Automação Industrial II

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari

Curso: Eletroeletrônica Docente: Discente:

Módulo: II Turno:

Carga Horária: 90h Turma:


Automação Industrial II

Material Instrucional especialmente elaborado pelo Prof. Luiz Carlos para uso exclusivo do CETEB-CA.

Camaçari/BA Janeiro de 2006


SUMÁRIO 1. Introdução 2. Redes Industriais 2.1 Sistemas abertos ou proprietários 2.2 Topologia de redes 2.3 Modelos de redes 2.4 Níveis de aplicação 3. Protocolos de Comunicação 3.1 Profibus 3.2 Foudation FieldBus 3.3 Hart 3.4 ControlNet 3.5 DeviceNet 3.6 EtherNet/IP 3.7 ModBus 4. PLC (Controlador Lógico Programável) 4.1 Surgimentos do PLC’s 4.2 Tecnologia dos PLC’s 4.3 Arquitetura básica dos PLC’s 4.4 Estrutura interna dos PLC’s 4.5 Auto – avaliação de defeitos dos PLC’s 4.6 Programação dos PLC’s 4.7 Seqüência de programação dos PLC’s 4.8 Sistema de controles com PLC’s 4.9 Sistemas provisórios utilizando PLC’s 5. SPC (Sistema Provisório de Controle) 6. SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído) Apêndice I – Controle de Processos Apêndice II – Processos Industriais Apêndice III – Ações de Controle Apêndice IV – Tipos de Controle Automático Exercícios Bibliografia

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APRESENTAÇÃO Apresenta-se aqui, os assuntos a serem abordados na disciplina “AUTOMAÇÃO II” do curso técnico em Eletroeletrônica do Centro de Educação Tecnológica do estado da Bahia – Unidade de Camaçari. A disciplina vai permitir integrar uma série de conhecimentos na área de automação e controle industrial, aplicados na transferência e controle de dados em redes industriais. O programa da disciplina inclui os conceitos fundamentais sobre Protocolos de Comunicação, PLC’s (Controladores Lógicos Programáveis), Ações de Controle e Redes Industriais que possuem características específicas para os requisitos da transmissão e controle de dados em ambientes industriais. Parte-se da fundamentação da aplicação de redes e da sua integração na arquitetura de organização da indústria, aplicada á automação. A prática laboratorial ocupa um espaço importante na disciplina. Contempla o desenvolvimento de sistemas baseados em PLC’s que irão ser aplicados como nós de sistemas distribuídos interligados por barramentos de campo. Este trabalho não pretende esgotar o tema, mas sim indicar os caminhos a serem trilhados no desenvolvimento da capacitação para desempenhar atividades relacionadas á automação industrial. As motivações subjacentes à organização e proposta desta disciplina resultam essencialmente em alguns fatores, cuja ordem é irrelevante:  

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As potencialidades do mercado de trabalho para os futuros técnicos. O elevado crescimento atual, existente na investigação e desenvolvimento na área da disciplina e em áreas correlatas. A competitividade, devido á globalização, o que levam as indústrias e se modernizarem, aumentando sua produtividade, através da automação de seus processos. Segurança, atendimento as normas ambientais, bem como a qualidade final dos produtos.

No que se refere ao primeiro item destes fatores é de salientar que o mercado de emprego preferencial tem situado ao nível da Indústria como:     

Indústria de Processos de 1ª, 2ª e 3ª geração. Ex.: Braskem, Deten Química, Oxiteno, Bombril, etc. Indústria de Transformação Manufatureira. Ex.: Alcoa, Britânia, etc. Indústria Automobilística e correlata. Ex.: Ford, Fiat, Pirelli, Continental Pneus, etc. Indústria Pesada, em particular as Siderúrgicas. Aço Minas, Samarco, etc. Indústria de Mineração. Ex.: CVRD, etc.

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1. INTRODUÇÃO Desde o surgimento das indústrias, a necessidade do controle das máquinas e dos equipamentos necessários para a produção aumentou bruscamente. Este controle sofreu várias mudanças com o passar dos anos, em função da necessidade de maximizar produção, diminuir custos e também aumentar a segurança operacional dos equipamentos e pessoas envolvidas no processo. Cronologicamente, temos a princípio o controle totalmente mecânico, depois o pneumático, e em seguida o controle elétrico, com o surgimento dos motores elétricos e de seus dispositivos de controle. No final da década de 50, a instrumentação para controle regulatório ainda era predominantemente pneumática. No final da década de 60, Dick Morley e Michel Greenberg inventaram o primeiro controlador programável. Usando tecnologia da época, construíram, a pedido de uma montadora de automóveis, um testador de continuidades nos cabos usados nos carros, que posteriormente seria desenvolvido até chegar ao conhecido Program Logic Controller (PLC), que é um microcomputador com o propósito específico de controle de processos, que até hoje é aplicado com sucesso na maioria das aplicações de controle industrial. Os PLC’s inicialmente foram desenvolvidos, para o controle de sistemas com entradas e saídas binárias (de dois estados apenas: ligado - desligado, alto - baixo, etc.); porém, hoje tem adquirido muitas outras funções com alta confiabilidade, como é o caso de tratamento de sinais analógicos, controle modulado multivariáveis, controle de posição de alta precisão, etc. Os PLC's nasceram para substituir os relés na implementação de intertravamentos e controle seqüencial se especializando no tratamento de variáveis digitais. Já no início da década de 70, surgiu a necessidade de controladores robustos mais precisos e dedicados, pois o avanço da eletrônica dos dispositivos (instrumentos) possibilitou obter um melhor controle regulatório. Nesse estágio da automação, na metade da década de 70, surgiu o primeiro Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD). Com o avanço da eletrônica, as válvulas de controle passaram a possuir posicionadores inteligentes. No início dos anos 80, por exemplo, apareceram os transmissores de pressão que podiam fornecer também a temperatura da linha, graças à diminuição cada vez mais da eletrônica. Passou a existir um microprocessador dentro de um pequeno instrumento de medição. O SDCD , dedicado ao controle analógico, conta com mais microprocessadores para executar funções especiais de controle como: Proporcional-Integral-Derivativo (PID) , Feedforward , Lógica Fuzzy , etc. No início da década de 90, temos o surgimento dos protocolos digitais de campo. Impulsionados pela expansão da informática com a explosão da internet , formaram-se grupos de pesquisa para desenvolver sistemas de controle industriais que, associados aos já existentes PLC’s , pudessem otimizar o sistema e o rendimento do controle industrial. Nesta época, também houve o início do desenvolvimento do protocolo Foundation Fieldbus (FF) . A partir daí, os principais fabricantes de PLC’s criaram seus protocolos de comunicação, baseado em sua maioria no meio físico do sinal elétrico RS-485 , devido ao seu longo alcance e altas taxas de transferência de dados. Com o surgimento das redes de comunicação, surge também a possibilidade de tornar os periféricos remotos, ou seja, pôde-se distribuir o controle através de uma interface local, próximo do ponto de coleta dos dados, coletarem uma quantidade maior de dados e transmiti-la pela rede através de um par de fios, ao invés de levá-los todos ao painel de controle.

Figura 1 – Evolução da Automação Industrial.

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2. REDES INDUSTRIAIS A tecnologia da informação tem sido determinante no desenvolvimento da tecnologia da automação, alterou hierarquias e estruturas no ambiente dos escritórios e chega agora ao ambiente industrial nos seus mais diversos setores, desde as indústrias de processo e manufatura até prédios e sistemas logísticos. A capacidade de comunicação entre dispositivos e o uso de mecanismos padronizados, abertos e transparentes são componentes indispensáveis do conceito de automação de hoje. A comunicação vem se expandindo rapidamente no sentido horizontal nos níveis inferiores ( field level ), assim como no sentido vertical integrando todos os níveis hierárquicos. De acordo com as características da aplicação e do custo máximo a ser atingido, uma combinação gradual de diferentes sistemas de comunicação, tais como Ethernet, PROFIBUS e ASInterface, oferece as condições ideais de redes abertas em processos industriais. No nível de atuadores/sensores o AS-Interface é o sistema de comunicação de dados ideal, pois os sinais binários de dados são transmitidos via um barramento extremamente simples e de baixo custo, juntamente com a energia (24 Vdc) necessários para alimentar estes mesmos sensores e atuadores. Outra característica importante é que os dados são transmitidos ciclicamente, de uma maneira extremamente eficiente e rápida. No nível de campo, a periferia distribuída, tais como módulos de E/S, transdutores, acionamentos ( drives), válvulas e painéis de operação, comunicam-se com sistemas de automação via um eficiente sistema de comunicação em tempo real, o PROFIBUS DP ou PA. A transmissão de dados do processo é efetuada ciclicamente, enquanto alarmes, parâmetros e diagnósticos são transmitidos aciclicamente, somente quando necessário. No nível de célula, os controladores programáveis, tais como CLP’s e PC’s comunicam-se uns com os outros, o que requer grandes pacotes de dados e um grande número de funções poderosas de comunicação. Além disto, uma integração eficiente aos sistemas de comunicação corporativos existentes, tais como: Intranet, Internet e Ethernet é um requisito absolutamente mandatório, o que o PROFIBUS FMS e o PROFINet podem suprir. Os sistemas de controle automático têm se apoiado cada vez mais em redes de comunicação industriais, seja pela crescente complexibilidade dos processos industriais, seja pela distribuição geográfica que se tem acentuado nas novas instalações industriais. Assim, praticamente todos os sistemas existentes incluem alguma forma de comunicação de dados, seja local, através de redes industriais, seja remota, implementados em sistemas SCADA - sistema para aquisição, supervisão e controle de processos. Embora essa disseminação de aplicação de comunicação seja recente, já á algum tempo têm sido desenvolvidos em diferentes topologias para a comunicação de dados em ambientes industriais, buscando sempre estruturas que garantam a segurança na transmissão dos dados, bem como a velocidade de comunicação. Um modelo bastante abrangente para os vários requisitos de comunicação no ambiente industrial são os 3 níveis abaixo relacionados: 





Nível de informação - caracterizado por grandes volumes de troca de dados com constantes de tempo da ordem de grandeza de segundos (tempo não crítico). Essencialmente de domínio da informática; Nível de automação e controle - caracterizado por volumes moderados de dados com constantes de tempo da ordem de grandeza de milisegundos. Orientado para integração entre unidades inteligentes, de natureza diversa. Aplicações de característica contínua, de baixa velocidade e alta segurança. Mensagens complexas, com razoável nível de informações de diferentes propósitos; Nível de dispositivos de campo - caracterizado por volumes menores de dados com constantes de tempo da ordem de grandeza de milisegundos (tempos de resposta muito curtos). Orientada a sensores e atuadores, tipicamente de natureza discreta. Ações executadas no nível dos dispositivos, sem necessidade de interação com níveis superiores.

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Figura 2 – Níveis de automação industrial.

Dificilmente uma única rede de comunicação local poderá atender todos os três níveis, havendo em geral, uma implementação de diferentes redes para atender cada característica específica. De forma geral, quando se está analisando o desempenho da rede é usual colocar-se como primeira questão, qual é a taxa de transmissão de bits, para depois inquirir sobre o protocolo usado, e finalmente, sobre o mecanismo de troca de dados. Entretanto, o impacto sobre o desempenho de uma rede nesse aspecto é exatamente oposto a essa consideração: o efeito maior sobre o desempenho é dado pelo modelo, seguido pelo protocolo e finalmente pela taxa de transmissão. Ou seja, não adianta comunicar a altas velocidades, com informações mal dispostas ou redundantes. As redes industriais podem ser classificadas em Sensorbus, Devicebus e Fieldbus . As redes Devicebus são redes intermediárias entre as redes Sensorbus e Fieldbus . Esta rede tem transferência rápida de dados, como em uma rede Sensorbus, mas consegue gerenciar mais equipamentos e dados além de cobrir distâncias maiores, graças ao seu meio físico. O protocolo Profibus–DP, por exemplo, é uma rede mestre-escravo ponto-a-ponto, cíclica para processos e acíclica para gerenciamento. A rede Fieldbus interliga os equipamentos de entrada/saída (I/O’s) mais inteligentes e pode cobrir grandes distâncias. O protocolo FF , que pertence a essa família, tem comunicação cíclica e bidirecional, ou seja, possui tempo pré-determinado para executar as funções e usa o sistema passagem de bastão para se comunicar. Os dispositivos ligados a essa rede podem desempenhar funções específicas de controle, inclusive, assumir o controle da rede, se configurados para isso.

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Figura 3 – Classificação das redes e seus respectivos protocolos.

A International Electrotechnical Commission (IEC ) é a entidade que normaliza os protocolos digitais existentes atualmente. Existem também protocolos que seguem a IEC , mas não são reconhecidos por ele, como o Device Net , ou o Profibus-PA. Os Protocolos Profibus-DP e o FF são padrões mundiais, com meio físico e software, normalizados e reconhecidos pela IEC .

2.1 Sistema Aberto ou Proprietário Com a popularização das redes digitais, surgiram novos termos técnicos na automação industrial, e um deles bastante discutido hoje em dia é a questão do sistema ou protocolo aberto. Uma empresa pode desenvolver seu software, neste caso seu protocolo de comunicação, e se desejar, pode torná-lo aberto, distribuindo seu código e possibilitando que outros fabricantes possam construir equipamentos ou instrumentos que possa se comunicar entre eles, ou melhor, compatíveis com a tecnologia. Houve uma época em que os SDCD’s na sua maioria eram sistemas proprietários, ou seja, se comprasse o SDCD (Invensys ) da Foxboro , inevitavelmente deveria adquirir os transmissores, as válvulas e toda a instrumentação ligada a esse SDCD da Foxboro , pois a rede era proprietária e eles só conversavam entre si. Com o maior desenvolvimento dos protocolos, e a abertura ao mercado de alguns dos mais importantes, como o Profibus da SIEMENS , essa tendência se modificou. Nota-se que essa idéia de tecnologia aberta ou protocolo aberto gera alguns termos inexistentes ou com pouca importância na automação até então, com esse novo tipo de tecnologia, onde todos têm que “conversar” na mesma língua, os equipamentos precisam ser compatíveis. Um outro termo muito usado atualmente é “interoperabilidade”. Um sistema tem essa característica quando pode receber instrumentos de vários fabricantes e se comunicar com eles, podendo utilizar todos os recursos disponíveis, dessa forma pode surgir a pergunta: 

Como um HOST (controlador de um sistema híbrido) pode ser capaz de identificar os instrumentos?

Ou ainda: 

Que capacidade de memória este controlador deve ter para armazenar tudo isso? 8

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Tudo isso, foi resolvido de forma simples, da mesma forma que ao instalarmos uma nova impressora em nosso computador pessoal, necessitamos de um CD-ROM ou disquete de instalação. Na automação contemporânea, temos os Device Description (DD ), ou Eletronic Data Sheet (EDS ), que são arquivos eletrônicos, disponíveis em sua maioria nos sites dos fabricantes de instrumentos ou no site da fundação reguladora do protocolo. Com esse pequeno arquivo, o HOST pode utilizar todos os recursos que o fabricante disponibilizou no instrumento, claro, que pode haver certa limitação, que o HOST de um determinado fabricante pode oferecer. Por exemplo: um eventual bloco não executa em determinado HOST . Entretanto, devido ao padrão criado e mantido pela entidade reguladora do protocolo aberto, toda a mudança realizada no dispositivo, este deve seguir a norma do protocolo para poder receber o certificado.

2.2 Topologias das Redes Existem várias topologias aplicadas ás redes de automação industrial. É possível também efetuar derivações nessas topologias, todavia é preciso ter bastante cuidado, pois ao usar um determinado meio físico, a velocidade de comunicação não será exatamente a mesma alcançada por outro protocolo que use o mesmo meio. As taxas e formas de transmissão são particulares de cada protocolo. A velocidade do sistema é inversamente proporcional à distância e à quantidade de dispositivos conectados a ela.

Figura 4 – Topologias aplicadas ás redes industriais

Rede em ESTRELA: Nó central: comutador ou switch. Não necessitam roteamento. Desempenho depende da velocidade do nó central. Problemas: confiabilidade, modularidade. Rede em ANEL: Uso de repetidores ligados ao meio físico. Usualmente transmissão unidirecional para simplificar o projeto dos repetidores quando uma mensagem é enviada por um nó, ela entra no anel e circula até ser retirada pelo nó de destino (ou pelo nó que enviou, dependendo do protocolo). 9


Figura 5 – Derivações aplicadas ás redes industriais

Note que além das diversas topologias e derivações possíveis de montagem, temos também, nas extremidades da rede principal, os terminadores (TR), que são basicamente resistores casadores de impedância, e que também ajudam à rede a não ser tão sensível a interferências, nem se tornar uma antena. Os terminadores, em sua maioria, são disponíveis nos dispositivos, em sua maioria, trata-se de dip switches que podem ser acionados quando se verificar que aquele dispositivo será o último da rede.

2.3 Modelos de Redes

Figura 6– Modelos de comunicação de redes.

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Figura 7 – Modelo origem/destino

Figura 8 – Modelo Produtor/Consumidor.

Figura 9 – Classificação das redes quanto ao modelo de comunicação.

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Figura 10 – Troca de dados Polling.

Figura 11 – Troca de dados Cíclicos.

Figura 12 – Troca de dados Mudança de Estado.

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2.4 Níveis de aplicação

Figura 13 – Comparação dos níveis de automação.

Figura 14 – Sugestão de protocolos para cada nível.

3. PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Protocolo de comunicação é basicamente um conjunto de regras e convenções que controla o formato e o significado dos quadros, pacotes ou mensagens trocadas pelas entidades pares em um diálogo entre as camadas. Existem no mercado vários tipos de protocolos de comunicação abertos ou proprietários que são aplicados ao controle de processos industriais. A sua escolha depende de cada tipo de aplicação.

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Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Os mais conhecidos são: 

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Profibus - PA e DP – usado em indústrias de processo e manufatura, em SDCD’s e PLC’s, em CCM’s inteligentes e em redes de segurança; FF - Foundation Fieldbus – usado em processos molhados em geral; HART – usado em indústrias químicas e petroquímicas, açúcar e álcool, papel e celulose; ControlNet – usado em comunicação entre PLC’s e sistemas de I/O’s; DeviceNet – usado para acionamentos de dispositivos; Interbus – usado em qualquer segmento da indústria; Ethernet – usado em processos e manufatura ao nível da planta; Modbus – usado em processo e manufatura ao nível de campo; Safetybus – usado em prensas, células robotizadas, aeroportos e máquinas em geral; LonWorks – usado em automação predial, residencial e transportes;

Rede GENIUS – usado no controle de I/O’s distribuídos e para controle crítico.

