, pode-se generalizar que seu mapa de memória seja constituído por cinco regiões distintas, como ilustrado na figura 10. FIGURA 10 – MAPA DE MEMÓRIA GENÉRICO DE UM CLP
Fonte: [SAN1994]
A área referente ao executivo deve ser não volátil. Já a sua área de trabalho deve ser do tipo volátil, uma vez que os dados ali armazenados são constantemente atualizados como, por exemplo, data, hora e estado do equipamento. Essas duas regiões previamente descritas são internas e de responsabilidade exclusiva do fabricante, sendo acessíveis ao usuário apenas para leitura de algumas variáveis do sistema. Nas suas áreas do programa de aplicação e de trabalho, é que irão se localizar as linhas de controle escritas pelo usuário conforme a aplicação desejada, bem como os dados necessários à sua parametrização. Para o programa, encontram-se normalmente regiões de memória regraváveis, seja por RAM protegida via bateria ou acumulador, seja por EEPROM.
25 Já a área de dados pode ser volátil, sendo que, em alguns equipamentos, apresenta uma parcela de sua região protegida por bateria ou acumulador. De acordo com ([SAN1994]) é na área dedicados as entradas e saídas do CLP que se encontram as informações referentes ao estado de cada um dos dispositivos ligados a ele. Na ilustração da figura 11 pode-se verificar um exemplo de como é constituída uma área de memória para entradas/saídas. FIGURA 11 – MAPA DE D E MEMÓRIA DA ÁREA DE ENTRADA/SAÍDA
Fonte: [SAN1994]
Observa-se que a chave fechada da entrada ocasiona a transição para o nível lógico 1 do seu respectivo bit na memória, assim como a colocação em nível 1 de um bit de saída leva, por exemplo, ao acendimento de uma lâmpada que esteja hipoteticamente conectada a essa saída. Os circuitos que se responsabilizam por essa interconexões são apresentados na seção seguinte.
3.1.2.2 INTERFACES DE ENTRADAS E SAÍDAS DISCRETAS O sistema de entrada/saída é que irá realizar a conexão física entre a UCP e o mundo externo por meio de vários tipos de circuitos de interfaceamento. Tais circuitos possuem padrões semelhantes nos diversos equipamentos. A seguir, será feita menção a eles, subdividindo-os nos de natureza discreta (ou de um único bit de informação) e aqueles de natureza numérica (analógicos ou de vários bits) ([SAN1994]). Interfaces de entradas e saídas discretas são os tipos de sinais mais comumente encontrados em sistemas automatizados com CLP. Nesses tipos de interface, a informação
26 consiste em um único bit cujo estado pode apresentar duas possíveis situações: ligado ou desligado (daí sua característica discreta). Na tabela 01, apresenta-se uma lista de vários dispositivos de entrada/saída com tais características ([SEN1997]). TABELA 01 – DISPOSITIVOS DE ENTRADAS E SAÍDAS DISCRETAS
Dispositivos de Entrada
Dispositivos de Saída
Chaves seletoras
Relés de controle
Pushbottons
Solenóides
Sensores fotoelétricos
Partida de motores
Chaves fim-de-curso
Válvulas
Sensores de proximidade
Ventiladores
Chaves sensoras de nível
Alarmes
Contatos de partida
Lâmpadas
Contatos de relés
Sirenes
Fonte: [SEN1997].
Cada um desses dispositivos é acionado por fontes de alimentação distintas e que normalmente não são da mesma magnitude ou natureza. Por esta razão, as interfaces com dispositivos de entrada/saída discretos são disponíveis em vários níveis de tensão CA ou CC, conforme os seguintes padrões comerciais demonstrados na figura 12 ([SIL1999]). FIGURA 12 – PADRÕES COMERCIAIS PARA DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA
Fonte: [SIL1999]
Adicionalmente, para saídas, também são encontrados contatos abre/fecha de relés, os quais normalmente suportam correntes até 1 A com isolação de 220Vca, mas que podem variar conforme o modelo e o fabricante. Outra característica é o número de pontos de entrada/saída que possui terminal em comum, o qual pode variar entre dois, quatro ou mais pontos, ou apenas um (saída isolada), o que também dependerá do modelo e fabricante do equipamento ([SIL1999]). A seguir, nas figuras 13 e 14, são apresentados alguns exemplos de diagramas referentes a interfaces de entrada/saída do tipo discreto.
27 FIGURA 13 – INTERFACE PARA ENTRADA DE SINAIS CA / CC
Fonte: [SIL1999]
FIGURA 14 – INTERFACE DE SAÍDA SA ÍDA DE SINAL VIA CONTATO DE RELÉ
Fonte: [SIL1999]
3.1.2.3 INTERFACES DE ENTRADAS E SAÍDAS NUMÉRICAS Com as potencialidades de processamento aritmético que passaram a integrar os processadores nos atuais CLP’s, novas características de controle puderam facilmente ser adicionadas e esse equipamento. Não se poderia deixar de citar suas características de processamento numérico como o controle analógico em malha fechada, por exemplo. Ainda que o tempo de varredura seja demasiado lento, várias aplicações, como controle térmico ou reações físico-químicas diversas, possuem uma constante de tempo suficiente grande para que os CLP’s possam ser empregados com sucesso ([SAN1994]). A recepção ou envio de sinais numéricos se faz principalmente por meio de pontos de entrada/saída analógicos, o que implicitamente significa que dentro do CLP há um circuito conversor analógico-digital ou digital-analógico conforme o caso. A diferença marcante em relação aos sinais discretos é que mais de um bit deverá ser manipulado, seja pela conversão do sinal analógico, seja pelo tratamento de dispositivos multibits , como é o caso do acionamento de motores de passo, ou o acendimento de displays. A tabela 02 exemplifica
28 alguns dispositivos numéricos de entrada e de saída tanto de características analógicas como de características multibits ([SEN1997]). TABELA 02 – DISPOSITIVOS DE ENTRADAS E SAÍDAS NUMÉRICAS
Entradas Analógicas
Saídas Analógicas
Transdutores de tensão e corrente
Válvula analógica
Transdutores de temperatura
Acionamento de motores CC
Transdutores de pressão
Controladores de potência
Transdutores de fluxo
Atuadores analógicos
Potenciômetros
Medidores analógicos
Entradas Multibits
Saídas Multibits
Chave thumbwhell
Acionamento de motor de passo
Encoder absoluto
Display de sete segmentos
Encoder incremental
Displays
alfanuméricos
Fonte: [SEN1997].
Cada um dos dispositivos analógicos, em particular, é acionado por fontes de alimentação distintas e que normalmente não são da mesma magnitude ou natureza. Por esta razão, as interfaces com dispositivos de entrada/saída analógica são disponíveis em várias faixas de tensão ou corrente, conforme os seguintes padrões comerciais mostrados na figura 15 ([SIL1999]). FIGURA 15 – PADRÕES COMERCIAIS PARA DISPOSITIVOS DE ENTRADAS E SAÍDAS ANALÓGICAS
Fonte: [SIL1999]
A seguir, são apresentados diagramas (figuras 16 e 17) de interfaces de entrada/saída do tipo analógicas.
29 FIGURA 16 – INTERFACE DE ENTRADA ANALÓGICA POR CORRENTE
Fonte: [SIL1999]
FIGURA 17 – INTERFACE DE SAÍDA ANALÓGICA POR TENSÃO
Fonte: [SIL1999]
3.2
CONTROLADOR
PROPORCIONAL,
INTEGRAL
E
DERIVATIVO Um dos controladores de malha fechada mais conhecido usado na prática é o controlador PID (Proporcional, Integral e Derivativo). A função de transferência simplificada de um controlador PID é representada na figura 18. FIGURA 18 – FUNÇÃO DE TRANSFERÊNCIA DE UM CONTROLADOR PID
Fonte: [KUO1995]
O problema do projeto é determinar os valores das constantes Kp, Kd e Ki, tal que o desempenho do sistema seja conforme o desejado. O ganho do controlador (Gc), representa uma grandeza diretamente relacionada a saída analógica do CLP.
30 O controle de temperatura do forno é realizado por controladores PID (proporcional, integral e derivativo), a seguir são descritas algumas características dos elementos que compõem esta técnica de controle em malha fechada. A banda proporcional é a principal responsável pela estabilização da temperatura. É expressa em percentagem da faixa do sensor configurado. Determina a região na qual o controle aplica potências de saídas intermediárias entre 0% a 100%, proporcionais ao erro de temperatura lido pelo cartão de entrada analógica do CLP. A banda proporcional pode ou não ter como ponto central o setpoint do controle, dependendo do comportamento do processo ([OGA1993]). A banda proporcional deve ser ajustada para obter a melhor resposta em termos de distúrbios no processo, com o mínimo de sobre-temperatura possível. Baixos valores de banda proporcional (alto ganho) resultam numa rápida resposta do CLP aos distúrbios do processo, sob o risco de comprometer a estabilidade (temperatura oscilando continuamente em torno da pré-seleção de controle) ou aumento da sobretemperatura. Altos valores de banda proporcional (baixo ganho) resultam numa resposta lenta do CLP aos distúrbios do processo, ocasionando grandes demoras para abaixar a temperatura. O estudo da ação proporcional sobre um processo em malha fechada mostra que a correção da ação proporcional deixa sempre um off-set ou seja, não elimina totalmente o erro como mostra a figura 19. FIGURA 19 – CURVA DA AÇÃO PROPORCIONAL
Fonte: [SEN1997]
O tempo de integral é o principal responsável pela precisão de controle da temperatura. É definido como um tempo em segundos, no qual a saída devido a ação integral
31 sozinha equivale à saída durante a ação proporcional com um erro constante do processo. Tão longo como a constante de erro existente, a ação integral repete a ação proporcional durante todo o tempo de integral. A ação integral muda o ponto central da banda proporcional visando eliminar erros constantes no processo. A ação integral (também conhecida como reset automático do erro de controle) altera indiretamente a potência de saída com o intuito de ajudar a temperatura do sensor para a pré-seleção do controle ([OGA1993]). O tempo de integral muito curto poderá não permitir que o processo apresente as devidas mudanças para a potência fornecida. Isto causará sobre-compensação ocasionando excessivas sobre-temperaturas. O tempo de integral muito grande causa uma resposta lenta para os erros constantes do processo, conforme demonstrado na figura 20. O ajuste em “zero” desabilitará a ação integral. FIGURA 20 – CURVA DA AÇÃO PROPORCIONAL + INTEGRAL
Fonte: [SEN1997]
O tempo de derivada é o principal responsável pela maior rapidez de estabilização da temperatura. É definido como um tempo em segundos, no qual a saída devido à ação proporcional sozinha equivale à saída durante a ação derivada com uma taxa de erro do processo. Tão longa como a taxa de erro existente, a ação derivada é “repetida” pela ação proporcional durante todo o tempo de derivada. A ação derivada é usada para reduzir o tempo de resposta do processo e ajuda na estabilização mais rápida da temperatura, permitindo uma potência de saída baseada na taxa real de mudança de temperatura do processo ([OGA1993]). De fato, a ação derivada procura antecipar a necessária alteração da potência de saída, de acordo com mudanças de temperatura no processo que “estão prestes a acontecer”. O
32 aumento do tempo de derivada ajuda a estabilizar o efeito, porém tempos muito longos em processos com mudanças muito bruscas podem acarretar em flutuações muito grandes na saída do controle, tornando-o pouco eficiente, conforme figura 21. FIGURA 21 – CURVA DA AÇÃO PROPORCIONAL + DERIVATIVO
Fonte: [SEN1997]
O tempo de derivada muito curto normalmente resulta em diminuição da estabilidade do processo com grandes sobre-temperaturas. Quando a ação derivada é desabilitada (ajustada em “zero”), para suprir a ausência da mesma, normalmente se exige o ajuste de uma maior banda proporcional e um menor tempo de integral, o que resultará num maior tempo para estabilizar a temperatura do processo, ou seja, a presença da ação derivada acelera a rapidez de estabilização da temperatura ([OGA1993]). Na figura 22 é demonstrada a curva de resposta referente a velocidade de estabilização do sistema, de temperatura no caso. É importante lembrar que como resultado final os controladores PID aplicados no forno de tratamento tiveram resposta consideradas rápidas e eficazes.
33 FIGURA 22 – CURVA DE RESPOSTA DOS CONTROLADORES PID
Fonte: [SEN1997]
Com o intuito de ajudar no compreendimento e comparação dos diferentes tipos de controle, P, PD, PI e PID, estão demonstrados na figura 23 os componentes dos 4 possíveis tipos de controle no sistema de temperatura. FIGURA 23 – RESULTADO DE CADA TIPO DE CONTROLE
Fonte: [SEN1997]
3.3 A NORMA IEC 1131-3 Problemas complexos em sistemas de controle são solucionados com a introdução de controladores programáveis na área de automação. O grau de complexidade aumenta à medida que o número de fabricantes disponíveis no mercado mundial, apresenta, para um mesmo processo, soluções diversas utilizando linguagens próprias e sintaxe de programação sem um critério de padronização ([BON1997]).
34 Com o propósito de estabelecer um padrão do modo pelo qual os softwares de programação pudessem processar seus comandos, manipular suas variáveis e sua própria estrutura de apresentação, foi criado um comitê internacional. Organizado para promover e criar um modelo formal de padronização mundial, surge a norma IEC 1131. Tal norma referese ao desenvolvimento de recursos de programação para os dispositivos de controladores programáveis, dentro de um sistema de automação industrial. Independente do fabricante, a norma IEC 1131 procura concatenar em seus cinco itens, um padrão único, de respaldo mundial, na tentativa de promover uma redução de custos relacionados a programação, cujo objetivo é: desenvolver um programa aplicativo dentro de um ambiente integrado, propiciando uma maior rigidez de programação, buscar uma sensível redução de erros no desenvolvimento de programas, no que diz respeito à fase de teste em modo off-line , ou mesmo na fase de verificação de sintaxe; maior facilidade de programação e de documentação, entre outros. A norma prevê, entre seus inúmeros itens, a detecção de erros pertinentes ao estágio de configuração do software. Abaixo estão relacionadas as cinco partes que compõem a norma IEC. São elas ([BON1997]): a) visão geral; b) equipamento; c) linguagens de programação; d) manuais/guias do usuário; e) comunicação. Destaque para a tentativa de uniformização das linguagens de programação existentes e disponíveis, por meio dos inúmeros fabricantes atuantes no mercado mundial. Foi exatamente em função do estabelecimento da norma, em seu quesito terceiro, que se estabeleceu e se difundiu a IEC 1131-3. Com isto, tornou-se
possível padronizar procedimentos de depuração
de erros
cometidos durante a editoração do programa, bem como os erros cometidos durante a configuração de um sistema de vários controladores programáveis trabalhando em rede. Inúmeras tarefas realizadas habitualmente puderam ser utilizadas de forma única, comum a qualquer representante de CLP.