Um protocolo é definido através do sistema Open Systems Interconection (OSI) que é a referência de padronização para dispositivos de comunicação, ele define as características, regras e interface de transferências que necessitam serem usadas nos protocolos de comunicação. Este padrão é formado por camadas (layers) de configuração ou de parâmetros que irão definir o tipo de protocolo. Tabela 1 – Camadas do modelo OSI Emissor

Designação e função dos níveis

Receptor

7

7

Nível aplicativos

6

6

Nível apresentação

5

5

Nível manipulação

4

4

Nível transporte

3

3

Nível rede

2

2

Nível ligação

1

1

Nível Físico

Interface para programas aplicativos, aplicativos orientados, comandos (leitura, escrita) Representação (codificação) dos dados para análise e interpretação no próximo nível Estabilização e limpeza temporária das estações conectadas, processos de sincronismo da comunicação Controle dos dados transmitidos para o nível 5 (erros de transporte, perda de pacotes Estabilização e limpeza das estações conectadas, para evitar congestionamentos Descrição do protocolo de acesso ao barramento (MAC Medium Acces Control), inclusive segurança de dados Definição do meio físico, codificação e velocidade de transmissão de dados

Meio de transmissão

Descrevendo os Protocolos 3.1 PROFIBUS O PROFIBUS é um padrão aberto de rede de comunicação industrial, utilizado em um amplo espectro de aplicações em automação da manufatura, de processos e predial. Sua total independência de fabricantes e sua padronização são garantidas pelas normas EN50170 e EN50254 e IEC61158/61784. Com o PROFIBUS, dispositivos de diferentes fabricantes podem comunicar-se sem a necessidade de qualquer adaptação na interface.

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Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari O PROFIBUS pode ser usado tanto em aplicações com transmissão de dados em alta velocidade como em tarefas complexas e extensas de comunicação. Foi desenvolvido para troca rápida de dados de campo e da comunicação mestre-escravo. 





PROFIBUS - PA – (Application Profile). O uso do PROFIBUS-PA em dispositivos e aplicações típicas de automação e controle de processos é definido por perfil PA. O perfil pode ser obtido no documento número 3.042 da Associação PROFIBUS. Ele é baseado no perfil de comunicação DP e dependendo do campo de aplicação, os meios de comunicação: IEC 61158-2, RS-485 ou fibra ótica podem ser usadas. O perfil PA define os parâmetros dos dispositivos e o comportamento de dispositivos típicos, tais como: transmissores de variáveis, posicionadores, etc. independente do fabricante, facilitando assim, a intercambiabilidade do dispositivo e a total independência do fabricante. A descrição das funções e do comportamento dos dispositivos está baseada no modelo de Blocos Funcionais (Function Block Model). As definições e opções do perfil de aplicação PA, tornam o PROFIBUS um conveniente substituto para transmissão analógica com 4 a 20 mA ou HART. PROFIBUS - DP - (Decentralized Periphery). O DP é o perfil mais freqüentemente utilizado. Otimizado para alta velocidade e conexão de baixo custo, foi projetado especialmente para a comunicação entre sistemas de controle de automação e seus respectivos I/O’s distribuídos a nível de dispositivo. O PROFIBUS-DP pode ser usado para substituir a transmissão de sinal em 24 V em sistemas de automação de manufatura assim como para a transmissão de sinais de 4 a 20 mA ou HART em sistemas de automação de processo. O PROFIBUS-DP usa somente as camadas 1 e 2 do modelo OSI, bem como a interface do usuário. As camadas 3 a 7 não são utilizadas. Esta arquitetura simplificada assegura uma transmissão de dados eficiente e rápida. O Direct Data Link Mapper (DDLM) proporciona à interface do usuário acesso fácil à camada 2. As funções de aplicação disponíveis ao usuário, assim como o comportamento dos dispositivos e do sistemas dos vários tipos de dispositivos DP, são especificados na Interface do Usuário. PROFIBUS - FMS - (Fieldbus Message Specification). O FMS é o perfil de comunicação universal para tarefas de comunicação complexas. FMS oferece muitas funções sofisticadas de comunicação entre dispositivos inteligentes. No futuro, com o uso do TCP/IP no nível de célula, o FMS terá um papel menos significativo. No PROFIBUS-FMS as camadas 1, 2 e 7 são de especial importância. A camada de aplicação é compostado FMS (Fieldbus Message Specification) e do LLI (Lower Layer Interface). O FMS define uma ampla seleção de serviços de comunicação mestre-mestre ou mestre-escravo. O LLI define a representação destes serviços FMS no protocolo de transmissão de dados.

3.1.1.1 Perfil Físico (Physical Profile) A aplicação de um sistema de comunicação industrial é amplamente influenciada pela escolha do meio de transmissão disponível. Assim sendo, aos requisitos de uso genérico, tais como alta confiabilidade de transmissão, grandes distâncias a serem cobertas e alta velocidade de transmissão, somam-se as exigências específicas da área automação de processos tais como operação em área classificada, transmissão de dados e alimentação no mesmo meio físico, etc. Partindo-se do princípio de que não é possível atender a todos estes requisitos com um único meio de transmissão, existem atualmente três tipos físicos de comunicação disponíveis no PROFIBUS:   

RS-485 para uso universal, em especial em sistemas de automação da manufatura; IEC 61158-2 para aplicações em sistemas de automação em controle de processo; Fibra Ótica para aplicações em sistemas que demandam grande imunidade a interferências e grandes distâncias.

Atualmente, estão sendo feitos desenvolvimentos para uso de componentes comerciais de 10 e 100 Mbit/s como camada física para PROFIBUS. Links e acopladores são disponíveis para acoplamento entre os vários meios de transmissão. 15

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Enquanto o termo Acoplador (Couplers) aplica-se à dispositivos que implementam o protocolo somente no que se refere ao meio físico de transmissão, o termo Link se aplica aos dispositivos inteligentes que oferecem maiores opções na operação entre sub-redes. 3.1.1.1.1 Meio de Transmissão RS-485 O padrão RS 485 é a tecnologia de transmissão mais freqüentemente encontrada no PROFIBUS. Sua aplicação inclui todas as áreas nas quais uma alta taxa de transmissão aliada à uma instalação simples e barata são necessárias. Um par trançado de cobre blindado (shieldado) com um único par condutor é o suficiente neste caso. A tecnologia de transmissão RS 485 é muito fácil de manusear. O uso de par trançado não requer nenhum conhecimento ou habilidade especial. A topologia por sua vez permite a adição e remoção de estações, bem como uma colocação em funcionamento do tipo passo-a-passo, sem afetar outras estações. Expansões futuras, portanto, podem ser implementadas sem afetar as estações já em operação. Taxas de transmissão entre 9.6 kbit/sec e 12 Mbit/sec podem ser selecionadas, porém uma única taxa de transmissão é selecionada para todos dispositivos no barramento, quando o sistema é inicializado. A tabela abaixo, mostra as características do meio físico RS-485. Tabela 2 – Dimensionamento do meio RS-485.

Instruções de instalação para o RS-485 Todos os dispositivos são ligados à uma estrutura de tipo barramento linear. Até 32 estações (mestres ou escravos) podem ser conectados à um único segmento. O barramento é terminado por um terminador ativo do barramento no início e fim de cada segmento. Para assegurar uma operação livre de erros, ambas as terminações do barramento devem estar sempre ativas. Normalmente estes terminadores encontram-se nos próprios conectores de barramento ou nos dispositivos de campo, acessíveis através de uma dip-switch. No caso em que mais que 32 estações necessitem ser conectadas ou no caso que a distância total entre as estações ultrapasse um determinado limite, devem ser utilizados repetidores (repeaters) para se interconectar diferentes segmentos do barramento. O comprimento máximo do cabo depende da velocidade de transmissão. As especificações de comprimento de cabo são baseadas em cabo Tipo-A, com os seguintes parâmetros: Tabela 3 – Especificações do meio RS-485. Impedância 135 a 165 Ohms Cabo Tipo A RS-485

Capacitância

< 30 pF/m

Resistência

< 110 Ohms/km

Frequência

3-20 MHz

Diâmetro do Fio

> 0,64 mm

Área do condutor

> 0,34 mm² 16

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari 3.1.1.1.2 Meio de Transmissão IEC-61158-2 Transmissão síncrona em conformidade à norma IEC 61158-2, com uma taxa de transmissão definida em 21,25 Kbuts/s, veio atender aos requisitos das indústrias químicas e petroquímicas. Permite, além de segurança intrínseca, que os dispositivos de campo sejam energizados pelo próprio barramento. Assim, o PROFIBUS pode ser utilizado em áreas classificadas. As opções e limites do PROFIBUS com tecnologia de transmissão IEC61158-2 para uso em áreas potencialmente explosivas são definidos pelo modelo FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept). O modelo FISCO foi desenvolvido pelo instituto alemão PTB Physikalisch Technische Bundesanstalt (Instituto Tecnológico de Física) e é hoje internacionalmente reconhecida como o modelo básico para barramentos em áreas classificada. A transmissão é baseada nos seguintes princípios, e é freqüentemente referida como H1 (rede de baixa velocidade).      

Cada segmento possui somente uma fonte de energia, a fonte de alimentação; Alimentação não é fornecida ao bus enquanto uma estação está enviando; Os dispositivos de campo consomem uma corrente básica constante quando em estado de repouso; Os dispositivos de campo agem como consumidores passivos de corrente (sink); Uma terminação passiva de linha é necessária, em ambos os fins da linha principal do barramento; Topologia linear, árvore e estrela são permitidas.

No caso da modulação, supõe-se que uma corrente básica de pelo menos 10 mA consumida por cada dispositivo no barramento. Através da energização do barramento, esta corrente alimenta os dispositivos de campo. Os sinais de comunicação são então gerados pelo dispositivo que os envia, por modulação de + / - 9 mA, sobre a corrente básica. A tabela abaixo, mostra as características do meio físico IEC-61158-2. Tabela 4 – Dimensionamento do meio IEC-61158-2.

Instruções de instalação para o IEC-61158 Na sala de controle normalmente estão localizados o sistema de controle de processo, bem como dispositivos de monitoração e operação interconectados através do padrão RS485. No campo, acopladores (couplers) ou links adaptam os sinais do segmento RS485 aos sinais do segmento IEC 61158-2. Eles também fornecem a corrente para alimentação remota dos dispositivos de campo. A fonte de alimentação limita a corrente e tensão no segmento IEC 61158-2. 17

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Acopladores de segmento, os Couplers, são conversores de sinal que adaptam os sinais RS-485 ao nível do sinal IEC 61158-2. Do ponto de vista do protocolo os acopladores são transparentes. Se acopladores de segmento são utilizados, a velocidade do segmento RS-485 ficará limitada em no máximo 93,75 Kbit/s. Links, por sua vez, possuem sua própria inteligência intrínseca. Eles tornam todos os dispositivos conectados ao segmento IEC 61158-2 em um único dispositivo escravo no segmento RS-485. Neste caso não existe limitação de velocidade no segmento RS-485 o que significa que é possível implementar redes rápidas, por exemplo, para funções de controle, incluindo dispositivos de campo conectados em IEC 61158-2. 3.1.1.1.3 Meio de Transmissão com Fibra Ótica Fibra ótica pode ser utilizada pelo PROFIBUS para aplicações em ambientes com alta interferência eletromagnética ou mesmo com o objetivo de aumentar o comprimento máximo com taxas de transmissão elevadas. Vários tipos de fibra estão disponíveis, com diferentes características, tais como, distância máxima, preço e aplicação. Para uma rápida descrição, consulte abaixo. Os segmentos PROFIBUS que utilizam fibra normalmente são em estrela ou em anel. Alguns fabricantes de componentes para fibra ótica permitem o uso de links redundantes com meios físicos alternativos, cuja transferência é automática quando ocorre uma falha. Tabela 5 – Dimensionamento do meio ótico.

3.1.1.2 Perfil de Aplicação (Aplication Profile) O perfil de Aplicação descreve a interação do protocolo de comunicação com o meio de transmissão que está sendo utilizado, além de definir o comportamento do dispositivo durante a comunicação. O mais importante perfil de aplicação PROFIBUS é, atualmente, o perfil PA, que define os parâmetros e blocos de função para dispositivos de automação de processo, tais como transmissores, válvulas e posicionadores. Existem ainda alguns outros perfis disponíveis, tais como: Acionamentos (Drives), Interface Homem Máquina e Encoders, etc. os quais definem a comunicação e o comportamento destes equipamentos de uma maneira independente do fabricante.

3.2 FOUNDATION FIELDBUS O (FF) Foundation Fieldbus é uma arquitetura totalmente aberta e formada para a integração das informações numa planta industrial. É uma rede totalmente digital serial e que possui comunicação bidirecional determinística e cíclica, do tipo passagem de bastão (Token Ring). Esta interliga equipamentos de campo como sensores, atuadores e I/O’s remotas. Esta rede foi desenvolvida em 1990. Em 1993, seu meio físico virou padrão mundial (IEC-61158), e em 2000 foram aprovados pela IEC os níveis de software. O meio físico é baseado na norma IEC 61158, e diz que o barramento pode ligar até 32 instrumentos por segmento e 4 repetidores (um segmento é o par de fios que saí de um cartão de gerenciamento de rede H1). 18

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari A limitação da quantidade de dispositivos em um segmento é dada pela corrente drenada por cada tipo de instrumento e pelo tipo de controle que fazemos nela, eventualmente, um dispositivo (instrumento) pode ter fonte própria de alimentação e não drenar corrente do barramento. O FF permite toda a liberdade para introduzir, o dispositivo (instrumentos da concorrência) que quiser na malha de controle, a partir das necessidades de cada processo. Na visão da FF, existem basicamente dois níveis de automação de uma planta. Um deles é o H1 (31,25 kbps), uma rede de baixa velocidade concebida para interligação de instrumentos, e o outro, o nível HSE (100 Mbps – High Speed Ethernet), de alta velocidade utilizada para integração das demais redes e para a ligação de dispositivos de alta velocidade como HOST’s, PLC’s e outros sistemas de informação onde a taxa de transferência de dados é muito grande.

Figura 15 – Redes do FF – H1 e HSE.

O nível H1 de uma planta substitui e implementam o antigo modo analógico de controle 4-20 mA em aplicações como:    

Integridade do controle em loop ; A padronização do meio físico; Alimentação dos dispositivos/instrumentos por um mesmo par de fios; Opção para segurança intrínseca com melhores benefícios.

O protocolo FF pode proporcionar:   

Capacidade de comunicação completamente digital; Redução de fiação e seus acessórios; Capacidade de comunicação com o nível HSE de forma simples.

O barramento FF é determinístico para variáveis de processo, ou seja, as tarefas são executadas de forma cíclica em tempos pré-definidos e não determinados para parametrização e diagnósticos em geral. Uma das grandes revoluções da rede FF foi estender a visão da área de processo até o instrumento e não até o último elemento inteligente então existente que era o PLC ou remota do SDCD . Permitiu com isso que a inteligência se estendesse até aos instrumentos de campo.

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Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari 3.1.2.1 Compatibilidade ao padrão de software OSI Ligando o modelo Fieldbus com o OSI, o nível físico é o nível 1 do modelo OSI. O Data Link Layer (DLL) é o OSI 2 e o Fieldbus Message Specification (FMS) é o nível 7 do modelo OSI. Os outros níveis 3, 4 e 5, não são usados pelo Fieldbus. O nível de usuário (user layer) define o modo para acessar a informação dentro dos dispositivos Fieldbus, de modo que essa informação pode ser distribuída para outros dispositivos ou nós da rede Fieldbus. 3.1.2.2 Camada de aplicação e blocos A camada de aplicação utiliza o conceito de blocos para realizar todas as suas funções. Existem 3 tipos de blocos básicos: blocos de recursos, blocos de transdutores, utilizados para configurar os dispositivos e blocos de função, utilizados para construir a estratégia de controle. 



Resource Block (Bloco de pesquisa) - Descreve as características do dispositivo, como o nome, o fabricante e o número serial. Há somente um Resource Block num instrumento Fieldbus; Function Block (Bloco de Função) - Os Blocos de função são os responsáveis pelo sistema de controle. É a funcionalidade nos instrumentos de campo e sistemas de controle, tais como entradas e saídas analógicas, controle PID, controle lógico, entre outros.

Na Figura 16 mostra um exemplo de uma malha de controle definida usando apenas os blocos de controle contidos em dois dispositivos: um medidor de vazão que fornece o bloco AI e uma válvula que fornece os blocos AO e PID.

Figura 16 – Malha de controle completa, utilizando apenas 2 instrumentos.

3.1.2.3 Relógio em tempo real em todos os dispositivos O barramento FF pode receber a hora local e ajustá-la nos instrumentos do barramento. O sistema publica esse tempo periodicamente a todos os membros do barramento FF . 3.1.2.4 Comissionamento (Device Address Assignment ) Cada dispositivo FF que é conectado a um barramento, necessita ter um endereço na rede e um Tag (identificação) para operar corretamente. 20

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Para evitar jumpers ou chaves de endereçamento dos instrumentos, o comissionamento do dispositivo é executado via software pelo gerenciador do sistema. A seqüência de comissionamento de um dispositivo FF é a seguinte:   



Um dispositivo não configurado entra na rede em um dos 4 endereços especiais; A ferramenta de configuração comissiona um Tag ao dispositivo físico; A ferramenta de configuração escolhe e coloca o dispositivo num endereço que não esteja sendo usado, e este será seu endereço permanente na rede; A seqüência é repetida para cada novo dispositivo;

Caso ocorra uma falha na alimentação do sistema, essa configuração deve ser refeita pelo sistema, pois isso é gravado numa memória não-volátil do HOST , mas o dispositivo perde essas configurações. 3.1.2.5 Comunicação Cíclica entre os dispositivos O LAS tem uma lista com os tempos de execução e transmissão de todos os dispositivos ligados ao barramento. Com essas informações, o LAS pode determinar os tempos necessários para as comunicações cíclicas. A comunicação é do tipo pass token (passagem de bastão), ou seja, somente quem está com o bastão pode “falar” (publicar) sua informação no barramento. Todos os outros dispositivos irão escutar, mas somente o que está configurado para recebê-la, irá usá-la. A comunicação cíclica é tipicamente usada para as comunicações regulares entre os dispositivos do barramento. (ver Figura 11). 3.1.2.6 Comunicação Acíclica entre os dispositivos Todos os dispositivos Fieldbus tem a oportunidade de enviar mensagens acíclicas. Estas mensagens são responsáveis pela manutenção do barramento, como um exemplo, se é conectado um novo dispositivo ao barramento, ele será identificado pela comunicação acíclica. Requisições do sistema supervisório, informações de um dispositivo, ajuste e diagnóstico são mensagens acíclicas. 3.1.2.7 Nível Física (31.25 kbps) O nível físico é definido pelo padrão aprovado pela International Eletrotechnical Commission (IEC) e pela The International Society for Measurement and Control (ISA). O nível físico recebe mensagens da pilha de comunicação e converte em sinais elétricos para o meio de transmissão em vice – versa. Os dispositivos consomem aproximadamente 10 mA a 31.25 kbps em uma carga de 50 Ω para criar a variação de tensão de aproximadamente 1 Vpp (Tensão Pico a Pico), modulada na tensão de alimentação do dispositivo. A tensão de alimentação do dispositivo pode ser de 9 a 32 VDC. Para aplicações em segurança intrínseca, essa tensão é menor, dependendo da barreira utilizada.