35
3.3.1 CARACTERÍSTICAS DA NORMA IEC 1131-3 Por meio da normalização, inúmeras tarefas utilizadas com freqüência, no controle de processos, podem e devem ser concatenadas e estruturadas em blocos de funções, com as quais são chamados, por meio de uma interrupção (comando interno de programação chamado de call), dentro do programa principal. Do mesmo modo, funções podem ser criadas e chamadas. Outra novidade é o fato de que, no próprio ambiente de programação, pode-se trabalhar com o próprio nome do bloco de função (chamadas de funções através de seus nomes), ao invés de se trabalhar com um código de endereçamento. Isto também vale para os nomes de funções, nome de variável de entrada ou de saída, memórias auxiliares, flags, entre outros. A estrutura do programa torna-se mais leve, escrita de forma clara, favorece o entendimento lógico e auxilia futuras manutenções. Todo o endereçamento pertinente deve ser declarado em ambiente próprio, definido no módulo de declaração de variáveis. O ambiente de programação pode ser dividido em duas partes: uma para que se possa efetuar a declaração de todas as variáveis utilizadas pelo programa, e outra, constituindo-se no próprio ambiente de programação. O programa final é constituído pela declaração de variáveis e pelo programa de linguagem estruturada propriamente dito, especificado no mesmo ambiente de programação. O fato de haver um módulo próprio para a declaração de variáveis apenas concede ao usuário facilidades de programação. Esse ambiente é caracterizado pela especificação de todos os elementos (funções, blocos, variáveis, memórias auxiliares) utilizados pelo programa principal, de modo a declarálo segundo: seu tipo (booleano, constante, inteiro, entre outros), endereço, atributos, definição de valores iniciais e comentário. Uma lista de referência da declaração de variáveis é gerada com toda sua documentação. Outra característica da norma IEC 1131-3 é o estabelecimento do conceito de variável global e de variável local. O termo explora o mesmo conceito empregado dentro de linguagem de programação estruturada, de alto nível, já familiarizado aos programadores de um modo geral. Um bloco de função, portanto, pode conter uma variável global em sua estrutura interna, desde que essa variável seja requerida pelos demais blocos do programa. Caso a variável seja utilizada apenas dentro desse bloco, ela continua tendo conotação local.
36 A IEC 1131-3 reconhece dois grandes blocos que representam o tipo de linguagem de programação utilizada, cada qual contendo um conjunto de linguagens correntes. São eles ([BON1997]): Linguagens gráficas: a) diagrama de funções seqüenciais (SFC – Sequential Function Chart ) Grafcet ; b) diagrama de contatos ( LD – Ladder Diagram ); c) diagrama de blocos de funções (FBD – Function Block Diagram ). Linguagens textuais: a) lista de instruções ( IL – Instruction List ) mnemônicos booleanos; b) texto estruturado (ST – Structured Text ) parâmetros idiomáticos.
3.4 O CLP MODELO BOSCH CL200 Após a apresentação da base teórica sobre controladores lógicos programáveis nas seções anteriores, aqui serão apresentadas características técnicas do CLP usado para o desenvolvimento do projeto. Trata-se de um CLP fabricado pela empresa Bosch da Alemanha, modelo CL200, o qual foi instalado no painel elétrico do forno de reaquecimento. Dados técnicos do CL200 ([BOS1995]): a) processador de 16 bits; b) tempo de ciclo de 0,3 ms/k; c) 192 entradas / 128 saídas digitais; d) 128 entradas / 128 saídas analógicas; e) endereço estendido de 256 bytes de E/S; f) programação em diagrama de contatos (ladder ), lista de instruções e blocos lógicos (IEC 1131-3) com programação estruturada; g) execução cíclica, controlada por tempo ou por interrupção; h) alimentação : 24 Vcc.
37 Módulo de UCP ([BOS1995]): a) ZE200 - 16 bits com 128 kB, 2 contadores rápidos de 10 KHZ, 3 entradas de interrupção e 1 interface serial de programação RS232, memória flash interna; b) ZE201 = ZE200 + 1 x RS232; c) ZE200A = ZE200 + 4 entradas analógicas 10 BITS + 1 saída analógica 12 BITS. A figura 24 demonstra os módulos de UCP. FIGURA 24 – MÓDULOS DE UCP DO CL200
Fonte: [BOS1995]
Módulos E24V ([BOS1995]): a) 16 OU 32 entradas digitais 24 Vcc fotoacopladas. A figura 25 demonstra os módulos E24V. FIGURA 25 – MÓDULOS DE ENTRADA DIGITAL DO CL200
Fonte: [BOS1995]
38 Módulos A24V ([BOS1995]): a) 16 ou 32 saídas a transistor 24VCC / 0,5A; b) 08 saídas a transistor 24 VCC / 2 A fotoacopladas; c) 08 saídas a relé. A figura 26 demonstra os módulos A24V. FIGURA 26 – MÓDULOS DE SAÍDA DIGITAL DO CL200
Fonte: [BOS1995]
Módulos EANALOG ([BOS1995]): a) 08 entradas analógicas universais isoladas; b) resolução: 16 bits; c) sinais : ± 10V, ±1V, ±100 mV, ±10mV, 20 mA, 4- 20mA; d) termopares do tipo B, E, J, K, R, S e T; e) termistores do tipo Pt100, Pt500, Pt1000; f) 4 x fonte estabilizada de corrente 2,5mA ±0,5%; g) curva de correção / compensação. A figura 27 demonstra os módulos EANALOG. FIGURA 27 – MÓDULOS DE ENTRADA ANALÓGICA DO CL200
Fonte: [BOS1995]
39 Módulos AANA ([BOS1995]): a) 02 saídas analógicas universais isoladas; b) resolução : 16 bits; c) sinais: ± 10V, 4 a 20mA. A figura 28 demonstra um módulo AANA. FIGURA 28 – MÓDULOS DE SAÍDA ANALÓGICA DO CL200
Fonte: [BOS1995]
Tipos de racks disponíveis ([BOS1995]): a) GG3 - 7 slots (usado como rack básico e expansão); b) GG3/K- 4 slots (usado como rack básico e expansão); A figura 29 demonstra um modelo de rack do CL200. FIGURA 29 – MODELOS DE RACK DO CL200
Fonte: [BOS1995]
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3.4.1 SOFTWARE DE PROGRAMAÇÃO WINSPS A ferramenta de programação utilizada para os CLP’s da família Bosch é o WINSPS, vale ressaltar que SPS em alemão significa CLP. Linguagens possíveis de programação : a) lista de instruções: são comandos semelhantes ao assembler , a figura 30 mostra uma seqüência típica deste método de programação. FIGURA 30 – PROGRAMAÇÃO EM LISTA DE INSTRUÇÕES
b) diagrama de contatos (ladder ): é uma linguagem visual parecida com os antigos esquemas elétricos de contactores, a figura 31 demonstra sua aparência. FIGURA 31 – PROGRAMAÇÃO EM DIAGRAMA DE CONTATOS
c) blocos lógicos: também é uma linguagem visual, muito conhecido por programadores em geral, sua representação está na figura 32. FIGURA 32 – PROGRAMAÇÃO EM BLOCOS LÓGICOS
41 O software de programação WINSPS possibilita todas estas opções de programação, seguindo a padronização da norma IEC 1131-3, já citada anteriormente. O método de programação adotado foi a lista de instruções, assunto que será abordado no capítulo 4. Para o desenvolvimento do software aplicativo do CLP foi utilizado o WINSPS versão 2.55, em plataforma Windows NT 4.0. A figura 33 mostra o ambiente do software. FIGURA 33 – AMBIENTE DE EDIÇÃO WINSPS Nome do Módulo de Programa
Nome da Network No. da Network
Network
Lista de Símbolos
Nessa tela os seguintes campos são relevantes citar : a) nome do módulo de programa : nome do módulo de programa que está sendo editado neste momento; b) número da network : número da network pertencente a esse módulo de programa sendo editado neste momento; c) nome da network : nome resumido da função desta network ; d) network : seqüência funcional do programa do CLP; e) lista de símbolos : lista dos operandos utilizados dentro da network .
42
3.5 SISTEMAS SUPERVISÓRIOS Por meio da visualização gráfica em cores e com alta definição, torna-se muito mais prático e rápido ao operador obter informações precisas a respeito do status do processo. Ao invés de um simples piscar de lâmpadas (como ocorriam nos painéis de comando e quadros sinóticos), o operador tem uma melhor visualização quando efetivamente enxerga o abrir de uma válvula, o ligamento de um motor, ou outra informação do processo de maneira visual. Nesse tipo de visualização, faz-se uso extensivo de informações por cores e textos, podendo-se também dispor de elementos animados graficamente. Na elaboração de um supervisório, o projetista pode lançar mão da representação de painéis sinóticos, já familiares aos operadores, ou que expressem um fluxo de produção, ou o layout
dos equipamentos da planta, ou o grafcet de controle seqüencial, ou ainda outra
organização gráfico-lógica que expresse adequadamente a planta a ser supervisionada ([SIL1999]). O elo de comunicação entre o supervisório e o CLP (ou outro equipamento de controle monitorado) normalmente se dá por meio de um protocolo de comunicação específico que reproduz no supervisório as variáveis do processo, que agora se denominam tag. Assim, uma tag
representa, em última análise, uma variável no supervisório que poderá ser do tipo
discreta, numérica ou alfanumérica. Devido a bidirecionalidade do sentido de comunicação entre CLP e supervisório, uma tag poderá tanto monitorar o status do controlador como também enviar valores (ou setpoints – valores predefinidos) ao mesmo. Um recurso interessante disponível nos supervisórios é o armazenamento de conjuntos de setpoints , gravados em arquivo, que ao serem enviados ao controlador, definem as diversas parametrizações do sistema, ou receitas de produção. Assim, torna-se possível, por exemplo, alterar rapidamente a produção de um determinado tipo de peça para um outro tipo, ao simples enviar de um único comando por parte do operador. Os supervisórios podem liberar a UCP do controlador da monitoração de situações anômalas do processo pela geração de sinais de alarme. Tal procedimento é feito pela constante monitoração das tags suscetíveis à falhas por parte do supervisório que podem,
43 inclusive, ter a vantagem de, em ocorrências, sugerir ao operador que providências devem ser tomadas diante do defeito ocorrido. Em situação similar o supervisório pode simplesmente alertar o operador sobre a troca de situação do processo, por meio da geração de sinais de eventos que são obtidos pela monitoração das variáveis pertinentes. Esses recursos por si mesmos já justificariam o uso de um supervisório. Porém, mais do que isto, em grande parte dos casos, permitem ainda o registro histórico (pelo armazenamento de dados) dos eventos e alarmes, de forma a permitirem posterior análise de ocorrências pela equipe de engenharia de processo, permitindo a obtenção de dados para controle estatístico, bem como de análise histórica para consulta, plotagem e diversos outros tipos de relatórios e gráficos de tendência. É exatamente por intermédio de arquivos de receitas, históricos, linguagens de programação interativa (scripts), entre outros, que os softwares de supervisão e controle devem se comunicar com diferentes tipos de bancos de dados, tal que lhe possibilitem enviar ou receber informações geradas, para o chão de fábrica. Outras tecnologias estão facilitando e aumentando em eficiência, o grau de flexibilidade e de controle do processo fabril, pelos sistemas de supervisão, como por exemplo: a tendência da engenharia de software de desenvolvimento de programas modularizados (módulos que se integram perfeitamente com todo sistema); recursos de captura, registro e transmissão digital de imagens em tempo real, sistema de supervisão, gerenciamento e distribuição de informações por meio da Internet; entre outros ([SIL1999]). Quando implementada em ambiente de rede industrial o supervisório pode apresentar a vantagem de poder estar localizado em um ponto distante do processo. Neste caso, diz-se que ele tem operação remota. A presença de ambiente de comunicação entre elementos de controle e monitoração é atualmente uma tendência que traz vários benefícios ao sistema produtivo. Para um nível mais superior da hierarquia de controle, os supervisórios podem permitir a comunicação com outros computadores de forma a possibilitar trocas dinâmicas de dados pela integração com sistemas de banco de dados. É principalmente por meio do protocolo TCP/IP que tais recursos de comunicação estão implementados ([SIL1999]).
44 Quando o supervisório é implementado em computadores torna-se possível, inclusive, a conexão do sistema a redes do tipo corporativa, configurando-se assim como um forte esquema de distribuição de informações acerca do processo.
3.5.1 SOFTWARE SUPERVISÓRIO INDUSOFT STUDIO InduSoft Studio é um software designado especificamente para o desenvolvimento de aplicações a serem utilizadas em supervisão de processos, aquisição de dados, automação, interface homem-máquina, para qualquer tipo de mercado como químico, elétrico, têxtil, farmacêutico, alimentos, água, etc. Enfim, a flexibilidade do InduSoft Studio permite a implementação de aplicações para ([IND1999]): a) aquisição de dados; b) interface homem-máquina; c) estações de supervisão local e remota; d) concentrador de dados em processos distribuídos; e) comunicação de dados com sistemas corporativos. A figura 34 mostra o ambiente típico de desenvolvimento do Indusoft Studio. FIGURA 34 – AMBIENTE DE EDIÇÃO INDUSOFT STUDIO
45 A versão do software Indusoft Studio utilizado neste trabalho foi a 3.0, baseado no sistema operacional Windows NT 4.0. Todas as aplicações desenvolvidas no InduSoft utilizam-se dos módulos de Engenharia
para o desenvolvimento e os de Runtime para a execução. Durante a execução
todos os módulos trocam dados com o banco de dados (database) e deste para os outros módulos. Isso quer dizer que para mandar dados do driver (software responsável pela comunicação entre CLP e supervisório) para uma matemática (espécie de rotina de funções definidas pelo programador), o valor do tag gerado pelo driver vai para o banco de dados e só então para a planilha matemática. Existem basicamente três tipos de ferramentas dentro do InduSoft Studio ([IND1999]): - Desenvolvimento; módulo que permite a execução das seguintes tarefas: a) desenvolvimento de telas; b) desenvolvimento de planilhas de tarefas (receitas, matemáticas, ODBC, scheduler , alarmes, gráficos, relatórios, etc…); c) desenvolvimento de comunicações (drivers , TCP/IP, DDE, OPC); d) desenvolvimento do sistema de segurança. - Execução; nele são realizadas as funções: a) visualização de telas (viewer ); b) execução de tarefas (background tasks, que executa receitas, relatórios, alarmes, matemáticas, ODBC runtime, etc…); c) execução da comunicação (driver , TCP/IP client e server , OPC client runtime, DDE client e server ) d) logon e logoff (sistema de senhas de segurança por tipo de usuário).
- Depuração ou Debug; módulo responsável por: a) database spy – alterar e ler valores do banco de dados; b) logwin - controle da execução dos módulos, da comunicação serial, variação do valor dos tags.
46
4 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO A automação desenvolvida neste projeto foi realizada com o intuito de suprir a produção de motores elétricos da empresa WEG INDÚSTRIAS LTDA (Divisão Motores), sendo que o forno de tratamento, como o próprio nome sugere, é responsável pelo tratamento térmico das chapas metálicas de aço-silício, utilizadas posteriormente na linha de montagem dos motores. Este capítulo aborda o projeto do software do CLP e do sistema supervisório e sua conseqüente implementação em chão de fábrica.