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Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari 3.1.2.8 As regras básicas para validação de uma rede FF – H1 

 



 

A rede é formada por uma linha troco com stubs ou spurs. A linha tronco deve ser terminada por um terminador passivo; O comprimento máximo da linha tronco e da soma de todos os stubs é de 1900 m; O número de instrumentos na rede pode ser de 2 a 32 instrumentos numa conexão não intrinsecamente segura com fonte de alimentação separada do sinal de alimentação. De 1 a 12 instrumentos quando a aplicação não requer segurança intrínseca e os instrumentos são alimentados pelo cabo de sinal. De 2 a 6 instrumentos para aplicações de segurança intrínseca quando os instrumentos recebem a sua alimentação diretamente do cabo de comunicação; Repetidores podem ser utilizados para regenerar o sinal depois de excedida a especificação de distância máxima. O número máximo de repetidores é quatro; A distância máxima entre dois instrumentos quaisquer não deve exceder 9500 m; O cabo Fieldbus é polarizado. Inverter a polarização pode causar danos a todos os instrumentos conectados à rede. Alguns fornecedores garantem instrumentos livres de polarização.

3.1.2.9 Integração do sistema FF Depois de tudo construído, chega o momento em que se deve configurar o sistema, o momento em que se escolhe quem fala primeiro, o que deve ser falado, e pra quem. Quando uma mensagem é transferida, ela passa por um canal chamado Relacionamento de Comunicação Virtual (VCR ) para o dispositivo físico ( PD ) antes de ir para o fio. Ao chegar ao destino, passa pelo VCR e vai para o receptor. Os pacotes de informações de controle de processos são acrescentados e retirados quando uma mensagem passa por VCR’s e permite que os níveis desempenhem sua funcionalidade específica. Dependendo do tipo de atuador que estiver sendo utilizado, pode-se ajustar a atuação tanto nos blocos PID quanto na saída analógica (AO). Pode existir o risco de inconsistência e de confusão. Assim sendo, vale mais a pena ser consistente e implementar uma estratégia de controle. Por exemplo, uma saída PID de 100% significando que uma válvula está totalmente aberta, independentemente do atuador, ser do tipo ar para abrir ou ar para fechar (tipo de acionamento em válvulas de controle). Isto pode ser feito através da configuração do bloco AO , de modo que a opção I/O seja “incremento para fechar”, no caso de atuadores do tipo ar para fechar. Como já foi citado, o FF tem vários níveis de alarme, o que possibilita que os intertravamentos sejam adequados ao processo. Por exemplo, para um intertravamento importante de shutdown (situação anormal, emergência), deve haver ação com dados de qualidade RUIM ou INCERTA. A perda de comunicação é sempre indicada como status ruim, que resulta no reinício da malha. O resultado é que para aumentar a segurança do sistema, o status não deve ser exibido apenas para o operador, mas também deve ser incluído na lógica de intertravamento do sistema. No FF o diagnóstico dos dispositivos é mais eficiente para identificar erros de discrepância externa da lógica. Para uma disponibilidade alta a freqüência entra em conflito com segurança alta. A malha deve ser configurada para operar apenas quando o status for RUIM . Um status INCERTO apenas alertará o operador e, se for considerado adequado, o pessoal da manutenção. 3.1.2.10 Escalonamento Como acontece em qualquer rede, quanto maior a quantidade de informações transmitidas em um dado espaço de tempo, tanto maior deverá ser a velocidade de operação da rede e de seus sistemas, para que possam acompanhar tais informações (caso do protocolo Profibus-DP ). Como o FF - H1 fica limitado a uma taxa de 31,25 kbps, a única maneira de transmitir informações adicionais é aumentar o ciclo de tempo.

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Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Um link pode transmitir cerca de 30 mensagens escalonadas por segundo. Isto significa que a rede pode ter 3 dispositivos, cada um deles enviando 10 mensagens por segundo, ou 120 dispositivos conectados por repetidores, cada um deles enviando uma mensagem a cada 4 segundos. Este tempo de transmissão de dados, ou leitura de todos os dispositivos deve ser estimado inicialmente. Uma regra prática a ser adotada nessa fase inicial, relacionada aos requisitos de largura de faixa, é considerar que cada dispositivo precisa de 50 ms para executar o seu bloco de função. Assim sendo, a largura da faixa total requerida pode ser estimada através da fórmula (1) logo abaixo: tload = (Np+Nc) x 50 ms

(1)

Onde; tload = tempo para executar todos o blocos da função da malha; Np = número de produtores de informação (dispositivos no barramento); Nc = número de comunicações com a IHM. O tempo não escalonado (acíclico) mínimo deve ser de 70 - 80% no caso de um segmento recémcomissionado. Isto inclui uma folga para crescimento futuro, se necessário for. Por exemplo, supondo-se que o macro ciclo LAS de 1s reserve 150 ms para a transmissão de dados cíclicos, com 70% dos 500 ms disponíveis para comunicações acíclicas, o tempo disponível para utilização futura nesse caso seria de 350 ms. O tempo de trânsito cíclico pode ser determinado pelo somatório dos tempos de execução individuais dos blocos de função mais o tempo de produção de informação na rede. Neste caso, um bloco de AI é executado em 50 ms, um bloco PID em 150 ms e um bloco de AO em 100 ms. Pode-se dizer que cada acesso externo pelo canal FF gasta cerca de 25 ms. O número de dispositivos para os tempos de execução de uma malha com válvulas de controle deve ser o seguinte: 





Para malhas que requeiram tempo de execução de 1 s, deve-se limitar o segmento a 8 dispositivos com no máximo 3 válvulas; Para malhas que requeiram tempo de execução de 0,5 s, deve-se limitar o segmento com 4 a 8 dispositivos; Para malhas que requeiram tempo de execução de 0,25 s, deve-se limitar o segmento a menos de 3 dispositivos, com no máximo uma válvula.

Deve-se evitar a mistura de dispositivos com tempos de execução muito diferentes no mesmo segmento (1 s versus 0,25 s). Esta mistura pode levar os escalonamentos, que podem não estar de acordo com a capacidade de alguns links mestres.

3.3 HART O protocolo de comunicação HART® (Highway Addressable Remote Transducer) é mundialmente reconhecido como um padrão da indústria para comunicação de instrumentos de campo inteligentes 4-20 mA, microprocessados. O uso dessa tecnologia vem crescendo rapidamente e hoje virtualmente todos os maiores fabricantes de instrumentação mundiais oferecem produtos dotados de comunicação HART®. O protocolo HART® permite a sobreposição do sinal de comunicação digital aos sinais analógicos de 4-20 mA, sem interferência, na mesma fiação. O HART® proporciona alguns dos benefícios apontados pelo fieldbus, mantendo ainda a compatibilidade com a instrumentação analógica e aproveitando o conhecimento já dominado sobre os sistemas 4-20 mA existentes. 23

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari 3.1.3.1 Comunicação Analógica + Digital Há vários anos, a comunicação de campo padrão usada pelos equipamentos de controle de processos tem sido o sinal analógico de corrente, o miliampére (mA). Na maioria das aplicações, esse sinal de corrente varia dentro da faixa de 4-20 mA proporcionalmente à variável de processo representada. Virtualmente todos os sistemas e controle de processos de plantas usam esse padrão internacional para transmitir a informação da variável de processo.

Figura 17 – Comunicação digital + sinal analógico simultâneo.

O protocolo de comunicação de campo HART® estende o padrão 4-20 mA ao permitir também a medição de processos de forma mais inteligente que a instrumentação de controle analógica, proporcionando um salto na evolução do controle de processos. As características dos instrumentos podem ser vistas via comunicação digital que são refletidas na denominação do protocolo, HART®. O Protocolo HART® possibilita a comunicação digital bidirecional em instrumentos de campo inteligentes sem interferir no sinal analógico de 4-20 mA. Tanto o sinal analógico 4-20 mA como o sinal digital de comunicação HART®, podem ser transmitidos simultaneamente na mesma fiação. A variável primária e a informação do sinal de controle podem ser transmitidas pelos 4-20 mA, se desejado, enquanto que as medições adicionais, parâmetros de processo, configuração do instrumento, calibração e as informações de diagnóstico são disponibilizados na mesma fiação e ao mesmo tempo. 3.1.3.2 A Tecnologia HART® O Protocolo HART® usa o padrão Bell 202, de chaveamento por deslocamentos de freqüência (FSK) para sobrepor os sinais de comunicação digital ao de 4-20 mA. Por ser o sinal digital FSK simétrico em relação ao zero, não existe nível DC associado ao sinal e, portanto ele não interfere no sinal de 4-20 mA. A lógica “1” é representada por uma freqüência de 1200 hz e a lógica “0” é representada por uma freqüência de 2200 hz, como mostrado nas figuras 1 e 2. O sinal HART® FSK possibilita a comunicação digital em duas vias, o que torna possível a transmissão e recepção de informações adicionais, além da normal que é a variável de processo em instrumentos de campo inteligentes. O protocolo HART® se propaga há uma taxa de 1200 bits por segundo, sem interromper o sinal 4-20 mA e permite uma aplicação tipo “mestre” possibilitando duas ou mais atualizações por segundo vindas de um único instrumento de campo. O HART sobrepõe o sinal de comunicação digital ao sinal de corrente 4 a 20 mA.

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Figura 18 – Sinal 4-20mA + Hart.

3.1.3.3 Flexibilidade de Aplicação O HART® é um protocolo do tipo mestre/escravo, o que significa que um instrumento de campo (escravo) somente “responde” quando “perguntado” por um mestre. Dois mestres (primário e secundário) possam se comunicar com um instrumento escravo em uma rede HART®. Os mestres secundários, como os terminais portáteis de configuração, podem ser conectados normalmente em qualquer ponto da rede e se comunicar com os instrumentos de campo sem provocar distúrbios na comunicação com o mestre primário. O mestre primário é tipicamente um SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído), um CLP (Controlador Lógico Programável), um controle central baseado em computador ou um sistema de monitoração.

Figura 19 – Instalação típica com 2 mestres.

O Protocolo HART® pode ser usado de diversas maneiras para trocar informações de/para instrumentos de campo inteligentes à controles centrais ou equipamentos de monitoração. A comunicação mestre/escravo digital, simultânea com o sinal analógico de 4-20 mA é a mais comum. Este modo permite que a informação digital proveniente do instrumento escravo seja atualizada duas vezes por segundo no mestre. O sinal de 420 mA é contínuo e carrega a variável primária para controle.

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Figura 20 – Comunicação mestre-escravo – modo normal.

Uma modalidade opcional de comunicação é o “burst”, que permite que um único instrumento escravo publique continuamente uma mensagem de resposta padrão HART®. Esse modo libera o mestre de ficar repetindo um comando de solicitação para atualizar a informação da variável de processo.

Figura 21 – Comunicação escravo-mestre – modo burst.

A mesma mensagem de resposta HART® (PV ou outra) é continuamente publicada pelo escravo até que o mestre instrua o escravo a fazer outra atividade. A taxa de atualização de dados de 3-4 por segundo é típica no modo de comunicação do tipo “burst” e poderá variar de acordo com o comando escolhido. O modo “burst” só pode ser usado quando existe um único instrumento escravo na rede. O Protocolo HART® também tem a capacidade de conectar múltiplos instrumentos de campo pelo mesmo par de fios em uma configuração de rede “multidrop”. Em aplicações “multidrop”, o sinal de corrente é fixo, ficando somente a comunicação digital limitada ao mestre/escravo. A corrente de cada instrumento escravo é fixada no valor mínimo para alimentação do instrumento (tipicamente 4 mA) e não representa nenhum significado relativo ao processo.

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Figura 22 – Rede Multidrop.

Do ponto de vista da instalação, a mesma fiação usada para os instrumentos analógicos convencionais de 420 mA pode carregar os sinais de comunicação digital HART®. Os comprimentos de cabos usados podem variar de acordo com o tipo de cabo e dos instrumentos conectados, mas em geral chegam a 3000 metros para um único par trançado blindado e 1500 metros para múltiplos cabos de par trançado com blindagem comum. Cabos sem blindagem podem ser usados para distâncias curtas. Barreiras de segurança intrínseca e isoladores que permitem a passagem de sinais HART® são disponíveis para uso em áreas classificadas. 3.1.3.4 Comandos do HART A comunicação HART® é baseada em comandos, como por exemplo, o mestre emite um comando e o escravo responde. Existem três tipos de comando HART® que permitem leitura/escrita de informações em instrumentos de campo. Os comandos universais e os práticos são definidos nas especificações do protocolo HART®. Um terceiro tipo os comandos específicos do instrumento, permitem maior flexibilidade na manipulação de parâmetros ou de funções específicas num determinado tipo de instrumento. Os comandos universais asseguram a interoperabilidade entre uma larga e crescente base de produtos provenientes de diversos fornecedores e permitem o acesso às informações usuais em operação de plantas, como por exemplo, leitura de variáveis medidas, aumento ou diminuição dos valores de configuração e outras informações como: fabricante, modelo, tag e descrição do processo. Uma regra básica do protocolo HART® é que os instrumentos escravos devem ser compatíveis (interoperáveis) entre si e precisam responder à todos os comandos universais. Esses comandos são poderosos, como por exemplo, o comando universal 3, que permite que até quatro variáveis dinâmicas sejam enviadas em resposta a um único comando solicitado do mestre.

Figura 23 – Comandos Universais.

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3.4 ControlNet É uma tecnologia de rede aberta para automação e controle de processos industriais. É utilizada ao nível de supervisão e controle.

Figura 24 – Rede ao nível de controle.

3.1.4.1 Características do ControlNet   

      

Rede para I/O e Controladores – Alta velocidade (5 Mbps); Projetada para Processos contínuos e discretos; Rede única para programação, mensagens “ponto a ponto”, intertravamento em tempo real e aquisição de I/O; Baseada no modelo Produtor/Consumidor; Entradas podem ser compartilhadas por diferentes consumidores; Permite múltiplos controladores na mesma rede; Flexibilidade para o meio físico; Topologias barramento, árvore e estrela combinadas; Opção de redundância para o meio físico Pleno acesso a rede a partir de qualquer dispositivo.

Figura 25 – Características da ControlNet – cabos.

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Figura 26 - Características da ControlNet - conexões.

Figura 27 – Cálculo do segmento ControlNet.

Figura 28 – Modo de acesso ao meio.

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Figura 29 – ControlNet – IS.

3.5 DeviceNet DeviceNet é um protocolo de comunicação aberto- ODVA em nível de componente para automação industrial. Uma rede DeviceNet é um sistema de conexão aberto de baixo custo entre os dispositivos industriais, tais como sensores e atuadores, e dispositivos de nível superior, tais como controladores lógicos programáveis e PC’s. As redes DeviceNet usam um protocolo independente do tipo de rede, chamado protocolo industrial comum (Common Industrial Protocol - CIP), que é responsável pelos recursos de controle, configuração e coleta de dados da rede. Este processo garante maior flexibilidade graças à capacidade de trabalhar com dispositivos de diferentes fornecedores. É utilizada no nível de dispositivo de campo.

Figura 30 – Nível de automação do DeviceNet.

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Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari 3.1.5.1 Características da rede DeviceNet     

Linha tronco + derivações; Remoção de nós e diagnósticos; Até 64 nós; Taxas de 125, 250 e 500Mbps; Terminadores de 121 Ohms.

Figura 31 – Características gerais - DeviceNet.

Tabela 6 – Características gerais - DeviceNet.

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Figura 32 – Derivações - DeviceNet

Figura 33 – Conexões - DeviceNet.

3.6 EtherNet/IP É uma tecnologia de rede aberta para automação e controle de processos industriais. É utilizada ao nível de gerenciamento da informação.

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Figura 34 – Nível de automação EtherNet.

Figura 35 – Histórico da EtherNet.

3.1.6.1 EtherNet Comercial   

 

Padrão de fato – Internet, e-mail, troca de arquivos; Embutido em vários PC’s hoje em dia; Devido á base instalada possui virtualmente facilidades de fabricação – marcas familiares/nível de conforto; Tecnologia aberta Aumento de capacidade e desempenho. 33

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Tabela 7 – Cabos.

3.1.6.2 Vantagens da EtherNet/IP           

Padronização de cabos e acessórios da rede (IEEE 802.3); Alta velocidade de comunicação (10 Mbps, 100 Mbps, 1Gbps); Utilização de topologias estrela; Hubs e Minihubs; Alta confiabilidade. Utilização de fibra ótica; Alta imunidade a ruídos; Fácil instalação; Protocolo TCP/IP; Permite conexão de dispositivos de diversos fabricantes; Padrão de fato.

Figura 36 – Rede EtherNet.

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Figura 37 – Analogia ao modelo OSI.

3.7 Modbus O protocolo Modbus foi desenvolvido pela empresa Modicon em 1978/79 como um simples meio de troca de dados entre controladores e sensores, utilizando uma comunicação mestre-escravo / cliente-servidor. Uma vez desenvolvido, foi largamente difundido e bem aceito pelo meio industrial, e também pelo fato de tratar-se de um protocolo aberto, tornou-se um dos protocolos mais implementados em diversos produtos de diversos fabricantes para área de automação industrial. O Modbus é um protocolo que se encontra na camada de aplicação, posicionada na camada 7 do modelo OSI, e que provê a troca de dados no modelo Cliente / Servidor entre equipamentos conectados em diferentes tipos de redes, como ilustra a figura abaixo O Modbus opera à taxas de transmissão de 19200 bps, sem paridade e 2 stops bits configuráveis, estando implementado nos modos RTU e ASCII, através do canal serial RS-232C para comunicação ponto-a-ponto (estrela) ou RS-485 no padrão multi-ponto (barramento), configurado para operar como um elemento escravo desta rede. Pelo fato do protocolo Modbus estar bem difundido no mercado, a maioria dos fabricantes de sistemas supervisórios e IHM’s disponibilizam device drives que agilizam a integração de equipamentos que se comunica com o Modbus em uma rede industrial. 3.1.7.1 Interface Serial RS-485 Padrão de sinal elétrico para interligação de instrumentos com um CLP ou computador. É constituído de 2 fios polarizados interligando normalmente os instrumentos a um conversor RS 485 / RS 232. Capacidade máxima de 31 aparelhos por grupo. Comprimento máximo da linha não deve ser superior a 1000 metros.