4.1 DESCRIÇÃO DO PROBLEMA A produção principal da empresa WEG INDÚSTRIAS LTDA. é de motores de indução, dos mais variados portes e modelos. Nela é adotada a produção seriada de produtos, ou seja, a montagem de um motor passa por várias etapas até sua aprovação final. Parte deste processo é o tratamento térmico das chapas metálicas de ferro-silício, que após passarem por prensas tomam a forma de estatores (núcleo fixo do motor) e rotores (eixo giratório interno do motor). Estas chapas são soldadas em pacotes que, por fim, tomarão a forma definitiva (estatores e rotores). É neste contexto que o forno de tratamento entra em questão. Este equipamento realiza o tratamento térmico, tornando as chapas “azuladas” depois de aquecidas. Este azulamento evita a oxidação das chapas aumentando a vida útil do motor e seu rendimento. A parte de engenharia mecânica do forno é da empresa BRASIMET de São Paulo, os painéis elétricos, incluindo o CLP e o microcomputador industrial, são fornecimento da Divisão Automação da própria WEG. O desenvolvimento do software aplicativo do CLP e o sistema supervisório também são da Divisão Automação, no setor de projetos – software aplicativo, local onde foi realizado este estágio. A figura 35 mostra um visão frontal do forno.
47 FIGURA 35 – O FORNO DE TRATAMENTO DE CHAPAS
Além do objetivo principal, o tratamento térmico das chapas, existem fatores importantes a serem ressaltados: a) reduzir o esforço físico dos operadores, visto que os pallets carregados são extremamente pesados; b) garantir uma lógica de segurança adequada, tanto em hardware como em software; c) desenvolver um sistema flexível, no qual existam acionamentos automáticos e manuais; d) possibilitar a seção de metrologia um acompanhamento das temperaturas das zonas do forno; e) disponibilizar o máximo de informações possíveis no sistema supervisório, facilitando operações e serviços de manutenção.
48 O controlador lógico programável, como já citado anteriormente, utilizado foi o Bosch modelo CL200, um CLP de médio porte. É um CLP de alta confiança e que raramente apresenta problemas, se devidamente instalado e em local apropriado. O software de sistema supervisório adotado foi o Indusoft Studio, o desenvolvimento de suas telas também é definida pela BRASIMET e WEG Motores. O aplicativo do supervisório fica instalado em um microcomputador industrial, também chamado de workstation.
Este computador faz parte da mesa de comando principal, demonstrada na figura
36, na qual também são comandados elementos não acionados pelo CLP como: ventiladores, bomba hidráulica, etc. FIGURA 36 – MESA DE COMANDO PRINCIPAL
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4.2 EQUIPAMENTO UTILIZADO NO PROJETO A seguir segue a relação de cartões que foram utilizados na configuração do projeto desenvolvido: a) 1 unidade central de processamento, tipo ZE-200A; b) 4 módulos de 32 entradas digitais, tipo E24V; c) 1 módulo de 16 entradas digitais, tipo E24V; d) 12 módulos de 8 saídas digitais, tipo AR/2A; e) 2 módulos de 8 entradas analógicas,tipo Eana; f) 1 módulo de 8 saídas analógicas, tipo A10ana; g) 1 rack básico, tipo GG3; h) 1 rack de expansão, tipo AG/S200. A figura 37 mostra o CLP instalado no painel elétrico. FIGURA 37 – INSTALAÇÃO DO CLP CL200 NO PAINEL ELÉTRICO
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4.3 ESPECIFICAÇÃO A especificação do sistema foi construída através de descritivos de funcionamento, fornecidos pela BRASIMET e pela própria WEG Motores. Tais descritivos foram representados através de fluxogramas convencionais, representados no ANEXO 1.
4.4 IMPLEMENTAÇÃO A implementação do projeto do forno de tratamento térmico foi dividido em duas etapas distintas: o software do CLP e o software do sistema supervisório. O software do CLP tem seu código fonte representado no ANEXO 2, código este resultante da especificação do sistema citada anteriormente. O software do sistema supervisório seguiu as especificações do fabricante da máquina e do cliente final, assim como já citado na introdução, e suas telas podem estão apresentadas no ANEXO 3.
4.4.1 IMPLEMENTAÇÃO DO SOFTWARE DO CLP A técnica de programação adotada foi a lista de instruções (instruction list ). Apesar do software de programação WINSPS disponibilizar todas as outras técnicas de programação padrão para a norma IEC 1131-3, como diagrama de contatos (ladder ) e bloco de funções, esta foi a escolhida pois depois de compreendida torna-se umas das técnicas mais rápidas para implementação de lógicas. É sabido que os métodos visuais, tais como o ladder , simplifica a visualização das lógicas, principalmente para leigos em lista de instruções, porém sob o ponto de vista do programador esta ainda se destaca por sua rapidez e capacidade de manter uma uniformidade no texto de código, visto que muitos comandos não podem ser representados graficamente em ladder .
Para exemplificar cada método de editoração, as figuras 38, 39 e 40 demonstram trechos de uma mesma lógica, podendo assim comparar cada uma das técnicas.
51 FIGURA 38 – EDITORAÇÃO DO PROGRAMA EM LADDER
FIGURA 39 – EDITORAÇÃO DO PROGRAMA EM BLOCO DE FUNÇÕES
FIGURA 40 – EDITORAÇÃO DO PROGRAMA EM LISTA DE INSTRUÇÕES
52 Observa-se que todos os nomes atribuídos a variáveis utilizadas no programa trazem informações do tipo da variável, seu endereço e mnemônico de função, isto também é uma recomendação da norma IEC 1131-3. Exemplo: IX86_ComportaC4_Aberta. Onde: “I” significa entrada, “X” do tipo digital, “86” endereço físico da entrada 8.6 e “ComportaC4_Aberta” seu mnemônico de significado.
4.4.1.1 O CONTROLE PID NO CLP CL200 O CL200 possui controladores PID pré-definidos, sendo que o programador deve informar valores e parâmetros que serão aplicados ao controle em questão. Na figura 41 é apresentado um módulo típico de PID utilizado pelo CL200. FIGURA 41 – MÓDULO DE CONTROLE PID PARA O CLP CL200
A seguir são descritos de forma técnica os parâmetros deste módulo (PID_WEG), com o objetivo de demonstrar as características do mesmo (para fim de compreensão, D significa um número em base decimal): a) P0=Número do Data Module (DM) a ser utilizado pelo módulo. Deve ser inserida a constante (decimal) correspondente ao DM. De forma sucinta é uma área de rascunho para os cálculos do módulo; b) P1=Valor da constante de ajuste Proporcional (P). O valor está definido como uma “Word ” (16 Bits) com o formato XXX,XX D. O campo de atuação varia de 000,00 D até 655,35 D;
53 c) P2/P3=Valor da constante do tempo de ação Derivativa (D) com o formato XXXXXXXX,XX D em segundos[s]. O tempo fica configurável de 10ms até 5965h, 13min., 56,47s, onde não são aceitos valores negativos. P2 corresponde a “Word ” mais significativa, e P3 corresponde a “Word ” menos significativa. Este valor de tempo deverá ser maior ou igual a base de tempo do P15; d) P4/P5=Valor da constante de tempo de ação Integral (I) com o formato XXXXXXXX,XX D em segundos[s]. O tempo fica configurável de 10ms até 5965h, 13min., 56,47s, onde não são aceitos valores negativos. P4 corresponde a “Word ” mais significativa, e P5 corresponde a “Word ” menos significativa; e) P6/P7=Posições da variável SP (Set Process). P6 corresponde a “Word ” mais significativa, e P7 corresponde a “Word ” menos significativa. O campo de trabalho varia de –2147483648 até 2147483648; f) P8/P9=Posição da variável PV (Process Value). P8 corresponde a “Word ” mais significativa e P9 corresponde a “Word ” menos significativa. O campo de trabalho varia de –2147483648 até 2147483648; g) P10=Bit utilizado para a atualização dos parâmetros de ajuste. Este sinal deve permanecer em “1”, e deverá ser zerado para atualizar os cálculos, caso altere algum parâmetro de ajuste; h) P11=Bit utilizado para resetar o módulo e a variável MV. Este sinal deve permanecer em “0” executar o controle; i) P12=Bit utilizado para habilitar o módulo. Este deverá zerar a variável MV, caso permaneça em “0”; j) P13=Posição da variável (Word) MV ( Manipulated Value ). Esta variável compreende a faixa de 0-4095 (módulo A10ana, resolução 12 Bits), onde poderá ser convertido por uma rotina externa à qualquer outra faixa; k) P14=Posição da variável (Word) de armazenamento do código de erro do módulo; l) P15=Bit para varredura do modulo. Este bit deve ser o mesmo que é utilizado na chamada do módulo PID_WEG; m)P16=Tempo (>=10ms) para varredura do módulo. Este deve ter o mesmo valor de base de tempo (xx ms) definido para o “Timer Interrupt ” (OM18 ou OM19) no OM2 (DW9 ou DW10);
54 n) P17=Constante para a seleção do limite mínimo da faixa de saída. Para valor “0” => 0Vcc , e valor “1” => -10Vcc. O valor do parâmetro P13, que é a variável manipulada (MV), é transferido para o cartão de saída analógica. Este cartão, através de um sinal de tensão (0 a 10Vcc) serve como sinal de disparo para tiristores de potência que alimentam as resistências no interior do forno com uma tensão de 380Vca, realizando assim o controle da temperatura. O conjunto de tiristores da zona 1 de aquecimento pode ser visto na figura 42. FIGURA 42 – MÓDULO DE TIRISTORES DE POTÊNCIA
É importante lembrar que os parâmetros de configuração estabelecidos através do supervisório, sendo que os valores não relacionados aos operadores da máquina somente são acessados via senha de segurança. Uma janela típica de configuração dos parâmetros pode ser vista na figura 43.
55 FIGURA 43 – JANELA DE CONFIGURAÇÃO DOS CONTROLADORES PID NO SUPERVISÓRIO
O campo no qual o operador pode mudar o valor de setpoint e acompanhar outras informações tais como a temperatura real é demonstrada na figura 44. FIGURA 44 – JANELA DE CONFIGURAÇÃO DE SETPOINT NO SUPERVISÓRIO
56 No forno de tratamento de chapas é realizado o controle PID nas seguintes áreas: a) zona de aquecimento 1, é a primeira etapa da descarbonetação, sua temperatura é normalmente ajustada para 760ºC; b) zona de aquecimento 2, é a segunda etapa da descarbonetação, também ajustada em 760ºC; c) zona de manutenção, intermediária para a próxima etapa, também ajustada em 760ºC; d) zona de azulamento, local onde as chapas ganham o aspecto azulado, sua temperatura de trabalho é 540ºC; e) gerador de vapor, tanque de água utilizado para inserir vapor no interior do forno impedindo o ressecamento das chapas, sua temperatura é ajustada em 120ºC. As curvas obtidas em cada ponto de medição de temperatura podem ser vistas no ANEXO 3 – TELAS DO SUPERVISÓRIO.
4.4.1.2 INTERTRAVAMENTOS AUTOMÁTICO
DO
SISTEMA
MANUAL
E
O sistema deve ter a possibilidade de funcionar de formas distintas, em modo manual e em modo automático. A especificação apresentada na modelagem do sistema no ANEXO 1, trata dos intertravamentos em modo automático, que é a operação normal do forno. A lógica do programa é dividida de tal forma que estas formas de operação se aplicam a áreas distintas do forno. Isso significa que o carregamento, o interior do forno e o descarregamento podem assumir de forma distinta os modos manual ou automático. Esta seleção é realizada na mesa de operação e o estado de cada um também é apresentado em todas as telas do supervisório, conforme figura 45. FIGURA 45 – MODOS DE OPERAÇÃO DO FORNO
Quando uma determinada área assume o modo manual, é nas telas de sinótico que são emitidos os diversos comandos possíveis, normalmente de válvulas e motores hidráulicos. A
57 figura 46 mostra o acionamento do motor hidráulico MH4, responsável pelos movimentos do carro transversal de entrada, na área de carregamento. FIGURA 46 – ACIONAMENTO MANUAL VIA SUPERVISÓRIO
As saídas digitais são responsáveis pelos acionamentos automáticos e manuais. Quando uma saída assume o estado “ligada”, uma tensão de 24Vcc é chaveada acionando um contator auxiliar de potência. Este contator por sua vez alimenta as válvulas ou cilindros hidráulicos, realizando assim o movimento mecânico. Muitos acionamentos, tanto manuais como automáticos, tem sua limitação física determinada por chaves fim de curso, fotocélulas ou sensores de eletromagnéticos. Eles são importantes para a elaboração e funcionamento correto dos intertravamentos. Um exemplo é representado na figura 47, que mostra o sistema de um comporta, com as chaves fim de curso que indicam se a mesma está aberta ou fechada.
58 FIGURA 47 – SISTEMA DE UMA COMPORTA INTERNA DO FORNO
4.4.1.3 SEGURANÇA DO SISTEMA Um item muito importante no desenvolvimento de qualquer sistema de automação industrial diz respeito a segurança que ele deve possuir. Isto não foi exceção na execução deste projeto. O programa desenvolvido no CLP procura utilizar a “lógica positiva” para os intertravamentos de segurança. Um bom exemplo disso é o tratamento do sinal vindo do botão de emergência principal da mesa de operação. Em condições normais, ou seja botão não pressionado, a respectiva entrada digital do CLP esta em estado lógico “1”. Para visualizar esta necessidade basta considerar o fato de que se o fio deste sinal se romper e o operador apertão o botão de emergência, nada aconteceria.
59 Todas as mensagens de alarme emitidas pelo supervisório também são muito importantes para a segurança do forno. Elas informam, por exemplo, sobretemperaturas, defeito em ventiladores, inversão no sentido de rotação do inversor, entre outros. Lógicas de segurança podem ser observadas no módulo “seguro” no programa do CLP, relatado no ANEXO 2 – CÓDIGO FONTE. Além do controle realizado pelo CLP e supervisório, existem ainda dispositivos de segurança no painel elétrico, tais como controladores externos de temperatura, fusíveis e alarme audiovisual.
4.4.2 IMPLEMENTAÇÃO DO SISTEMA SUPERVISÓRIO O software do sistema supervisório adotado, como já comentado em capítulos anteriores, foi o Indusoft Studio. O supervisório do forno de tratamento tem como objetivo principal informar os operadores a posição atual das cargas e todas as temperaturas. Pórem ele exerce muitas outras funções,tais como: a) executar comandos em modo de operação manual, como ligar motores e válvulas hidráulicas, permitindo qualquer movimento do modo individualizado; b) registrar os alarmes do sistema, informando aos operadores e ao pessoal de manutenção possíveis causas de anomalias; c) registrar graficamente todas as temperaturas do forno; d) alteração de todos os setpoints dos controladores PID conforme a necessidade; e) alteração e acompanhamento do tempo de descarga, que é o tempo em que a carga permanece na câmara de saída antes de sair.