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Sugestão integrada para os 3 níveis de automação.

Figura 38 – Sugestão integrada de automação dos 3 níveis.

4. PLC (Controlador Lógico Programável) 4.1 Surgimento do PLC O controlador programável surgiu em 1969. Anteriormente a isso, o hardware do controle seqüencial era dominado principalmente pelos relés. No que concerne aos dispositivos de controle de seqüência que utilizam os relés, apresentavam as desvantagens:   

 

Mau contato; Desgastes dos contatos; Necessidade de instalação de inúmeros relés, execução de fiação entre os inúmeros terminais de contatos e de bobinas; Complexidade na introdução de alteração na seqüência; Necessidade de manutenções periódicas.

Apesar de apresentarem todas as desvantagens, os relés se tornaram elementos principais do hardware de controle de seqüência em razão de não haver, na época, elementos que pudessem substituí-los eficazmente. No final da década de 60, iniciou-se o desenvolvimento de microcomputadores, utilizando-se o circuito integrado (Cl), e a universalidade da capacidade de processamento dos mesmos tornou-se o centro das atenções, aguardando-se com enorme expectativa o surgimento do hardware para controle dotado de grande versatilidade de processamento. Por outro lado, inicia-se a era da produção em grande escala, e os assuntos, como automação, incremento da produtividade, uniformidade na qualidade e outros, transformam-se em temas principais nas estações de rabalho, e a solução desses problemas era exigida também pelo lado da tecnologia de controle de seqüência. 36

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Na época, a General Motors (GM – empresa automobilística americana) anunciou 10 itens relativos às condições que um novo dispositivo eletrônico de controle de seqüência deveria atender para que pudesse substituir os tradicionais relés. Os itens são os seguintes: 1. Facilidade de programação, de alteração do programa, inclusive nas estações de trabalho; 2. Facilidade na manutenção, desejável que fosse totalmente do tipo de encaixar (plug-inunit); 3. A confiabilidade na estação de trabalho deverá ser superior em relação ao painel de controle do tipo com relés; 4. Deverá ser mais compacto que o painel de controle do tipo com relés; 5. Possibilitar o envio direto de dados à unidade central de processamento de dados; 6. Deverá ser economicamente competitivo com o painel de controle do tipo com relés; 7. Possibilitar entradas com níveis de tensão alternada da ordem de 11 5[V]; 8. As saídas deverão ser em 11 5[V] C.A. com capacidade superior a 2[A] de intensidade de corrente; deverá ainda possibilitar a operação das válvulas solenóides, comando para partida de motores e outros; 9. Com um mínimo de alteração, possibilitar a ampliação do sistema básico; 10. Deverá estar dotado de memória programável que possa ser ampliada até 4k WORDS no mínimo. Originalmente, o PLC surgiu como um dispositivo de controle tipo universal, que pudesse substituir os sistemas de relés e, posteriormente, com a evolução das tecnologias de computação e dos CI’s, desenvolveu-se tornando possível a redução de custo, compactação, elevação das funções e outros, até atingir a maturidade como sendo hardware principal para controle seqüencial. Com a evolução, foi eliminado o termo “logic” do nome PLC, passando este dispositivo a ser chamado de PC - Controlador Programável. Com o passar do tempo os controladores programáveis passaram a tratar variáveis analógicas e no inicio dos anos oitenta incorporaram a função do controle de malhas de instrumentação, com algoritmos de controle proporcionais, integrais e derivativos (PID). Ainda na década de oitenta com a evolução dos microcomputadores e das redes de comunicação entre os PLC's, os quais passaram a elevar seu desempenho, permitindo que vários controladores programáveis pudessem partilhar os dados em tempo real e que nesta mesma rede estivessem conectados vários microcomputadores, os quais através de um software de supervisão e controle podiam monitorar visualizar e comandar o processo como um todo a partir de uma sala de controle distante do processo.

4.2 Tecnologia dos PLC’s 4.2.1 Hard Logic para Soft Logic 4.2.1.1 Hard Logic Quando se elabora uma seqüência de controle utilizando os relés convencionais e/ou módulos lógicos de estado sólido, a lógica do sistema será de acordo com a fiação executada entre esses dispositivos, sendo que a seqüência de controle é do tipo “hard logic” (lógica de interligação dos dispositivos por meio de fiação elétrica). A alteração na lógica significa realizar alterações na fiação. Dessa forma existem diversos pontos deficientes, enumerados a seguir: a) Problemas relacionados ao projeto e fabricação: A elaboração do diagrama da seqüência depende, na maioria dos casos, da capacidade ou experiência pessoal do indivíduo. Assim, além do diagrama de seqüência propriamente dito, outros inúmeros serviços relacionados, como diagrama de fiação entre os componentes, layout dos componentes, determinação das espécies de fios e cabos e outros, têm que ser projetados. 37

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Por outro lado, quando se deseja introduzir alterações do sistema já pronto, tem-se que efetuar adição e/ou deslocamento de componentes e da fiação, acarretando um alto custo com relação ao tempo e à mão-deobra. b) Problemas relativos à operação experimental e ajustes: Para efetuar a verificação no caso em que o projeto da seqüência foi elaborado corretamente ou as fiações foram executadas conforme o projeto é necessário efetuar testes de continuidade, utilizando aparelhos de testes apropriados. Além disso, nos ajustes de campo com a seqüência acoplada às partes mecânicas há a necessidade de assistência e orientação de técnicos de grande experiência. c) Problemas relativos à instalação, montagem e manutenção: Como o hard logic toma um espaço muito grande, encontra-se normalmente dificuldade no lay-out, além da necessidade de se efetuar a manutenção periódica das partes móveis (contatos, etc.) e, ainda, manter um estoque de peças sobressalentes considerando-se a vida útil das mesmas. d) Problemas relativos à função: Como existe um limite de tempo para acionamento dos relés, o hard logic não é indicado para equipamentos que requerem alta velocidade de controle. Além disso, torna-se extremamente difícil o controle de um sistema com hard logic quando o mesmo necessita de memorização temporária, processamento e comparação de valores numéricos. 4.2.1.2 Soft Logic O computador nada poderá fazer se for constituído apenas por “hardware”. As suas funções serão ativadas somente quando houver um programa denominado “software”. Os computadores, através de programas ou software, podem realizar cálculos das folhas de pagamentos, assim como, cálculos de equações das mais complexas. Isto significa que, com um mesmo hardware, a lógica poderá ser alterada através de um software denominado programa. Ou seja, a lógica do computador é um “soft logic”. “Aplicando o mesmo raciocínio de controle seqüencial, pode-se dizer que as fiações que compõem a lógica do circuito de relés, poderão ser substituídas pelo software, denomina-se soft wired logic” (lógica de interligação dos dispositivos por meio de programas). Para realizar o controle seqüencial através do soft Iogic, ter-se-á que dotar o hardware de um dispositivo de memória, tal qual no computador, e nele armazenar uma série de programas Esses equipamentos que objetivam o controle seqüencial, são denominados “Stored Program System Controller” ou “Programmable Controller’ (PLC) - Controlador Programável, ou ainda, abreviadamente, “PLC”“. 4.2.1.3 Significado da lógica por software O fato de se transformar a lógica da seqüência em software significa que as atribuições das fiações do hard logic serão executadas pelo soft logic. Por conseguinte, o hardware poderá ser constituído por um equipamento standard. Isso foi possível através da padronização do controle seqüencial, solucionando uma grande parte dos problemas que existiam tradicionalmente nos painéis de relés, além de possibilitar a promoção da automação e racionalização em níveis cada vez mais elevados. Na tabela 8, indica-se a comparação entre o tradicional painel de relés e o PLC e verifica-se que, em praticamente todos os aspectos, o PLC apresenta-se com maiores vantagens. Dessa forma, com a introdução da tecnologia de computação, surgiu o controlador programável, proporcionando uma evolução excepcional no controle seqüencial.

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Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Tabela 8 – Comparação entre PLC’s e Relés.

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Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari 4.2.2 Diferenças entre o PLC e o Computador O PLC é um novo equipamento que surgiu com o advento da tecnologia do computador, sendo sua utilização voltada à estação de trabalho. a) Hardware O computador é um equipamento destinado a efetuar cálculos de alto nível e processamento de dados, de sorte que as entradas e saídas, como discos magnéticos e impressoras, são projetadas para atender às necessidades do computador. Portanto, os dispositivos de computação e de memória que correspondem ao cérebro, ocupam um grande espaço, e as entradas e saídas, que correspondem aos braços e pernas, são relativamente pequenas. Dessa forma, pode-se dizer que o computador é um superdotado de cabeça gigantesca com estrutura frágil, que trabalha com baixa tensão, tendo que ser instalado em sala climatizada, ou seja, um local de bom ambiente. Em relação a isso, o PLC surgiu com o objetivo de substituir os painéis de relés. Assim, suas entradas e saídas são constituídas pelas chaves fim de curso, válvulas solenóides e outros, sendo, na maioria, equipamentos de alta tensão e corrente. Além disso, estão sujeitos aos ruídos provenientes das máquinas e equipamentos existentes nas estações de trabalho, assim como, severas condições de temperatura e partículas suspensas na atmosfera. Como as partes que realizam a computação são constituídas de componentes eletrônicos de baixa tensão, como no caso dos CI’s, será necessário instalar nas portas de entrada e saídas dos circuitos para transformação e amplificação de sinais e, ainda, conforme o caso, circuito para eliminação de ruídos. Além disso, sua estrutura construtiva deverá ter uma proteção robusta para resistir às severas condições do local de instalação. b) Software Nos programas de computador são utilizadas as linguagens como C, C++, Pascal e outras, e as mesmas podem ser utilizadas apenas pelos especialistas que tiveram os cursos específicos para esse fim. Por outro lado, no caso do PLC, a linguagem é idealizada de tal forma que as pessoas ligadas diretamente à operação de máquinas e equipamentos, ao planejamento de instalações elétricas e à manutenção possam entendê-la, utilizando códigos e/ou linguagens mais próximos das seqüências dos circuitos tradicionais, ou seja, no que se refere à programação, foi idealizada para que se possa programar utilizando códigos obtidos através do fluxograma e do diagrama de tempo (time chart) do sistema a ser controlado, sendo essa programação realizável por qualquer pessoa com um treinamento relativamente simples. Dessa forma, embora o PLC seja tecnologicamente um computador, em termos de utilização é um equipamento de controle local. Vejamos na Tabela 9 algumas comparações entre os PLC’s e os PC’s.

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Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Tabela 9 – Comparação entre PLC’s e PC’s.

4.3 Arquitetura interna do PLC a)

Constituição geral

Como o controlador programável - PLC - será instalado na estação de trabalho da linha de produção para operação e controle de equipamentos, dispositivos e máquinas, o mesmo é constituído com robustez para resistir às condições desfavoráveis de um local de produção, como vibração, ruídos, partículas em suspensão. etc., além da facilidade na sua manipulação. Outro aspecto e a sua composição, que é executada de tal forma que possibilite a utilização através de combinações mais adequadas, selecionando a escala e funções segundo o objeto de controle. Na Figura 39 a constituição de um PLC. Assim, tem-se a CPU (Central Processing Unit) ou UCP (Unidade Central de Processamento), que corresponde ao cérebro humano, ás unidades de entradas e saídas para intercâmbio de sinais entre os equipamentos, dispositivos e máquinas, a fonte para fornecimento de energia elétrica, além dos equipamentos periféricos para incrementar a operacionalidade do PLC.

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Figura 39 – Constituição de um PLC.

b)

Principio de funcionamento Inicialização

Verificar estado das entradas

Transferir para a memória

Comparar com o programa do usuário

a r u d e r r a v e d o l c i C

Atualizar as saidas

Figura 40 – Blocos das etapas do funcionamento de um PLC.

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Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Inicialização No momento em que é ligado o PLC executa uma série de operações pré – programadas, gravadas em seu Programa Monitor:      

Verifica o funcionamento eletrônico da CPU, memórias e circuitos auxiliares; Verifica a configuração interna e compara com os circuitos instalados; Verifica o estado das chaves principais (RUN / STOP, PROG, etc); Desativa todas as saídas; Verifica a existência de um programa de usuário; Emite um aviso de erro caso algum dos itens acima falhe.

Verificar Estado das Entradas O PLC lê os estados de cada uma das entradas, verificando se alguma foi acionada. O processo de leitura recebe o nome de Ciclo de Varredura (scan) e normalmente é de alguns micro-segundos (scan time). Transferir para a Memória Após o Ciclo de Varredura, o PLC armazena os resultados obtidos em uma região de memória chamada de Memória Imagem das Entradas e Saídas. Ela recebe este nome por ser um espelho do estado das entradas e saídas. Esta memória será consultada pelo PLC no decorrer do processamento do programa do usuário. Comparar com o Programa do Usuário O PLC ao executar o programa do usuário, após consultar a Memória Imagem das Entradas, atualiza o estado da Memória Imagem das Saídas, de acordo com as instruções definidas pelo usuário em seu programa. Atualizar o Estado das Saídas O PLC escreve o valor contido na Memória das Saídas, atualizando as interfaces ou módulos de saída. Inicia – se então, um novo ciclo de varredura.

4.4 Estrutura Interna do PLC O PLC é um sistema microprocessado, ou seja, constituí – se de um microprocessador (ou microcontrolador), um Programa Monitor, uma Memória de Programa, uma Memória de Dados, uma ou mais Interfaces de Entrada, uma ou mais Interfaces de Saída e Circuitos Auxiliares. Fonte de Alimentação A Fonte de Alimentação tem normalmente as seguintes funções básicas: 

 

Converter a tensão da rede elétrica (110 ou 220 VCA) para a tensão de alimentação dos circuitos eletrônicos, (+ 5Vcc para o microprocessador, memórias e circuitos auxiliares e +/- 12 Vcc para a comunicação com o programador ou computador); Manter a carga da bateria, nos sistemas que utilizam relógio em tempo real; Fornecer tensão para alimentação das entradas e saídas (12 ou 24 Vcc). 43

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Unidade Central de Processamento Também chamada de CPU, é responsável pelo funcionamento lógico de todos os circuitos. Nos PLC’s modulares a CPU está em uma placa (ou módulo) separada das demais, podendo-se achar combinações de CPU e Fonte de Alimentação. Nos PLC’s de menor porte a CPU e os demais circuitos estão todos em único módulo. As características mais comuns são: 

  

Microprocessadores ou Microcontroladores de 8, 16 ou 32 bits (INTEL 80xx, MOTOROLA 68xx, ZILOG Z80xx, PIC 16xx); Endereçamento de memória de até centenas de MByte; Velocidades de CLOCK variando de 4 a 100 MHz; Manipulação de dados decimais, octais e hexadecimais.

Bateria As baterias são usadas nos PLC’s para manter o circuito do Relógio em Tempo Real, reter parâmetros ou programas (em memórias do tipo RAM), mesmo em caso de corte de energia, guardar configurações de equipamentos etc. Normalmente são utilizadas baterias recarregáveis do tipo Ni – Ca ou Li. Nestes casos, incorporam se circuitos carregadores. Memória do Programa Monitor O Programa Monitor é o responsável pelo funcionamento geral do PLC. Ele é o responsável pelo gerenciamento de todas as atividades do PLC. Não pode ser alterado pelo usuário e fica armazenado em memórias do tipo PROM, EPROM ou EEPROM. Ele funciona de maneira similar ao Sistema Operacional dos microcomputadores. É o Programa Monitor que permite a transferência de programas entre um microcomputador ou Terminal de Programação e o PLC, gerenciarem o estado da bateria do sistema, controlar os diversos opcionais etc. Memória do Usuário É onde se armazena o programa da aplicação desenvolvido pelo usuário. Pode ser alterada pelo usuário, já que uma das vantagens do uso de PLC’s é a flexibilidade de programação. Inicialmente era constituído de memórias do tipo EPROM, sendo hoje utilizadas memórias do tipo RAM (cujo programa é mantido pelo uso de baterias), EEPROM e FLASHEPROM, sendo também comum o uso de cartuchos de memória, que permite a troca do programa com a troca do cartucho de memória. A capacidade desta memória varia bastante de acordo com o marca/modelo do PLC, sendo normalmente dimensionadas em Passos de Programa. Memória de Dados É a região de memória destinada a armazenar os dados do programa do usuário. Estes dados são valores de temporizadores, valores de contadores, códigos de erro, senhas de acesso, etc. São normalmente partes da memória RAM do PLC. São valores armazenados que serão consultados e ou alterados durante a execução do programa do usuário. Em alguns PLC’s, utiliza-se a bateria para reter os valores desta memória no caso de uma queda de energia.

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Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Memória Imagem das Entradas / Saídas Sempre que a CPU executa um ciclo de leitura das entradas ou executa uma modificação nas saídas, ela armazena os estados da cada uma das entradas ou saídas em uma região de memória denominada Memória Imagem das Entradas / Saídas. Essa região de memória funciona como uma espécie de “tabela” onde a CPU irá obter informações das entradas ou saídas para tomar as decisões durante o processamento do programa do usuário. Circuitos Auxiliares São circuitos responsáveis para atuar em casos de falha do PLC. Alguns deles são: 





POWER ON RESET :

Quando se energiza um equipamento eletrônico digital, não é possível prever o estado lógico dos circuitos internos. Para que não ocorra um acionamento indevido de uma saída, que pode causar um acidente, existe um circuito encarregado de desligar as saídas no instante em que se energiza o equipamento. Assim que o microprocessador assume o controle do equipamento esse circuito é desabilitado. POWER–DOWN : O caso inverso ocorre quando um equipamento é subitamente desenergizado. O conteúdo das memórias pode ser perdido. Existe um circuito responsável por monitorar a tensão de alimentação, e em caso do valor desta cair abaixo de um limite pré – determinado, o circuito é acionado interrompendo o processamento para avisar o microprocessador e armazenar o conteúdo das memórias em tempo hábil. WATCH-DOG – TIMER : Para garantir no caso de falha do microprocessador, o programa não entre em “loop”, o que seria um desastre, existe um circuito denominado “Cão de Guarda“, que deve ser acionado em intervalos de tempo pré – determinados. Caso não seja acionado, ele assume o controle do circuito sinalizando uma falha geral.