4.4.2.1 TELAS DE SINÓTICO As telas de sinóticos são a representação gráfica do forno de tratamento. Elas têm a função de através de uma simples visualização informar a posição das cargas dentro do forno. Para obter estas informações o CLP recebe sinais de fotocélulas ao longo de todo o forno, sinais estes que são transmitidos ao supervisório, podendo assim representa-las conforme seu estado. As chaves fins de curso também informam muitas posições de relevância, como comportas, carro de carregamento e descarregamento. Todas as telas de sinótico podem ser
60 observadas no ANEXO 3 – TELAS DO SUPERVISÓRIO, a seguir são relatadas as funções de cada tela no sistema: a) carregamento: visão geral da área de carregamento, apresenta as mesas de espera, carga e descarga, o carro transversal de entrada e a câmara de entrada do forno; b) descarregamento: visão geral da área de descarregamento, mostra as mesas de saída e de resfriamento final, o carro transversal de saída e a câmara de saída; c) câmara de entrada: apresenta as comportas C1 e C3, a câmara de entrada e o início da zona 1 de aquecimento; d) aquecimento / descarbonetação: mostra o gerador de vapor, o inversor de freqüência e as temperaturas da zona 1, zona 2 e zona de manutenção e o controlador do ponto de orvalho da zona de manutenção; e) resfriamento lento: apresenta a comporta C4, a zona de resfriamento lento; f) azulamento / resfriamento rápido: contêm informações da comporta C4 e C5, a temperatura da zona de azulamento e o controlador do ponto de orvalho da zona de azulamento; g) câmara de saída: informa o tempo de permanência da carga na câmara de saída, as comportas C5 e C6 e a mesa de saída. Os controladores do ponto de orvalho da zona de manutenção e de azulamento, são aparelhos externos ao CLP, cabendo apenas ao supervisório mostrar sua temperatura atual e alarme de desvio. Estes controladores são responsáveis pela dosagem de nitrogênio no interior do forno, para fins de tratamento adequado das chapas.
4.4.2.2 ALARMES ONLINE E HISTÓRICOS Uma das importantes funções do supervisório é a geração de alarmes nas telas de sinótico do sistema, para uma constante informação do estado atual do processo, também para garantir maior segurança de operação. Pode-se observar que todas as telas possuem uma linha que informa o último alarme ocorrido, conforme figura 48: FIGURA 48 – BARRA DE ALARMES NAS TELAS DE SINÓTICO
Porém, existem duas telas exclusivas para o acompanhamento dos alarmes: os alarmes online,
que estão ocorrendo no exato momento, e os alarmes históricos, que ocorreram em
61 dias passados e ficam gravados em arquivos no disco rígido do computador. É importante lembrar que os alarmes históricos podem ser filtrados até um dia específico do ano, conforme mostra figura 49. FIGURA 49 – BARRA DE ALARMES NAS TELAS DE SINÓTICO
Também foi estabelecido um padrão de cores que informam o estado do alarme: a) vermelho: alarme ativo e não reconhecido; b) preto: alarme ativo e reconhecido; c) azul: alarme normalizado e não reconhecido. A seguir, na tabela 03, são representados os possíveis alarmes gerados pelo supervisório: TABELA 03 – ALARMES GERADOS NO SUPERVISÓRIO
Mensagem de alarme Alarme principal acionado Excesso de temperatura Zona 1 Excesso de temperatura Zona 2 Excesso de temperatura Zona Manutenção Excesso de temperatura Zona Azulamento Excesso de temperatura Resfriamento Lento na Saída Excesso de temperatura Gerador de Vapor Superaquecimento dos tiristores Zona 1 Superaquecimento dos tiristores Zona 2 Superaquecimento dos tiristores Zona Manutenção Superaquecimento dos tiristores Zona Azulamento Defeito no Recirculador 1 Defeito no Recirculador 2 Defeito na Bomba Hidráulica 1
62 TABELA 03 - CONTINUAÇÃO
Mensagem de alarme Defeito no Ventilador Resfriamento Lento Defeito no Ventilador Resfriamento Rápido Superaquecimento dos tiristores Gerador de Vapor Defeito no Exaustor 1 Defeito no Exaustor 2 Defeito no Exaustor 3 Defeito no Exaustor Gás de Proteção Porta de Entrada Defeito no Exaustor Gás de Proteção Porta de Saída Interrompe Ciclo Acionado Inversão do sentido de rotação Porta de entrada C1 aberta e fechada - transp MH5 bloqueado Comporta C3 aberta e fechada - transp MH5 bloqueado Comporta C4 aberta e fechada - transp MH6 e MH7 bloqueados Comporta C5 aberta e fechada - transp MH6 e MH7 bloqueados Porta de saída C6 aberta e fechada - transp MH8 bloqueado Carro de entrada recuado e avançado - carregamento bloqueado Carro de saída recuado e avançado - descarregamento bloqueado Carro 1 de descarga recuado e avançado - carregamento bloqueado Carro 2 de descarga recuado e avançado - carregamento bloqueado Porta de entrada C1 não descomprimiu depois de 30s de acionamento Porta de entrada C1 não comprimiu depois de 30s de acionamento Porta de entrada C1 não abriu depois de 30s de acionamento Porta de entrada C1 não fechou depois de 30s de acionamento Comporta C3 não abriu depois de 30s de acionamento Comporta C3 não fechou depois de 30s de acionamento Comporta C4 não abriu depois de 30s de acionamento Comporta C4 não fechou depois de 30s de acionamento Comporta C5 não abriu depois de 30s de acionamento Comporta C5 não fechou depois de 30s de acionamento
63 TABELA 03 - CONTINUAÇÃO
Mensagem de alarme Porta de saída C6 não descomprimiu depois de 30s de acionamento Porta de saída C6 não comprimiu depois de 30s de acionamento Porta de saída C6 não abriu depois de 30s de acionamento Porta de saída C6 não fechou depois de 30s de acionamento Carro de entrada não avançou depois de 2min de acionamento Carro de entrada não recuou depois de 2min de acionamento Carro de saída não avançou depois de 2min de acionamento Carro de saída não recuou depois de 2min de acionamento Carro 1 de descarregamento não avançou depois de 2min de acionamento Carro 1 de descarregamento não recuou depois de 2min de acionamento Carro 2 de descarregamento não avançou depois de 2min de acionamento Carro 2 de descarregamento não avançou depois de 2min de acionamento
4.4.2.3 GRÁFICOS ONLINE E HISTÓRICOS As temperaturas medidas em campo são medidas através de sensores térmicos do tipo PT100, os mesmos variam sua resistência elétrica conforme a temperatura. O valor desta resistência é lida por transdutores de sinal, que por sua vez geram um sinal de tensão na faixa de 0 a 10Vcc, injetados nos cartões de entrada analógica do CLP. Além de o CLP realizar os controles PID com estas informações, o supervisório registra todas as temperaturas de medição para seu o acompanhamento. Assim como os alarmes, são gerados gráficos online, que ocorrem no momento, e gráficos históricos, para consulta de datas anteriores. Os gráficos podem ser visualizados com uma série de opções como escala de tempo horizontal, grids (linhas horizontais e verticais), avanço e retorno, etc. A figura 50 mostra a janela de configuração dos gráficos históricos. FIGURA 50 – BARRA DE ALARMES NAS TELAS DE SINÓTICO
64 Existe também a opção de visualizar somente as penas (uma pena corresponde a uma temperatura) desejadas, deixando mais clara e legível a sua análise. A seguir são apresentadas as temperaturas lidas pelo CLP e registradas pelos gráficos no supervisório: a) zona de aquecimento 1; b) zona de aquecimento 2; c) zona de manutenção; d) zona de azulamento; e) resfriamento lento (entrada); f) resfriamento lento (saída); g) resfriamento rápido; h) gerador de vapor; i) ponto de orvalho da zona de manutenção; j) ponto de orvalho da zona de azulamento. A figura 51 mostra uma tela do supervisório onde são apresentadas as temperaturas do forno de forma gráfica. FIGURA 51 – TELA DE GRÁFICO DAS TEMPERATURAS
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4.4.2.4 COMUNICAÇÃO SUPERVISÓRIO/CLP O software supervisório Indusoft Studio já possui em sua biblioteca um driver de comunicação específico para a comunicação com o CLP CL200 da Bosch. O nome do driver é BUEP, e segue a padronização de comunicação serial RS232C. Fica como trabalho do programador definir todas as tabelas e links entre as variáveis do CLP e as variáveis (tags) do supervisório, assim como a associação destas variáveis com as animações nas telas e amostragem de valores. Também são definidos outros parâmetros como velocidade de transmissão de dados (normalmente configurada em 38400 bps), porta serial a ser utilizada, freqüência ou taxa de leitura ou escrita da tabela, variáveis para depuração, conforme figura 52. FIGURA 52 – TABELA DE CONFIGURAÇÃO DA COMUNICAÇÃO ENTRE SUPERVISÓRIO E CLP
Um fator importante para a configuração das tabelas de comunicação é a definição do cabeçalho, o qual contêm informações sobre o tipo da variável a ser lida e/ou escrita. O exemplo da figura 53 mostra uma tabela de leitura de words de 16 bits, referenciadas no CLP como Data Fields .