Módulos ou Interfaces de Entrada São circuitos utilizados para adequar eletricamente os sinais de entrada para que possa ser processado pela CPU (ou microprocessador) do PLC. Temos dois tipos básicos de entrada: as digitais e as analógicas. Entradas Digitais São aquelas que possuem apenas dois estados possíveis, ligado ou desligado, e alguns dos exemplos de dispositivos que podem ser ligados a elas são:       

Botoeiras; Chaves (ou micro) fim de curso; Sensores de proximidade indutivos ou capacitivos; Chaves comutadoras; Termostatos; Pressostatos; Controle de nível (bóia), etc.

As entradas digitais podem ser construídas para operarem em corrente contínua (24 Vcc) ou em corrente alternada (110 ou 220 Vca). Podem ser também do tipo N (NPN) ou do tipo P(PNP). No caso do tipo N, é necessário fornecer o potencial negativo (terra ou neutro) da fonte de alimentação ao borne de entrada para que a mesma seja ativada. No caso do tipo P é necessário fornecer o potencial positivo (fase) ao borne de entrada. Em qualquer dos tipos é de praxe existir uma isolação galvânica entre o circuito de entrada e a CPU. Esta isolação é feita normalmente através de opto acopladores. 45

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari As entradas de 24 Vcc são utilizadas quando a distância entre os dispositivos de entrada e o PLC não excedam 50 m. Caso contrário, o nível de ruído pode provocar disparos acidentais.

Figura 41 – Entrada digital 24 Vcc.

Figura 42 – Entrada digital 110/220 Vca.

Entradas Analógicas As Interfaces de Entrada Analógica permitem que o PLC possa manipular grandezas analógicas, enviadas normalmente por sensores eletrônicos. As grandezas analógicas elétricas tratadas por estes módulos são normalmente tensão e corrente. No caso de tensão as faixas de utilização são: 0 á 10 Vcc, 0 á 5 Vcc, 1 á 5 Vcc, -5 á +5 Vcc, -10 á +10 Vcc ( no caso as interfaces que permitem entradas positivas e negativas são chamadas de Entradas Diferenciais), e no caso de corrente, as faixas utilizadas são : 0 á 20 mA , 4 á 20 mA. Os principais dispositivos utilizados com as entradas analógicas são:     

Sensores de pressão manométrica; Sensores de pressão mecânica (strain gauges - utilizados em células de carga); Taco-geradores para medição rotação de eixos; Transmissores de temperatura; Transmissores de umidade relativa, etc.

Uma informação importante a respeito das entradas analógicas é a sua resolução. Esta é normalmente medida em Bits. Uma entrada analógica com um maior número de bits permite uma melhor representação da grandeza analógica. Por exemplo: Uma placa de entrada analógica de 0 á 10 V CC com uma resolução de 8 bits permite uma sensibilidade de 39,2 mV, enquanto que a mesma faixa em uma entrada de 12 bits permite uma sensibilidade de 2,4 mV e uma de 16 bits permite uma sensibilidade de 0,2 mV. 46


Figura 43 – Entrada analógica.

Módulos Especiais de Entrada Existem módulos especiais de entrada com funções bastante especializadas. Alguns exemplos são:        

Módulos Contadores de Fase Única; Módulos Contadores de Dupla Fase; Módulos para Encoder Incremental; Módulos para Encoder Absoluto; Módulos para Termopares (Tipo J, K, L, S, etc); Módulos para Termoresistências (PT-100, Ni-100, Cu-25 ,etc); Módulos para Sensores de Ponte Balanceada do tipo Strain - Gauges; Módulos para leitura de grandezas elétricas (KW, KWh , KQ, KQh, cos Fi , I , V , etc).

Módulos ou Interfaces de Saída Os Módulos ou Interfaces de Saída se adequam eletricamente os sinais vindos do microprocessador para que possamos atuar nos circuitos controlados. Existem dois tipos básicos de interfaces de saída: as digitais e as analógicas. Saídas Digitais As saídas digitais admitem apenas dois estados: ligado e desligado. Podemos com elas controlar dispositivos do tipo:      

Relés; Contactores; Relés de estado - sólido Solenóides; Válvulas; Inversores de Freqüência, etc.

As saídas digitais podem ser construídas de três formas básicas: Saída digital à Relé, Saída digital 24 Vcc e Saída digital à Triac. Nos três casos, também é de praxe, prover o circuito de um isolamento galvânico, normalmente opto - acoplado. 47


Figura 44 – Saída digital a relé.

Figura 45 – Saída digital a transistor.

Figura 46 – Saída digital a triac.

Saídas Analógicas Os módulos ou interfaces de saída analógica convertem valores numéricos, em sinais de saída em tensão ou corrente. No caso de tensão normalmente 0 a 10 Vcc ou 0 à 5 Vcc, e no caso de corrente de 0 à 20 mA ou 4 à 20 mA. Estes sinais são utilizados para controlar dispositivos atuadores do tipo:     

Válvulas proporcionais; Motores C.C.; Servo – Motores CC; Inversores de Freqüência; Posicionadores rotativos, etc.

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Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Existem também módulos de saída especiais. Alguns exemplos são:    

Módulos P.W.M. para controle de motores C.C.; Módulos para controle de Servomotores; Módulos para controle de Motores de Passo (Step Motor); Módulos para I.H.M. (Interface Homem Máquina), etc.

Figura 47 – Circuito de saída analógica.

4.5 Auto-avaliação de Defeitos em PLC’s O PLC é o centro nervoso do sistema, de sorte que, se ocorrer alguma falha no mesmo, poderá causar erro na execução do programa, colocando em risco todo o sistema sob controle. Assim sendo, quando ocorrer alguma falha no sistema do PLC, é muito importante identificar rapidamente a localização do defeito, se é interno ou externo ao PLC. Caso o defeito for interno, verificar se é no hardware ou no software; se não ruídos, etc. Para fazer frente a esses problemas, formam-se diversas providências, como, por exemplo, a elaboração de programa do sistema que permite descobrir facilmente os defeitos, mesmo sendo no próprio sistema do PLC. A função de auto-avaliação de defeitos é muito importante como meio de prevenção de falhas, reduzindo significantemente o tempo inativo (Down time). Através dessa função, o próprio PLC faz a avaliação do defeito que tenha ocorrido no hardware, indicando o local avariado. Dessa forma, descobre-se o local defeituoso, permitindo então uma rápida restauração do sistema. Tabela 10 – Exemplos de auto-avaliação de defeitos.

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4.6 Programação de PLC’s a)

Considerações sobre programação

Quando se deseja efetuar o controle de aparelhos, dispositivos e máquinas através de um PLC são necessário que o conteúdo de controle seja previamente gravado na unidade de memória do PLC. Assim, o controlador programável executará fielmente o controle das máquinas e dispositivos, conforme a instrução do conteúdo de controle. Por exemplo, mesmo que se deseje gravar uma instrução de controle, como “A lâmpada h deverá acender-se somente quando as botoeiras b0 e b1 estiverem pressionadas ao mesmo tempo”, como o PLC não entende a linguagem humana de uso cotidiano, a gravação terá que ser efetuada com termos compreensíveis pelas máquinas. Assim, denomina-se “programa a frase escrita segundo uma seqüência definida, observando rigorosamente uma determinada regra com os termos que podem ser compreendidos pelas máquinas, e “programação”, a elaboração desse programa e a subsequente gravação do mesmo na memória”. b)

Métodos de programação

Na comunicação entre homens existe o português, o inglês, e assim por diante. Do mesmo modo, para a comunicação com PC’s, existem diversos tipos de linguagem de acordo com o fabricante e o modelo do equipamento. Em geral, os usuários dos PLC’s são pessoas treinadas para a utilização de máquinas e equipamentos, manipulação de circuitos elétricos, etc. Assim, foram idealizadas diversas linguagens de programação para que fossem acessíveis para essas pessoas. Classificando essas linguagens, tem-se: método de diagrama de circuitos, que consiste em transformar diagrama de circuito elétrico em linguagem de programação; método de diagrama funcional, no qual programam os movimentos ou operação da máquina ao PLC.

Figura 48 – Métodos de programação de PLC’s.

No caso de método de diagrama de circuito, elabora-se primeiramente o diagrama através dos recursos de circuitos a relés ou símbolos lógicos, para posteriormente transformar em programas. Trata-se de um método bastante eficaz para técnicos da área elétrica treinados em circuitos seqüenciais. No que concerne ao método de transformação, existem três, a saber:   

Diagrama “Ladder(ladder symbol circuit); Diagrama de portas lógicas; Diagrama de lista de instruções. 50

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Na utilização do método de diagrama ladder, é necessário o display para indicação do desenho. Devido às facilidades que o método oferece em termos de desenhar e indicar diretamente os circuitos de relés, ultimamente o presente método está sendo o mais utilizado em termos de métodos de programação. Por outro lado, no caso do método de diagrama funcional, trata-se de método no qual transferem o movimento ou operação do objeto de controle para um fluxograma (flow chart), introduzindo diretamente no PLC, sem necessidade de elaborar o diagrama de circuito seqüencial. Assim, trata-se de um método eficaz para as pessoas habituadas a lidar com programação de computadores inclusive técnicos da área de mecânica e a fins. Esse método também é classificado em outros dois, a saber: método de fluxograma e método seqüencial (passo a passo). 4.6.1 Método de diagrama de circuito A seguir, será efetuada uma explanação sobre diversos exemplos de programação sobre um circuito a relés do mais simples, como no caso de um circuito de retenção.

Figura 49 – Programa elaborado por circuitos.

No método de diagrama “ladder”, o esquema do circuito deverá ser substituído pelos símbolos ou códigos ladder. A seguir, pressionando sequencialmente as teclas que indicam os símbolos ladder e as linhas de conexão, dever-se-á traçar o circuito no display e, à medida que se for concluindo gravá-la na memória por unidade de circuito. Nesse método, a programação poderá ser efetuada confirmando passo a passo o seu encaminhamento, sendo assim o método mais intuitivo e simples. Entretanto, como necessita do display, se o PLC for de pequeno porte, o seu custo relativo (do display) será muito alto. “No método de apresentação por porta lógica, dever-se-á elaborar o esquema do circuito utilizando os símbolos lógicos que indicam ‘AND”, “OR”, “NOT”, pressionando as teclas segundo o fluxo de sinais. Por outro lado, no método de equação lógica, adotando o método de entrada pela transformação do esquema do circuito em equação algébrica booleana, representando a ligação série com “•“, a paralela com “±“ e a saída com “=“ e utilizando os números de entrada e saídas, elaborar a equação lógica e digitar no teclado. No presente método, será necessário certo treinamento para transformar o diagrama do circuito em equação lógica. Contudo, assim que estiver suficientemente treinado, o usuário poderá elaborar facilmente a equação de qualquer circuito, mesmo os mais complexos, e, ainda, se utilizar convenientemente os parênteses “( )“ poderá elaborar programas muito eficazes, mesmo dispondo de limitada capacidade de memória. O método de instrução consiste em elaborar o programa substituindo o esquema do circuito por determinados termos de instrução (LOAD, AND, OR, NOT, etc), tratando-se do método de programação que mais se aproxima da metodologia de computação. 51

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari 4.6.2 Método de diagrama funcional No método de diagrama de circuito, foi visto que inicialmente as ações ou operações das máquinas eram apresentadas em termos de circuitos para posterior transformação em programas. Entretanto, no caso do método de diagrama funcional, as ações ou operações das máquinas poderão ser diretamente transformadas em programa, sem necessidade de elaboração prévia do circuito elétrico. No que se refere ao método de fluxograma, as ações ou operações das máquinas e dispositivos são representadas através de fluxograma. O PLC que adota esse método proporciona facilidades quanto à execução das derivações, de acordo com situações de entradas e saídas ou saltos (jump) a um endereço distante.

Figura 50 – Programa elaborado pelo método de diagrama funcional.

O método seqüencial é um método dos mais simples em termos de diagrama de tempo e é indicado para manipulação do programa do tipo em que a operação global de controle é dividida em pequenas etapas em uma determinada seqüência; por exemplo: se a operação contida no 1° passo for encerrada, passará para o 2° passo e assim sucessivamente. Esse método surgiu como substituto ao do tipo came rotativo e quadro de controle perfurado (pin board), que eram destinados ao controle de programas de pequeno porte. Contudo, trata-se de método dotado de função de alto nível, utilizando as características como salto (jump), repetição, temporizador, contador e armazenamento de programas.

4.7 Seqüência de programação para PLC’s Como o PLC surgiu inicialmente em substituição aos painéis de relés, o método de programação foi baseado principalmente nos circuitos a relés (doravante será designado seqüência de relés) e, assim, utiliza-se com maior intensidade o método de diagrama de circuitos. Além disso, dentro do método de diagrama de circuitos, os mais adotados são o de equação lógica, que proporciona grande facilidade na representação de circuito a relés, e o de diagrama ladder. Assim, no presente item, será efetuada a explanação sobre o procedimento para programação, fundamentando-se nesses dois métodos. 4.7.1 Seqüência de Programação O programa deverá ser elaborado obedecendo a seguinte rotina: a) distribuição das entradas e saídas; b) elaboração do diagrama de conexão de entradas e saídas; c) elaboração da seqüência para PLC; d) distribuição das saídas internas, temporizadas e contadores; e) codificação (coding) e carregamento (loading). 52

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari a)

Distribuição das entradas e saídas

Inicialmente, deve-se classificar o número dos equipamentos externos que serão conectados às unidades de entradas e saídas e, efetuando uma nova classificação, de acordo com as especificações elétricas, deve-se definir a quantidade de módulos de entradas e saídas necessárias. No que se refere aos módulos de E/S, geralmente cada módulo pode controlar 8 ou 16 pontos dos equipamentos externos. Assim, deve-se dividir o total de pontos a serem controlados pelo número de pontos de cada módulo e, definir a quantidade de módulos de entradas e saídas. Assim que a quantidade de módulos E/S for definida, deve-se definir o seu lay-out. Para tanto, é necessário distribuir os módulos nas posições que facilitam a execução da fiação dos equipamentos externos. Existem inúmeros equipamentos que são conectados como elementos de entradas e saídas e assim, no diagrama de circuito elétrico, os mesmos são normalmente identificados com abreviaturas como b0 (botoeira), VS (válvula solenóide), etc. Entretanto, essas abreviaturas adotadas são incompreensíveis para os PLC’s. As únicas palavras compreensíveis para os PLC’s são os números específicos atribuídos aos seus terminais de entrada e saída. Assim, os equipamentos representados pelas abreviaturas (b0, VS, etc.) são identificados pelos números dos terminais onde serão conectados, para que o controlador programável possa identificálos. Por exemplo, na Figura 51, distribuíram-se os módulos de entrada de n° 100 e os de saídas na de n° 300 e fez-se, a seguir, a distribuição dos equipamentos externos em cada um dos números (terminais) de entradas e saídos correspondentes. b)

Elaboração do diagrama de conexão de entradas e saídas

Quando se for efetuar a distribuição das entradas e saídas, no caso de componentes que integram o esquema em grande quantidade, como no caso das botoeiras, chaves fim-de-curso, etc., existem dois métodos de distribuição, a saber: a primeira consiste em distribuir na seqüência b0, b1,... bn, para um mesmo equipamento, e a segunda, em distribuir pela fiação proveniente de uma mesma direção, de acordo com a posição ou direção em que se encontra o equipamento. Sobre esse assunto, durante a elaboração do diagrama de conexão de entradas e saídas, é importante estudar e definir qual dos dois métodos deve ser aplicado, considerando a obra de fiação que terá que ser executada. Além disso, deve-se identificar se os sinais provenientes dos equipamentos de entrada estão conectados através de contatos abridores ou fechadores, pois, caso contrário, será difícil avaliar durante a elaboração do programa se há ou não a necessidade de se utilizar código (comando) de inversão. Dessa forma, como o diagrama de conexão de entradas e saídas torna-se um instrumento fundamental para a programação e obra de fiação, o mesmo deve ser elaborado em primeiro lugar, juntamente com a distribuição das entradas e saídas.

Figura 51 – Diagrama da de conexão de entrada e saída.

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Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari c)

Elaboração da seqüência para PLC

Inicialmente, na elaboração da seqüência para PLC, não há necessidade de se pensar em economia de contatos, como no caso da seqüência de relés, bastando que se transfiram diretamente para a seqüência as ações ou operações do sistema a ser controlado. Por outro lado, se houver uma seqüência de relés já pronta, deve-se então re-elaborá-la para o PLC.

Figura 52 – Seqüência para o PLC.

Baseando-se no diagrama de seqüência do circuito de partida/parada indicado na Figura 52, será explanada a rotina de elaboração do programa (seqüência lógica). Existem as botoeiras para parada (b0) e partida (b1), que estão conectadas aos terminais 100 e 101, respectivamente, do módulo de entradas e a saída conectada ao terminal 300 do módulo de saídas. Por conseguinte, o programa será elaborado utilizando-se esses números. A entrada 100 utiliza um contato abridor, e a 101 um fechador.

Figura 53 – Rotina para a elaboração da seqüência lógica.

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Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari 1) Devem-se extrair os elementos do programa de tal forma que permaneçam uma bobina e o bloco de contatos a ela conectados. 2) “A fiação de conexão série entre os contatos, ou entre os contatos e o circuito paralelo, deve ser substituída pelo símbolo “.” que significa “AND” (E). 3) A fiação da parte inicial do circuito paralelo deve ser substituída pelo símbolo “(“ (abertura de parênteses). 4) O circuito paralelo deve ser substituído pelo símbolo “+”, que significa “OR” (OU). 5) A “fiação na parte final do circuito paralelo deve ser substituída pelo símbolo “)” (fechamento de parênteses). 6) A fiação à bobina deve ser substituída pelo símbolo “=”. 7) Como o terminal de número 100 é do tipo contato abridor (NF), então, invertendo a entrada 100, obtém-se 100 e assim o programa será: 100. (101 + 300) = 300. Na seqüência descrita, todas as fiações foram substituídas por instruções. “A seqüência lógica representada pelas instruções AND “.“, OR “+” e IGUAL “=” será compreensível pelo PLC e esse será o seu programa. d)

Distribuição das saídas internas, temporizadores e contadores

No PLC existem as unidades de entrada e saída que realizam o intercâmbio de sinais entre os equipamentos externos. Contudo, dentre os sinais de saídas, existem aqueles que, embora não sejam enviados para fora do equipamento, são mantidos armazenados temporariamente para efeito de controle. Esta é a função dos relés auxiliares na seqüência de controle de relés, sendo estes denominados saídas internas. Trata-se de modelos padrões que são utilizados nas diversas partes da seqüência de relés, que, agrupados, recebem o tratamento como se fossem saídas provisórias equivalentes aos relés auxiliares num circuito de relés. Em relação a isso, há casos em que se denominam as saídas normais como sendo “saídas externas” apenas para efeito de diferenciação. Durante a elaboração do diagrama de seqüência, devem-se atribuir números correspondentes às saídas internas, temporizadores e contadores. Com relação ao método das saídas internas, temporizadores e contadores, observam-se diferenças de acordo com os fabricantes de PLC. Assim sendo, é necessário compreender suficientemente o seu método, através da leitura do seu manual de instruções. e)

Codificação e carregamento

Assim que o programa for elaborado, deve-se então armazená-lo na memória do usuário. Inicialmente, conforme se observa na Figura 54, deve-se efetuar a codificação a fim de saber a partir de qual endereço de memória o programa será armazenado e quantos endereços (palavras de memória) serão utilizados para o armazenamento. Essa atividade de “distribuição dos endereços de memória”, e ao papel utilizado para a distribuição é denominado “folha de codificação”.

Figura 54 – Exemplo de programação.

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Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari A atividade de gravar o programa na memória utilizando os equipamentos periféricos denomina-se carregamento (loading). Para realizar o carregamento, deve-se inicialmente ativar os endereços de memória. Essa operação deve ser efetuada apenas na primeira vez, pois, posteriormente, ocorrerá o avanço automático, palavra por palavra de memória. A seguir, deve-se efetuar o carregamento do programa passo a passo, certificando-se de que não há erro de programação nos mesmos. Quando se for efetuar o carregamento pelo método de diagrama ladder, pelo fato do diagrama de seqüência ser indicado no display por unidade de circuito, não há necessidade de se efetuar a codificação, isto é, pode-se executar o carregamento direto a partir da seqüência para PLC.

4.8 Sistema de Controle com PLC’s Os controladores programáveis inicialmente desenvolvidos para substituir os circuitos de relés e outro dispositivo liga-desliga se desenvolveram nos últimos anos a tal ponto que hoje são muito utilizados em controle contínuo. Uma das grandes vantagens dos PLC’s em relação a outros sistemas de controle é a sua maior viabilidade de utilização em processos no qual o número de pontos liga-desliga supera bastante o de malhas de controle contínuo não críticos.

Figura 55 – Estrutura do sistema mínimo de controle com PLC.

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4.9 Sistema supervisório utilizando PLC O sistema supervisório instalado no microcomputador faz aquisição de dados no controlador programável transferindo para a tela do monitor os dados do processo. Através do teclado do microcomputador pode-se acessar o controlador para alterar parâmetros de controle ou simplesmente buscar novas informações. Permite uma total integração com o chão de fábrica graças as redes industriais.

Figura 56 – Sistema de controle e monitoração de nível de u m tanque.

Todo sistema supervisório deve permitir a configuração de telas que facilitam a operação. Alguma dessas telas tem suas funções descritas abaixo.  

 

   

Tela de vista geral: Apresenta os set-points e os desvios, podendo ser constituída de várias páginas; Tela de grupo: Apresenta informações sobre pontos em grupos de funções com os esmos detalhes dos visores de instrumentos analógicos; Tela de vista geral: Visualização de um grupo em particular, selecionado; Telas de Malhas: Apresenta uma representação gráfica da malha em detalhe. Nela pudesse visualizar e/ou alterar as principais variáveis da malha; Telas de alarme: Mostra ao operador as principais anomalias do processo e/ou do sistema. Telas de tendências: Tempo Real: Registra a mudança dos valores das variáveis num intervalo de tempo reduzido; Histórica: Registra a mudança dos valores das variáveis num intervalo de tempo grande (dias, semanas, etc);

5. SISTEMA SUPERVISÓRIO DE CONTROLE “SPC” A extensão natural dos sistemas DAS ou “Data Logging” envolve o uso do computador na malha de realimentação do processo como elemento de ajuste automático do Set-Point dos controladores. Em função das variações constantes de carga no processo torna-se vantajoso alterar o Set- Point dos controladores em algumas malhas para aumentar a eficiência do controle ou para manter a operação dentro de certos limites calculados previamente. Em geral, a determinação do Set-Point se faz em função do número de parâmetros do processo. De fato a decisão de alterar um Set-Point pode demandar a alteração de outros Set- Points quando o efeito iterativo é levado em conta. Conhecendo o número de malhas, as iterações entre as variáveis e os cálculos necessários em cada caso, é mais natural deixar que o computador realize as operações de acordo com um programa de controle.

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Figura 55 – Sistema SPC.

O diagrama da Figura 56 mostra um sistema de controle supervisório no qual o computado estabelece os SetPoints das malhas de controle. O sinal de saída do computador acessa o Set-Point dos controladores através do multiplexador e do DAC estabelecendo valores de referência para controladores conectados a linha.

Figura 56 – Diagrama de bloco de um SPC.

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6. SISTEMA DE CONTROLE DIGITAL DISTRIBUÍDO – “SDCD” A falta de confiabilidade dos sistemas DDC (Sistema de Controle Digital Direto) devido a centralização do controle em um único equipamento, fomentou a evolução de uma filosofia de distribuição das funções de controle (SDCD), viabilizada em particular, pelo advento dos microprocessadores de baixo custo, elevado potencial e melhor qualidade ( mais confiáveis). Para permitir maior operacionalidade, as funções do sistema SDCD foram estruturadas de forma hierárquica com diversos níveis de atividades, atenuando assim a complexidade das funções, aumentando a modularidade e expansibilidade do sistema.

Figura 57 – Estrutura hierárquica de um sistema de controle de processos.

Para melhor caracterizar um SDCD, a princípio, os elementos foram agrupados em quatro subsistemas e hierarquizados segundo a sua filosofia de funcionamento. Os subsistemas padrões de um SDCD segundo o princípio de sua concepção são:

Figura 58 – Modelo de referência de um SDCD.

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Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari O primeiro subsistema é aquele que está diretamente ligado ao processo, ao qual denominamos subsistema de aquisição de dados e controle. A sua principal finalidade é a realização das funções de controle, que são exercidas pelas estações de controle local (ECL níveis 0,1 e 2) . O segundo subsistema é denominado de subsistema de monitoração e operação. Nele se concentra a maior parte das funções de interface homem-máquina (nível 3). Ao terceiro subsistema denominamos de subsistema de supervisão e otimização. É onde são realizadas as funções de otimização e gerenciamento de informações (níveis 3 e 4). Para que seja possível a realização de um controle integrado, é necessário que exista uma infra-estrutura de comunicação entre os diversos subsistemas. O quarto grupo de componentes é denominado de subsistema de comunicação, necessário à integração dos diversos módulos autônomos do sistema.

APÊNDICE I - CONTROLE DE PROCESSOS 1. INTRODUÇÃO No início, a humanidade não conhecia os meios para se obter a energia a partir da matéria. Desse modo, a energia era fornecida pelo próprio trabalho humano ou pelos trabalhos de animais domésticos. Somente no século XVIII, com o advento das máquinas a vapor, conseguiu-se transformar a energia da matéria em trabalho. Porém, o homem apenas teve a sua condição de trabalho mudada, passando do trabalho puramente braçal ao trabalho mental. Nesse momento, cabia ao homem o esforço de tentar “controlar” esta nova fonte de energia, exigindo dele então muita intuição e experiência, além de expô-lo constantemente ao perigo devido á falta de segurança. No princípio, isso foi possível devido à baixa demanda. Entretanto, com o aumento acentuado da demanda, o homem viu-se obrigado a desenvolver técnicas e equipamentos capazes de substituí-lo nesta nova tarefa, libertando-o de grande parte deste esforço braçal e mental. Daí então surgiu o controle automático que, quanto à necessidade, pode assim ser classificado:

Evolução Histórica do Controle Automático O primeiro controlador automático industrial de que há notícia é o regulador centrífugo inventado em 1775, por James Watts, para o controle de velocidade das máquinas a vapor. Esta invenção foi puramente empírica. Nada mais aconteceu no campo de controle até 1868, quando Clerk Maxwell, utilizando o cálculo diferencial, estabeleceu a primeira análise matemática do comportamento de um sistema máquina-regulador. Por volta de 1900 aparecem outros reguladores e servomecanismos aplicados à máquina a vapor, a turbinas e a alguns processos. 60

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Durante a Primeira Guerra Mundial, N. Minorsky cria o servo-controle, também baseado na realimentação, para a manutenção automática da rota dos navios e escreve um artigo intitulado “Directional Stability of Automatically Steered Bodies”. O trabalho pioneiro de Norbert Wiener (1948) sobre fenômenos neurológicos e os sistemas de controle no corpo humano abreviou o caminho para o desenvolvimento de sistemas complexos de automação. A partir daqui o progresso do controle automático foi muito rápido. Atualmente existe uma enorme variedade de equipamentos de medidas primárias, transmissão das medidas (transmissores), de regulação (controles pneumáticos, elétricos e eletrônicos), de controle final (válvulas pneumáticas, válvulas solenóide, servomotores etc.), de registro (registradores), de indicação (indicadores analógicos e digitais), de computação (relés analógicos, relés digitais com microprocessador), PLC’s, SDCD’s etc. Estes equipamentos podem ser combinados de modo a constituírem cadeias de controle simples ou múltiplas, adaptadas aos inúmeros problemas de controle e a um grande número de tipos de processos.

2. CONCEITOS E CONSIDERAÇÕES BÁSICAS DE CONTROLE AUTOMÁTICO O controle Automático tem como finalidade a manutenção de certa variável ou condição num certo valor ( fix o ou variante). Este valor que pretendemos é o valor desejado. Para atingir esta finalidade o sistema de controle automático opera do seguinte modo: A - Medida do valor atual da variável que se quer regular. B - Comparação do valor atual com o valor desejado ( sendo este o último indicado ao sistema de controle pelo operador humano ou por um computador). Determinação do desvio. C - Utilização do desvio ( ou erro ) para gerar um sinal de correção. D - Aplicação do sinal de correção ao sistema a controlar de modo a ser eliminado o desvio, isto é , de maneira a reconduzir-se a variável ao valor desejado. O sinal de correção introduz, pois variações de sentido contrário ao erro. Resumidamente podemos definir Controle Automático como a manutenção do valor de certa condição através da sua média, da determinação do desvio em relação ao valor desejado, e da utilização do desvio para se gerar e aplicar uma ação de controle capaz de reduzir ou anular o desvio.

Figura 59 – Controle de Temperatura.

De todas as grandezas relativas ao sistema (Nível, pressão, vazão, densidade, pH, energia fornecida, salinidade etc.) a grandeza que nos interessa, neste caso, regular é a temperatura da água. A temperatura é então a variável controlada.Um termômetro de bulbo permite medir o valor atual da variável controlada. As dilatações e contrações do fluido contido dentro do bulbo vão obrigar o “Bourdon”(Tubo curvo de seção elipsoidal) a enrolar ou desenrolar. 61

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Os movimentos do extremo do bourdon traduzem a temperatura da água, a qual pode ser lida numa escala. No diagrama representa-se um contato elétrico no extremo do bourdon e outro contato de posição ajustável à nossa vontade. Este conjunto constitui um “Termostato”. Admitamos que se queira manter a temperatura da água nas proximidades de 50 °C. Este valor da temperatura da água é o valor desejado. Se a temperatura, por qualquer motivo, ultrapassar o valor desejado, o contato do termostato está aberto. A bobina do contator não está excitada e o contator mantém interrompida a alimentação da resistência de aquecimento. Não havendo fornecimento de calor, a temperatura da água vai descer devido às perdas. A temperatura aproxima-se do valor desejado. Quando, pelo contrário, a temperatura é inferior ao valor desejado o bourdon enrola e fecha o contato do termostato. O contator fecha e vai alimentar a resistência de aquecimento. Em conseqüência, a temperatura da água no depósito vai subir de modo a aproximar-se de novo do valor desejado. Normalmente as cadeias de controle são muito mais elaboradas. Neste exemplo simples encontramos, contudo as funções essenciais de uma malha de controle.   



Medida - A cargo do sistema termométrico. Comparação - Efetuada pelo sistema de Contatos (Posição Relativa) Computação - Geração do sinal de correção (efetuada também pelo sistema de contatos e pelo resto do circuito elétrico do termostato). Correção - Desempenhada pelo órgão de Controle – Contactor.

Observa-se que, para a correção da variável controlada ( temperatura) deve-se atuar sobre outra variável ( quantidade de calor fornecida ao depósito). A ação de controle é aplicada, normalmente, a outra variável da qual depende a variável controlada e que se designa com o nome de variável manipulada. No nosso exemplo, o “Sinal de Controle“ pode ser a corrente elétrica i. Como veremos mais tarde, estamos diante de uma malha de controle do tipo ON-OFF. O sinal de controle apenas pode assumir dois valores. Na maior parte dos casos, como se verá a função que relaciona o sinal de controle com o desvio é muito mais elaborado. Para facilitar o entendimento de alguns termos que aqui serão utilizados, a seguir, serão dadas de forma sucinta suas definições: 



 





 



Planta - Uma planta é uma parte de um equipamento, eventualmente um conjunto de itens de uma máquina, que funciona conjuntamente, cuja finalidade é desenvolver uma dada operação. Processo - Qualquer operação ou seqüência de operações, envolvendo uma mudança de estado, de composição, de dimensão ou outras propriedades que possam ser definidas relativamente a um padrão. Pode ser contínuo ou em batelada. Sistemas - É uma combinação de componentes que atuam conjuntamente e realizam certo objetivo. Variável do Processo (PV) - Qualquer quantidade, propriedade ou condição física medida a fim de que se possa efetuar a indicação e/ou controle do processo (neste caso, também chamada de variável controlada). Variável Manipulada (MV) - É a grandeza que é operada com a finalidade de manter a variável controlada no valor desejado. Set Point (SP) – É um valor desejado estabelecido previamente como referência de ponto de controle no qual o valor controlado deve permanecer. Distúrbio (Ruído) - É um sinal que tende a afetar adversamente o valor da variável controlada. Desvio - Representa o valor resultante da diferença entre o valor desejado e o valor da variável controlada. Ganho - Representa o valor resultante do quociente entre a taxa de mudança na saída e a taxa de mudança na entrada que a causou. Ambas, a entrada e a saída devem ser expressas na mesma unidade. 62


3. TIPOS DE CONTROLE 3.1. Controle Manual e Controle Automático Para ilustrar o conceito de controle manual e automático vamos utilizar como processo típico o sistema térmico das Figuras 60 e 61. Inicialmente considere o caso em que um operador detém a função de manter a temperatura da água quente em um dado valor. Neste caso, um termômetro está instalado na saída do sistema, medindo a temperatura da água quente. O operador observa a indicação do termômetro e baseado nela, efetua o fechamento ou abertura da válvula de controle de vapor para que a temperatura desejada seja mantida. Deste modo, o operador é que está efetuando o controle através de sua observação e de sua ação manual, sendo, portanto, um caso de “Controle Manual”. Manual”.

Figura 60 - Controle Manual de um Sistema Térmico

Considere agora o caso da Figura 61, onde no lugar do operador foi instalado um instrumento capaz de substituí-lo no trabalho de manter a temperatura da água quente em um valor desejado. Neste caso, este sistema atua de modo similar ao operador, tendo então um detector de erro, uma unidade de controle e um atuador junto à válvula, que substituem respectivamente os olhos do operador, seu cérebro e seus músculos. Desse modo, o controle da temperatura da água quente é feito sem a interferência direta do homem, atuando então de maneira automática, sendo, portanto um caso de “Controle Automático”. Automático”.

Figura 61 - Controle Automático de um Sistema Térmico

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Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari 3.2. Controle Auto Operado Controle em que a energia necessária para movimentar a parte operacional pode ser obtida diretamente, através da região de detecção, do sistema controlado. Deste modo, este controle obtém toda a energia necessária ao seu funcionamento do próprio meio controlado. Este controle é largamente utilizado em aplicações de controle de pressão e menos comumente no controle de temperatura, nível, etc. A figura 2.5 mostra um exemplo típico de sistema de controle de pressão, utilizando uma válvula auto-operada.

Figura 62 - Controle de pressão mínima Auto-operado.

3.3 Controle em Malha Aberta e Malha Fechada Os sistemas de controle são classificados em dois tipos: sistemas de controle em malha aberta e sistemas de controle em malha fechada. A distinção entre eles é determinada pela ação de controle, que é componente responsável pela ativação do sistema para produzir a saída. a) Sistema de Controle em Malha Aberta É aquele sistema no qual a ação de controle é independente da saída, portanto a saída não tem efeito na ação de controle. Neste caso, conforme mostrado na Figura 63, a saída não é medida e nem comparada com a entrada. Um exemplo prático deste tipo de sistema é a máquina de lavar roupa. Após ter sido programada, as operações de molhar, lavar e enxaguar são feitas baseadas nos tempos pré-determinados. Assim, após concluir cada etapa ela não verifica se esta foi efetuada de forma correta (por exemplo, após ela enxaguar, ela não verifica se a roupa está totalmente limpa).

Figura 63 - Controle em malha aberta.

b) Sistema de Controle em Malha Fechada É aquele no qual a ação de controle depende de algum modo, da saída. Portanto, a saída possui um efeito direto na ação de controle. Neste caso, conforme pode ser visto através da Figura 64, a saída é sempre medida e comparada com a entrada a fim de reduzir o erro e manter a saída do sistema em um valor desejado. Um exemplo prático deste tipo de controle é o controle de temperatura da água de um chuveiro. Neste caso, o homem é o elemento responsável pela medição da temperatura e baseado nesta informação, determinar uma relação entre a água fria e a água quente com o objetivo de manter a temperatura da água no valor por ele tido como desejado para o banho. 64


Figura 64 - Controle em malha fechada.

4. REALIMENTAÇÃO É a característica do sistema de malha fechada que permite a saída ser comparada com a entrada. Geralmente a realimentação é produzida num sistema, quando existe uma seqüência fechada de relações de causa e efeito entre variáveis do sistema. Quando a realimentação se processa no sentido de eliminar a defasagem entre o valor desejado e o valor do processo, esta recebe o nome de realimentação realimentação negativa.

5. DIAGRAMA DE BLOCOS Um sistema de controle pode consistir de vários componentes, o que o torna bastante difícil de ser analisado. Para facilitar o seu entendimento e a fim de mostrar as funções desempenhadas por seus componentes, a engenharia de controle utiliza sempre um diagrama denominado “Diagrama de Blocos”. Diagrama de blocos de um sistema é uma representação das funções desempenhadas por cada componente c omponente e do fluxo de sinais. Assim, conforme podem ser visto na Figura 65, os componentes componentes principais de um sistema são representados por blocos e são integrados por meio de linhas que indicam os sentidos de fluxos de sinais entre os blocos. Estes diagramas são então utilizados para representar as relações de dependência entre as variáveis que interessam à cadeia de controle.