66 FIGURA 53 – TABELA DE CONFIGURAÇÃO DAS VARIÁVEIS DE COMUNICAÇÃO ENTRE SUPERVISÓRIO E CLP
Com todas estas possibilidades de configurações, é possível desenvolver um projeto com um bom grau de depuração, evitando assim erros de programação. Dessa forma a comunicação entre supervisório e CLP consegue obter um melhor desempenho de velocidade e confiabilidade dos valores enviados e recebidos.
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4.5 RESULTADOS Após o estudo dos controladores lógicos programáveis e sistemas supervisórios com suas respectivas programações e a implementação do projeto em chão de fábrica, o resultado final obtido foi satisfatório. O controle de temperatura, realizada através da técnica de PID, obteve um resultado muito bom, sendo que em regime de operação normal existe uma variação de temperatura de apenas 2ºC. Dessa forma as chapas são tratadas de forma adequada e dentro da qualidade exigida pela empresa. Os sistemas de intertravamento automático também foram satisfatórios, eles suportam o ritmo de produção necessário e também garantem uma boa segurança contra acidentes. Também é importante lembrar a flexibilidade que o sistema obtém com a possibilidade de movimentos em modo manual, permitido assim retirar cargas que eventualmente tranquem fisicamente dentro do forno. O supervisório desenvolvido para o projeto tem papel muito importante para o funcionamento do mesmo. As telas de sinótico permitem um perfeito acompanhamento do estado do forno, tanto as temperaturas como a posição das cargas ao longo de todo o forno. Os alarmes gerados no supervisório também ajudam muito na solução de problemas e facilitam o serviço de manutenção. A verificação destas afirmações se da ao fato do forno de tratamento já estar em funcionamento cerca de dois meses após a implementação dos softwares em chão de fábrica. Vale também ressaltar que o ritmo de produção já é normal, com a circulação de aproximadamente 80 pallets por dia.
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5 CONCLUSÃO A elaboração deste projeto pôde demonstrar a importância e a eficácia da automação industrial. Em sistemas antigos, ainda existentes na própria empresa, os painéis elétricos são constituídos de antigos relés e temporizadores externos, os quais exigem muita manutenção. Outro fator relevante é o considerável decréscimo de esforço humano, já que quase todos os movimentos das cargas são realizados automaticamente. Cabe aos operadores apenas carregar e descarregar os pallets com as chapas. Todos os objetivos determinados para este trabalho foram realizados com êxito, alguns com um grau de dificuldade maior, outros menor. A sintonia dos controladores PID teve algumas semanas de acompanhamento até sua estabilização aceitável. Outro item que sofreu algumas mudanças e aperfeiçoamentos durante a aplicação do software em campo foram as lógicas de intertravamento. Depois de encerrado o serviço em chão de fábrica o sistema vem apresentando raros problemas, geralmente em dispositivos elétricos ou mecânicos, porém de fácil solução, manutenção realizada pelos próprios operadores do forno. São defeitos típicos como fotocélulas sujas, chaves de fim-de-curso defeituosas, posicionamentos mecânicos incorretos, entre outros.
5.1 CONSIDERAÇÕES FINAIS A realização deste estágio supervisionado contribuiu de forma significativa para o aprimoramento dos conhecimentos na área computacional, no campo da informática industrial. Uma das principais experiências adquiridas com este trabalho é a percepção da diferença entre programar um software em uma mesa de escritório e de implantá-lo na máquina propriamente dita. As dificuldades realmente aparecem nesta situação, onde nem sempre as teorias podem ser aplicadas isoladamente, e a experiência em campo conta muito. Apesar do projeto ao todo ser bastante “automatizado” ele não está livre de problemas. O hardware do CLP dificilmente apresenta defeitos, porém podem ocorrer defeitos em elementos elétricos de campo, válvulas hidráulicas ou dispositivos mecânicos.
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5.2 TRABALHOS FUTUROS O sistema do controle do forno de tratamento pode ser aprimorado com algumas implementações como: a) emissão de relatórios, contendo informações como ritmo de produção e controle de turnos de trabalho; b) velocidade do inversor de freqüência controlada automaticamente. O operador entra com um determinado valor de produção no supervisório e o CLP, através de uma saída analógica, aumenta ou diminui a velocidade do inversor; c) Conexão da workstation do supervisório com a intranet da empresa. Dessa forma, por exemplo, a metrologia poderia obter todos os valores de temperatura em seus computadores e o escritório de administração acompanhar o ritmo de produção diário e mensal.
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6 ANEXO 1 – MODELAGEM DO SISTEMA A modelagem do sistema foi obtida através de informações da empresa BRASIMET e da WEG Motores, informando os intertravamentos necessários para o funcionamento. Seus testes práticos foram realizados em chão de fábrica e aprovados ao fim do startup (implementação do sistema no local da máquina). Os fluxogramas aqui apresentados buscam demonstrar de uma forma simples o princípio de funcionamento do forno de tratamento. Eles não demonstram de exatamente todo o programa implementado no CLP, visto que isso dificultaria a compreensão da lógica em si. A modelagem do sistema foi dividida da seguinte forma: a) sistema da mesa de carregamento: responsável pelo transporte das cargas após o carregamento dos pallets pelos operadores, deixando-as prontas para o carregamento; b) sistema de carregamento: lógica que faz com que as cargas entrem no forno; c) sistema de controle da comporta C3: passagem de cargas entre a câmara de entrada e a câmara de aquecimento; d) sistema de controle da comporta C4: passagem de cargas entre o resfriamento lento e o resfriamento rápido; e) sistema de controle da comporta C5: passagem de cargas entre o resfriamento rápido e a câmara de saída; f) sistema de descarregamento: lógica que faz com que as cargas saiam do forno; g) sistema da mesa de espera: responsável pelo posicionamento das cargas na mesa de espera, onde são retiradas as chapas já tratadas; h) controle do inversor de freqüência: esta lógica impede que as cargas se amontoem dentro do forno, retornando e avançando as mesmas conforme necessário.
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6.1 SISTEMA DA MESA DE CARREGAMENTO
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6.2 SISTEMA DE CARREGAMENTO
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6.3 CONTROLE DA COMPORTA C3
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6.4 CONTROLE DA COMPORTA C4
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6.5 CONTROLE DA COMPORTA C5
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6.6 SISTEMA DE DESCARREGAMENTO
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6.7 SISTEMA DA MESA DE ESPERA
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6.8 CONTROLE DO INVERSOR DE FREQÜÊNCIA
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6.9 CONTROLE DO SERVOMOTOR DO RESFRIAMENTO LENTO
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7 ANEXO 2 – CÓDIGO FONTE O código fonte anexo a seguir diz respeito ao programa elaborado para o CLP que comanda o forno de tratamento. Seu formato está no padrão de impressão do software WINSPS. É importante ressaltar que apenas foram relatados os módulos mais importantes, ou seja, nem todos estão presentes neste anexo. Ao fim do programa também existe uma lista de símbolos, que é uma espécie de declaração de todas as variáveis do programa, chamada especificamente de “simbol list ”.
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8 ANEXO 3 – TELAS DO SUPERVISÓRIO Estas são as telas visualizadas no computador da mesa principal de operação. Elas seguem uma ordem lógica, ou seja, uma seqüência da disposição física das áreas do forno.
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