Figura 65 – Diagrama de blocos de um sistema de controle.

6. ATRASOS NO PROCESSO Todo processo possui características que determinam atraso na transferência de energia e/ou massa, o que consequentemente dificulta a ação de controle, visto que elas são inerentes aos processos. 65

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Quando, então, vai se definir o sistema mais adequado de controle, deve-se levar em consideração estas características e suas intensidades. São elas: Tempo Morto, Capacitância e Resistência. 6.1 Tempo Morto É o intervalo de tempo entre o instante em que o sistema sofre uma variação qualquer e o instante em que esta começa a ser detectada pelo elemento sensor. Como exemplo veja o caso do controle de temperatura apresentado na Figura 66. Para facilitar, suponha que o comprimento do fio de resistência R seja desprezível em relação à distância l(m) que o separa do termômetro e que o diâmetro da tubulação seja suficientemente pequeno. Se uma tensão for aplicada em R como sinal de entrada fechando-se a chave S conforme a Figura 67, a temperatura do líquido subirá imediatamente. No entanto, até que esta seja detectada pelo termômetro como sinal de saída, sendo V(m/min) a velocidade de fluxo de líquido, terá passado em tempo dado por L = l/V (min). Este valor L corresponde ao tempo que decorre até que a variação do sinal de entrada apareça como variação do sinal de saída recebe o nome de tempo morto. Este elemento tempo morto dá apenas a defasagem temporal sem variar a forma oscilatória do sinal.

Figura 66 - Exemplo do Elemento Tempo Morto

Figura 67 - Resposta ao Degrau Unitário do Elemento Tempo Morto

7. CAPACITÂNCIA A capacitância de um processo é um fator muito importante no controle automático. É uma medida das características próprias do processo para manter ou transferir uma quantidade de energia ou de material com relação a uma quantidade unitária de alguma variável de referência. Em outras palavras, é uma mudança na quantidade contida, por unidade mudada na variável de referência. Como exemplo veja o caso dos tanques de armazenamento da Figura 68. Neles a capacitância representa a relação entre a variação de volume e a variação de altura do material do tanque. Assim, observe que embora os tanques tenham a mesma capacidade (por exemplo, 100 m3), apresentam capacitâncias diferentes. Neste caso, a capacitância pode ser representada por:

66


Figura 68 – Capacitância com relação á capacidade.

8. RESISTÊNCIA A resistência é uma oposição total ou parcial à transferência de energia ou de material entre as capacitâncias. Na Figura 69, está sendo mostrado o caso de um processo contendo uma resistência e uma capacitância.

Figura 69 – Processo com uma resistência e uma capacitância.

Observação: O efeito combinado de suprir uma capacitância através de uma resistência produz um tempo de retardo na transferência entre capacitâncias. Tal tempo de retardo devido à resistência-capacitância (RC) é frequentemente chamado de “atraso de transferência”.

67


APÊNDICE II – PROCESSOS INDUSTRIAIS 1. INTRODUÇÂO É uma operação ou desenvolvimento natural, que evolui progressivamente, caracterizado por uma série de mudanças graduais que se sucedem uma em relação às outras, de um modo relativamente fixo e objetivando um particular resultado ou meta. No âmbito industrial o termo processo significa uma parte ou um elemento de uma unidade de produção; por exemplo, um trocador térmico que comporta uma regulação de temperatura ou um sistema que objetiva o controle de nível de uma caldeira de produção de vapor. A escolha de que tipo de malha de controle a utilizar implica em um bom conhecimento do comportamento do processo. O nível da caldeira ou a temperatura apresenta uma inércia grande? É estável ou instável? Tem alto ganho? Possui tempo morto? Se todos esses questionamentos estiverem resolvidos você terá condições para especificar uma malha de controle mais apropriada para sua necessidade, em outras palavras, o melhor controle é aquele que é aplicado num processo perfeitamente conhecido.

2. PROCESSOS DE FABRICAÇÃO CONTÍNUA E DESCONTÍNUA 2.1 Processos Contínuos Em um processo contínuo o produto final é obtido sem interrupções como no caso da produção de vapor de uma caldeira. 2.2 Processos Descontínuos Um processo descontínuo é um processo que seu produto final é obtido em uma quantidade determinada após todo o ciclo. A entrada de novas matérias primas só se dará após o encerramento desse circuito.

3. PROCESSOS MONOVARIÁVEIS E MULTIVARIÁVEIS Foi incorporado um sistema de aquecimento no tanque da Figura 70 que utiliza uma resistência R de aquecimento para aquecimento do fluido.

Figura 70 - Malha de Controle de Um Tanque de Aquecimento.

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Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Desta forma podemos evidenciar: 





Variáveis controladas: Nível L no tanque Temperatura Te de saída Variáveis reguladoras: Vazão Qe de entrada Tensão U de alimentação da resistência Variáveis perturbadoras: Temperatura Te de entrada do fluido Vazão de saída Qs.

De uma forma genérica, um processo é dito multivariável quando uma variável reguladora influencia mais de uma variável controlada. Um processo monovariável é um processo que só possui variável reguladora que influencia apenas uma variável controlada. No meio industrial o tipo multivariável é predominante.

4. PROCESSOS ESTÁVEIS E INSTÁVEIS 4.1 Processos Estáveis (ou Naturalmente Estáveis) Consideremos o nível “L” do tanque da Figura 71. A vazão de saída Qs é função do nível “L” (Q k. L s =). Se “L” é constante, implica que Qs está igual a Qe. No instante To, provocamos um degrau na válvula, o nível começará a aumentar provocando também um aumento na vazão de saída Qs. Após um período de tempo o nível estabilizará em um novo patamar N1, isso implicará que a vazão de saída Qs será igual a vazão de entrada Qe. Quando isso ocorre, afirmamos que o processo considerado é um processo estável ou naturalmente estável.

Figura 71 – Exemplo de um processo estável.

4.2 Processos Instáveis (ou Integrador) Modificando o processo anterior com escoamento natural por um forçado, ou seja, acrescentando uma bomba de vazão constante Qs (Figura 72) e repetindo o procedimento anterior observamos que o nível não se estabilizará. Esses processos recebem o nome de processo instáveis ou integrador. 69


Figura 72 – Exemplo de um processo instável.

5. PARÂMETROS DE RESPOSTA DE UM PROCESSO Mostramos anteriormente que a resposta de um processo, há uma determinada excitação, poderá ser do tipo estável ou instável. Nesta seção determinaremos os parâmetros que caracterizam o processo a partir da mesma resposta obtida anteriormente. O conhecimento desses parâmetros nos auxiliará a decidir sobre a otimização da malha de controle. 5.1 Processos Estáveis Considerando o diagrama de um trocador de calor da Figura 73 com o controlador em manual provocamos um degrau “MV” no sinal da variável manipulada e observamos a evolução da temperatura Ts. A resposta obtida é mostrada na Figura 73.

Figura 73 – Exemplo de um trocador térmico.

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Figura 74 – Resposta a um degrau de um processo estável.

Esta forma em “S” é a resposta de um processo estável. O regime transitório (ou simplesmente transitório) é o intervalo de tempo entre o instante To da origem do degrau, até o instante t3 quando PV = PVf. A resposta a um degrau de um processo estável é caracterizada pelos parâmetros da Tabela 11. Tabela 11 – Parâmetros de resposta a um degrau unitário de um processo estável.

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Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Verificaremos, mais adiante, que o conhecimento de Gp, t ea,  nos permite a determinar as ações P, I e D a serem colocadas no controlador da malha. 5.2 Processos Instáveis A resposta a um degrau de um processo instável é dada pela Figura 75. Os parâmetros que caracterizam essa resposta podem ser vista na tabela 12.

Figura 75 – Resposta a um degrau de um processo instável.

Tabela 12 – Parâmetros de resposta a um degrau unitário de um processo instável.

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APÊNDICE III – AÇÕES DE CONTROLE 1. INTRODUÇÃO Foi visto que no controle automático, efetua-se sempre a medição variável controlada (saída), compara-se este valor medido com o valor desejado e a diferença entre estes dois valores é então processada para finalmente modificar ou não a posição do elemento final de controle. O processamento é feito em uma unidade chamada unidade de controle através de cálculos matemáticos. Cada tipo de cálculo é denominado ação de controle e tem o objetivo de tornar os efeitos corretivos no processo em questão os mais adequados. Existem 4 tipos de ações básicas de controle que podem ser utilizados isoladamente ou associados entre si e dois modos de acionamento do controlador. Iniciaremos definindo estes dois modos pares, em seguida iremos estudar cada tipo de ação e suas associações principais.

2. MODOS DE ACIONAMENTO O sinal de saída do controlador depende de diferença entre a variável do processo (PV) e o valor desejado para aquele controle (SP ou SV). Assim, dependendo do resultado desta diferença, a saída pode aumentar ou diminuir. Baseado nisto um controlador pode ser designado a trabalhar de dois modos distintos chamados de “ação direta” e “ação indireta”. 2.1 Ação direta (normal) Dizemos que um controlador está funcionando na ação direta quando um aumento na variável do processo em relação ao valor desejado provoca um aumento no sinal de saída do mesmo. 2.2 Ação indireta (reversa) Dizemos que um controlador está funcionando na “ação reversa” quando um aumento na variável do processo em relação ao valor desejado provoca um decréscimo no sinal de saída do mesmo.

3. TIPOS DE AÇÕES DE CONTROLE 3.1 ON-OF (LIGA-DESLIGA) De todas as ações de controle, a ação em duas posições é a mais simples e também a mais barata, e por isso é extremamente utilizada tanto em sistemas de controle industrial como doméstico. Como o próprio nome indica, ela só permite duas posições para o elemento final de controle, ou seja: totalmente aberto ou totalmente fechado. Assim, a variável manipulada é rapidamente mudada para o valor máximo ou o valor mínimo, dependendo se a variável controlada estar maior ou menor que o valor desejado. Devido a isto, o controle com este tipo de ação fica restrito a processos prejudiciais, pois este tipo de controle não proporciona balanço exato entre entrada e saída de energia. Para exemplificar um controle ON-OFF, recorremos ao sistema de controle de nível mostrado na Figura 76. Neste sistema, para se efetuar o controle de nível utiliza-se um flutuado para abrir e fechar o contato (S) energia ou não o circuito de alimentação da bobina de uma válvula do tipo solenóide. Este solenóide estando energizado permite passagem da vazão máxima e estando desenergizado bloqueia totalmente o fluxo do líquido para o tanque. Assim este sistema efetua o controle estando sempre em uma das posições extremas, ou seja, totalmente aberto ou totalmente fechado.

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Figura 76 – Sistema ON-OFF de controle de nível.

Observe que neste tipo de ação vai existir sempre um intervalo entre o comando “liga” e o comando “desliga”. Este intervalo diferencial faz com que a saída do controlador mantenha seu valor presente até que o sinal de erro tenha se movido ligeiramente além do valor zero. Em alguns casos este intervalo é proveniente de atritos e perdas de movimento não intencionalmente introduzido no sistema. Entretanto, normalmente ele é introduzido com a intenção de evitar uma operação de liga-desliga mais freqüente o que certamente afetaria na vida útil do sistema. A Figura 77 mostra através do gráfico, o que vem a ser este intervalo entre as ações liga/desliga.

Figura 77 – Intervalo entre as ações liga/desliga.

O fato de este controle levar a variável manipulada sempre a uma das suas posições extremas faz com que a variável controlada oscile continuamente em torno do valor desejado. Esta oscilação varia em freqüência e amplitude em função do intervalo entre as ações e também em função da variação da carga. Com isto, o valor médio da grandeza sob controle será sempre diferente do valor desejado, provocando o aparecimento de um desvio residual denominado erro de “off-set”. (vide Figura 78).

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Figura 78 – Erro de Off-Set.

3.1.1 Características básicas do controle ON-OFF Basicamente todo controlador do tipo ON-OFF apresenta as seguintes características:    

A correção independe da intensidade do desvio; O ganho é infinito; Provoca oscilações no processo; Deixa sempre erro de off-set.

3.2 AÇÃO PROPORCIONAL Foi visto anteriormente, que na ação liga-desliga, quando a variável controlada se desvia do valor ajustado, o elemento final de controle realiza um movimento brusco de ON (liga) para OFF (desliga), provocando uma oscilação no resultado de controle. Para evitar tal tipo de movimento foi desenvolvido um tipo de ação no qual a ação corretiva produzida por este mecanismo é proporcional ao valor do desvio. Tal ação denominou-se ação proporcional. A Figura 79 indica o movimento do elemento final de controle sujeito apenas à ação de controle proporcional em uma malha aberta, quando é aplicado um desvio em degrau num controlador ajustado para funcionar na ação direta.

Figura 79 – Movimento do elemento final de controle.

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Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari A ação proporcional pode ser determinada pela seguinte equação: MV = KP. DV + SO

(1)

Onde: MV = Sinal de saída do controlador KP = Constante de proporcionalidade ou ganho proporcional DV = Desvio = |VP - SV| SO = Sinal de saída inicial VP = Variável do processo (PV) SP = SV = Valor Setado (Desejado) Note que mesmo quando o desvio é zero, há um sinal SO saindo do controlador cuja finalidade é a de manter o elemento final de controle na posição de regime. E mais, para se obter o controle na ação direta ou reversa, basta mudar a relação de desvio. Assim, para DV = (PV - SV) tem-se a ação direta e DV = (SV - PV) tem-se a ação reversa. Um exemplo simples de controle utilizando apenas a ação proporcional é o mostrado na Figura 80, onde a válvula de controle é aberta ou fechada proporcionalmente à amplitude do desvio.

Figura 80 – Exemplo de um sistema simples de ação proporcional.

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Figura 81 – Controle pela ação proporcional.

Para melhor explicar este exemplo, considera-se que a válvula esteja aberta em 50% e que o nível do líquido deva ser mantido em 50 cm de altura. E ainda, a válvula tem seu curso total conforme indicado na Figura 81. Neste caso, o ponto suporte da alavanca deve estar no ponto b para que a relação ab : bc = 1:100 seja mantida. Então, se o nível do líquido descer 1 cm, o movimento da válvula será 1/10, abrindo-se 0,1 cm a mais. Deste modo, se o nível do líquido descer 5 cm a válvula ficará completamente aberta. Ou seja, a válvula se abrirá totalmente quando o nível do líquido atingir 45 cm. Inversamente, quando o nível atingir 55 cm, a válvula se fechará totalmente. Pode-se, portanto concluir que a faixa na qual a válvula vai da situação totalmente aberta para totalmente fechada, isto é, a faixa em que se realiza a ação proporcional será 10 cm. A seguir, se o ponto de apoio for transportado para a situação b’ e a relação passar a ser a.b' : b' .c = 1 : 20 , o movimento da válvula será 1/20 do nível do líquido se este descer 1cm. Neste caso, a válvula estará totalmente aberta na graduação 40 cm e totalmente fechada em 60 cm e então, a faixa em que a válvula passa de totalmente aberta para totalmente fechada será igual a 20 cm. Assim, não é difícil concluir que a relação entre a variação máxima da grandeza a ser controlada e o curso total da válvula depende neste caso, do ponto de apoio escolhido. Este ponto de apoio vai determinar uma relação de proporcionalidade. E como existe uma faixa na qual a proporcionalidade é mantida, esta recebe o nome de faixa proporcional (também chamada de Banda Proporcional). 3.2.1 Faixa Proporcional É definida como sendo a porcentagem de variação da variável controlada capaz de produzir a abertura ou fechamento total da válvula. Assim, por exemplo, se a faixa proporcional é 20%, significa que uma variação de 20% no desvio produzirá uma variação de 100% na saída, ou seja, a válvula se moverá de totalmente aberta par totalmente fechada quando o erro variar 20% da faixa de medição. A Figura 82 mostra a relação entre a abertura da válvula e a variável controlada.

77


Figura 82 – Faixas proporcionais.

Observando a Figura 82 chega-se a conclusão de que “quanto menor a faixa proporcional, maior será o movimento da válvula em relação ao mesmo desvio e, portanto, mais eficiente será a ação proporcional”.

Porém, se a faixa proporcional for igual á zero, a ação proporcional deixa atuar, passando então a ser um controle de ação liga-desliga. Então, podemos concluir que existe uma relação bem definida entre a faixa proporcional (FP) e o ganho proporcional (Kp). Esta relação pode ser expressa da seguinte forma: (2) 3.2.2 Erro de Off-Set Verificamos até aqui que ao introduzirmos os mecanismos da ação proporcional, eliminamos as oscilações no processo provocadas pelo controle liga-desliga, porém o controle proporcional não consegue eliminar o erro de off-set, visto que quando houver um distúrbio qualquer no processo, a ação proporcional não consegue eliminar totalmente a diferença entre o valor desejado e o valor medido (variável controlada), conforme pode ser visto na Figura 83.

Figura 83 – Resultado do controle de ação proporcional.

Para melhor esclarecer como aparece este erro de “off-set”, voltemos à Figura 81. Para tal, suponha que a válvula esteja aberta em 50% e que a variável controlada (nível) esteja igual ao valor desejado (50 cm, por exemplo). Agora, suponha que ocorra uma variação de carga fazendo com que a vazão de saída aumente. 78

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari O nível neste caso descerá e, portanto, a bóia também, abrindo mais a válvula de controle e assim aumentando a vazão de entrada até que o sistema entre em equilíbrio. Como houve alteração nas vazões de saída e de entrada de líquido, as condições de equilíbrio sofreram alteração e este será conseguido em outra posição. Esta mudança na posição de equilíbrio então provocará o aparecimento de uma diferença entre os valores medidos e desejados. Esta diferença permanecerá constante enquanto nenhum outro distúrbio acontecer, já que a ação proporcional só atua no momento em que o distúrbio aparece. Uma observação importante que deve ser feita é de que o valor do erro off-set depende diretamente da faixa proporcional, tornando assim cada vez menor à medida que a faixa proporcional diminuiu. No entanto, à medida que a faixa proporcional diminuiu, aumenta a possibilidade do aparecimento de oscilações, sendo, portanto, importante estar atento quando escolher a faixa proporcional de controle. 3.2.3 Características básicas do controle proporcional Basicamente todo controlador do tipo proporcional apresenta as seguintes características:   

Correção proporcional ao desvio Existência de uma realimentação negativa Deixa erro de off-set após uma variação de carga.

3.3 AÇÃO INTEGRAL Ao utilizar o controle proporcional, conseguimos eliminar o problema das oscilações provocadas pela ação ON-OFF e este seria o controle aceitável na maioria das aplicações se não houvesse o inconveniente da não eliminação do erro de off-set sem a intervenção do operador. Esta intervenção em pequenos processos é aceitável, porém em grandes plantas industriais, isto se torna impraticável. Para resolver este problema e eliminar este erro de off-set, desenvolveu-se uma nova unidade denominada ação integral. A ação integral vai atuar no processo ao longo do tempo enquanto existir diferença entre o valor desejado e o valor medido. Assim, o sinal de correção é integrado no tempo e por isto enquanto a ação proporcional atua de forma instantânea quando acontece um distúrbio em degrau, a ação integral vai atuar de forma lenta até eliminar por completo o erro. Para melhor estudarmos como atua a ação integral em um sistema de controle, recorremos à Figura 84, onde está sendo mostrado como se comporta esta ação quando o sistema é sensibilizado por um distúrbio do tipo degrau em uma malha aberta. Observe que a resposta da ação integral foi aumentando enquanto o desvio esteve presente, até atingir o valor máximo do sinal de saída (até entrar em saturação). Assim, quanto mais tempo o desvio perdurar, maior será à saída do controlador e ainda se o desvio fosse maior, sua resposta seria mais rápida, ou seja, a reta da Figura 84 seria mais inclinada.

79


Figura 84 – Resposta da ação integral ao distúrbio em degrau.

Percebemos então que a resposta desta ação de controle é função do tempo e do desvio e deste modo podemos analiticamente expressá-la pela seguinte equação: (3) Onde: ds/dt = Taxa de variação de saída do controlador DV = desvio KI = ganho integral ou taxa integral. Na maioria das vezes o inverso de KI, chamado de tempo integral integral.

é usado para descrever a ação

[Ti = tempo necessário para que uma repetição do efeito proporcional seja obtida, sendo expresso em minuto por repetição (MPR) ou segundo por repetição (SPR)]. Integrando a equação acima, nós encontramos a saída atual do controlador em qualquer tempo como:

(4) Onde: MV(t) = saída do controlador para um tempo t qualquer So = saída do controlador para t = o Esta equação mostra que a saída atual do controlador MV(t), depende do histórico dos desvios desde quando este começou a ser observado em t = 0 e, por conseguinte ao ser feita a correção do desvio, esta saída não mais retornará ao valor inicial, como ocorre na ação proporcional. Podemos ver pela equação (3), por exemplo, que se o desvio dobra, a razão de saída do controlador muda em dobro também. A constante KI significa que pequenos desvios produzem uma grande relação de mudanças de S e vice-versa. A Figura 85.a ilustra graficamente a relação ente S, a razão de mudança e o desvio para dois diferentes valores de KI. 80

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari A Figura 85.b mostra como, para um desvio em degrau, os diferentes valores para MV como função, do tempo conforme foi estabelecido pela equação (3). Portanto, podemos concluir que a rápida razão gerada por KI causa uma saída do controlador muito maior para um particular tempo depois que o desvio é gerado.

Figura 85 a) e b) – Ação de controle integral.

3.3.1 Características básicas do controle integral: As principais características do controle integral são:    

Correção depende não só do erro, mas também do tempo em que ele perdurar. Ausência do erro de off-set. Quanto maior o erro maior será velocidade de correção. No controle integral, o movimento da válvula não muda de sentido enquanto o sinal de desvio não se inverter.

3.4 AÇÃO PROPORCIONAL + INTEGRAL (AÇÃO P+ I) Esta é a ação de controle resultante da combinação da ação proporcional e a ação integral. Esta combinação tem por objetivos principais, corrigir os desvios instantâneos (proporcional) e eliminar ao longo do tempo qualquer desvio que permaneça (integral). Matematicamente esta combinação é obtida pela combinação das equações (1) e (4), sendo então: (5) Na prática, como sempre desejamos conhecer a saída para um determinado tempo conhecido e um erro constante; podemos representar esta equação (5) pela: (6) 81

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Onde: T = tempo para o qual se deseja saber a saída MV. A Figura 86 mostra como esta combinação faz atuar o elemento final de controle quando a variável controlada sofre um desvio em degrau em malha aberta. Em (b) temos o caso em que o controlador está ajustado apenas para atuar na ação proporcional, em (c) ele está ajustado para atuar na ação integral e finalmente em (d) temos as duas ações atuando de forma combinada.

Figura 86 b), c) e d) – Respostas em malha aberta das ações: P, I, P+I.

Vejamos agora o gráfico da Figura 87 que representa o sinal de saída de um controlador (P+I) sujeito a um distúrbio, em malha aberta, que após um determinado tempo é eliminado. Observe que neste caso, depois de cessado o distúrbio, a saída do controlador não mais retorna ao valor inicial. Isto acontece porque devido à atuação da ação integral, uma correção vai sendo incrementada (ou decrementada) enquanto o desvio permanecer. Observe que o sinal de correção é sempre incrementado (ou decrementado) enquanto o desvio se mantém no mesmo sentido.

82


Figura 87 – Resposta em malha aberta da ação P+I.

3.5 AÇÃO DERIVATIVA (AÇÃO D) Vimos até agora que o controlador proporcional tem sua ação proporcional ao desvio e que o controlador integral tem sua ação proporcional ao desvio versus tempo. Em resumo, eles só atuam em presença do desvio. O controlador ideal seria aquele que impedisse o aparecimento de desvios, o que na prática seria difícil. No entanto, pode ser obtida a ação de controle que reaja em função da velocidade do desvio, ou seja, não importa a amplitude do desvio, mas sim a velocidade com que ele aparece. Este tipo de ação é comumente chamado de ação derivativa. Ela atua, fornecendo uma correção antecipada do desvio, isto é, no instante em que o desvio tende a acontecer ela fornece uma correção de forma a prevenir o sistema quanto ao aumento do desvio, diminuindo assim o tempo de resposta. Matematicamente esta ação pode ser representada pela seguinte equação: (7) Onde: dt = Taxa de variação do desvio SO = Saída para desvio zero Td = Tempo derivativo. O tempo derivativo, também chamado de ganho derivativo, significa o tempo gasto para se obter a mesma quantidade operacional da ação proporcional somente pela ação derivativa, quando o desvio varia numa velocidade constante. As características deste dispositivo podem ser notadas através dos gráficos da Figura 88. No caso (a), houve uma variação em degrau, isto é, a velocidade de variação foi infinita. Neste caso a ação derivativa que é proporcional à velocidade desvio causou uma mudança brusca considerável na variável manipulada. No caso (b), está sendo mostrada a resposta da ação derivativa para a situação na qual o valor medido é mudado numa razão constante (rampa). A saída derivativa é proporcional à razão de mudança deste desvio. Assim, para uma grande mudança, temos uma maior saída do desvio à ação derivativa.

83


Figura 88 – Resposta da ação derivativa a uma mudança da variável de processo.

Analisaremos agora a Figura 89 que mostra a saída do controlador em função da razão de mudança de desvio. Observe que para uma dada razão de mudança do desvio, existe um único valor de saída do controlador.

Figura 89 – Ação de controle derivativa onde uma saída de 50% foi assumida para o estado derivativo zero.

3.5.1 Características básicas do controle derivativo As principais características do controle derivativo são:   

A correção é proporcional à velocidade de desvio. Não atua caso o desvio for constante. Quanto mais rápida a razão de mudança do desvio, maior será a correção.

4.6 - AÇÃO PROPORCIONAL + INTEGRAL + DERIVATIVA (PID) O controle proporcional associado ao integral e ao derivativo, é o mais sofisticado tipo de controle utilizado em sistemas de malha fechada. A proporcional elimina as oscilações, a integral elimina o desvio de off-set, enquanto a derivativa fornece ao sistema uma ação antecipativa evitando previamente que o desvio se torne maior quando o processo se caracteriza por ter uma correção lenta comparada com a velocidade do desvio (por exemplo, alguns controles de temperatura). A Figura 90 mostra dois tipos de desvios que aparecem num processo e como cada ação atua neste caso. 84

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Em (a), houve um desvio em degrau e a ação derivativa atuou de forma brusca fornecendo uma grande quantidade de energia de forma antecipada no sistema, que pode acarretar em instabilidade no sistema, pois o sistema responde de forma rápida ao distúrbio. Já em (b), ocorreu um desvio em rampa, ou seja, numa velocidade constante e a ação derivativa só irá atuar no ponto de inflexão quando aconteceu fornecendo também uma energia antecipada no sentido de acelerar a correção do sistema, pois agora se pode observar que o sistema reage de forma lenta quando ocorre o distúrbio.

Figura 90 – Movimento do elemento de controle pela ação PID.

Como este controle é feito pela associação das três ações de controle, a equação matemática que o representa será: (8) Onde: E = DV = desvio KD = TD = ganho derivativo (tempo derivativo). Esta equação na prática pode ser simplificada para: (9) Onde: T = tempo Vc = velocidade do desvio.

85

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari 4.7 - QUADRO COMPARATIVO ENTRE O TIPO DE DESVIO E A RESPOSTA DE CADA AÇÃO Na Figura 91, estão sendo mostradas formas de resposta das ações de controle sozinhas ou combinadas, após a ocorrência de distúrbios em degrau, pulso, rampa e senoidal, sendo que o sistema se encontra em malha aberta.

Figura 91 – Resposta das ações de controle a diversos tipos de distúrbios (malha aberta).

APÊNDICE IV – TIPOS DE CONTROLE AUTOMÁTICO 1. INTRODUÇÂO A maioria das malhas de controle possui uma única variável controlada. A minoria dos sistemas mais complexos requer o controle mais avançado, envolvendo mais de uma variável, ora para manipular mais de um elemento final de controle, ora para monitorar mais de uma variável controlada. Os sistemas de controle mais usados para atender aos sistemas complexos são: controle em cascata, paralelo, faixa dividida, auto-seletor, adaptativo e não-linear. Veremos os mais usados.

2. Controle “Tipo Feedback” Nesse tipo de regulação automática, a ação de correção (mV) é produzida com função das diferenças entre a variável do processo e o set-point. A correção não mudará o seu sinal até que o desvio não mude. A correção c orreção é cessada quando PV=SP. Na Figura 92, pode-se observar o esquema de regulação em malha fechada de um trocador de calor. Essa regulação tem como objetivo manter a temperatura de saída Ts igual ao set-point (SP). Nota-se na figura o comportamento da malha quando sujeita as perturbações:  

Mudança de Set-Point (caso servo); Variação de carga Qc (caso regulador). 86


Figura 92 – Malha de controle fechada.

3. CRITÉRIOS DE PERFORMANCE E COMPORTAMENTO DAS AÇÕES PID EM MALHA FECHADA. O que é um bom controle? Existem alguns critérios para se analisar a qualidade de desempenho de um controlador. A escolha de um critério depende do processo em análise. O que é o melhor desempenho para um processo pode não ser para outro. Veremos nos próximos parágrafos qual o critério a usar em casos determinados. Todos estes critérios referem-se à forma e a duração da curva de reação depois de um distúrbio. 3.1 Critério da Taxa de Amortecimento ou Área Mínima De acordo com este critério, a área envolvida pela curva de recuperação deverá ser mínima ver Figura 93. Quando esta área é mínima, o desvio correlaciona a menor amplitude entre dois picos sucessivos é 0,25. Isto é, cada onda será um quarto da precedente. Este critério é o mais usado de qualidade de controle ou estabilidade. Ele se aplica especialmente aos processos onde a duração do desvio é tão importante quanto a amplitude do mesmo. Por exemplo, em determinado processo, qualquer desvio além de uma faixa estreita pode ocasionar um produto fora de especificação. Neste caso, o melhor controle será aquele que permite os afastamentos desta faixa pelo tempo mínimo.

Figura 93 – Curva do critério da área mínima.

3.2 Critério de Distúrbio Mínimo De acordo com este critério, as ações de controle deverão criar o mínimo de distúrbio à alimentação do agente de controle e a saída do processo. Isto requer geralmente curvas de recuperação não cíclicas similares a curva da Figura 94. Este critério aplica-se a malhas de controle onde as ações corretivas constituem distúrbios aos processos associados. Por exemplo, correção repentina ou cíclica a uma válvula de controle de vapor pode desarranjar a alimentação de vapor e causar sérios distúrbios a outros processos alimentados pela mesma linha. 87

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari Do mesmo modo toda vez que se tenha uma condição onde a saída de um processo é a entrada de outro, as variações repentinas ou cíclicas de saída do primeiro processo pode ser uma mudança de carga intolerável para o segundo.

Figura 94 – Curva do critério do distúrbio mínimo.

3.3 Critério da Amplitude Mínima De acordo com este critério, a amplitude do desvio deverá ser mínima. A Figura 95 mostra a curva. Este critério aplica-se especialmente aos processos onde o equipamento ou o produto podem ser danificados por desvios excessivos, mesmo sendo de pouca duração.

Figura 95 – Curva do critério da amplitude mínima.

Aqui, a amplitude do desvio é mais importante que sua duração. Por exemplo, na fundição de determinadas ligas metálicas, especialmente as de alumínio, uma ultrapassagem mesmo temporária de temperatura pode queimar o metal e reduzir consideravelmente sua qualidade. Um outro processo desta espécie é o da nitração do tolueno na fabricação de TNT (explosivo). Aqui, se tolerasse que as temperaturas se afastassem de 5ºF do set-point, uma grande reação exotérmica ocorreria capaz da destruição total do equipamento da fábrica. Para tais processos, as ações de controle devem ser escolhidas e ajustadas de maneira a produzir os desvios de menor amplitude. 4. CONTROLE EM CASCATA O controle em cascata é implementado quando a malha de controle simples já não responde satisfatoriamente, principalmente em processos de grande inércia e quando o processo possui uma contínua perturbação na variável regulante. No controle em cascata normalmente encontra-se duas variáveis de processo, dois controladores e um elemento final de controle. Veremos na Figura 96 um exemplo de um controle em cascata com a malha escrava regulando a vazão de vapor e malha mestre regulando a temperatura de saída.

88


Figura 96 – Controle em cascata de um trocador de calor.

Há duas vantagens distintas obtidas no controle em cascata. São elas: 1 – os distúrbios que afetam a variável secundária podem ser corrigidos pelo controlador secundário antes que uma grande influencia seja sentida pela variável primaria. 2 – Fechando a malha de controle em torno da parte secundaria do processo reduz-se o atraso de fase visto pelo controlador primário, resultando numa maior velocidade de resposta. 4.1 Características do controle em cascata O controle em cascata divide o processo em duas partes, duas malhas fechadas dentro de uma malha fechada. O controlador primário vê uma malha fechada como parte do processo. Idealmente, o processo deve ser dividido em duas metades, de modo que a malha secundaria seja fechada em torno da metade dos tempos de atraso do processo. Para ótimo desempenho, os elementos dinâmicos no processo devem também ser distribuídos equitativamente entre os dois controladores. É fundamental a escolha correta das duas variáveis do sistema de cascata, sem a qual o sistema não funciona ou não se estabiliza. 1 – A variável primaria deve ser mais lenta que a variável secundaria; 2 – A resposta da malha do controlador secundário deve ser mais lenta que a do primário; 3 – O período natural da malha primaria deve ser maior do que a secundária; 4 – O ganho dinâmico da malha primaria dever ser menor que a secundária; 5 – A banda proporcional do controlador primário deve ser mais larga que a do controlador secundário; 6 – A banda proporcional do controlador primário deve ser mais larga que o valor calculado para o seu uso isolado. Quando o período das malhas primaria e secundárias são aproximadamente iguais, o sistema de controle fica instável, por causa das variações simultâneas do ponto de ajuste e da medição da malha secundaria. Usualmente o controlador primário é do tipo PID ou PI e o secundário é PI. As combinações típicas das variáveis, primária e secundária no controle em cascata são: temperatura e vazão, composição e vazão, nível e vazão, temperatura e pressão, temperatura lenta e temperatura rápida. 89

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari 5. CONTROLE DE FAIXA DIVIDIDA (SPLIT RANGE) O controle consiste de um único controlador manipulando dois ou mais elementos finais de controle. No controle de faixa dividida é mandatório o uso do posicionador da válvula. Os posicionadores são ajustados e as ações das válvulas são escolhidas de modo que os elementos finais de controle não são manipulados simultaneamente. Quando um estiver sendo manipulado, o outro estará desligado, ambos podem ser desligados, mas nunca podem estar ligados ao mesmo tempo. A maioria das malhas de controle de faixa dividida envolve a manipulação de agentes de aquecimento e de resfriamento. 6. CONTROLE AUTO-SELETOR È também chamado de controle limite, over ride ou cut-back. Consiste em usar um único elemento final de controle manipulado por um controlador, selecionando automaticamente entre dois ou mais controladores. Tendo-se duas ou mais variáveis medidas, aquela que estiver em seu valor critico assume o controle do processo. 6.1 Características O sistema de controle auto-seletor, qualquer que seja o seu enfoque, sempre possui os seguintes componentes: 1 – duas ou mais malhas de controle, com os transmissores de medição e os controladores; 2 – um seletor de sinais, de mínimo ou de máximo. O seletor eletrônico de sinais pode receber até quatro sinais simultâneos. O seletor pneumático só pode receber dois sinais de entrada e são usados (n-1) seletores quando se utilizam n controladores pneumáticos. 3 – um único elemento final de controle; 4 – opcionalmente, o sistema pode ter uma estação manual de controle, para a partida suave. Há sistemas que provem todos os controladores com a opção de seleção e atuação automático-manual. 7. CONTROLE DE RELAÇÃO Este sistema mantém uma relação entre duas variáveis para fornecer uma regulação de uma terceira variável. Os sistemas de relação são usados principalmente para a mistura de ingredientes em um produto ou como controle de alimentação de um reator, por exemplo. Os sistemas de relação realmente retratam a forma mais elementar de controle preditivo antecipatório. Este controle é também chamado de razão ou proporção. O controle de relação é também um sistema unitário de controle, que consiste se manter uma proporção fixa e determinada entre duas variáveis. 7.1 Características A maioria das aplicações se refere ao sistema de relação de vazões ou de quantidades. O sistema pode envolver mais de duas substâncias. Tipicamente o ganho ou a relação de uma estação de relação é ajustado entre 0,3 a 3,0. A soma das relações deve ser constante, de modo que quando um componente aumenta o outro deve diminuir correspondentemente. A soma das relações é sempre igual a 100%. Quando as medições das vazões são feitas através de placas de orifício, a relação entre a pressão diferencial e a vazão é não-linear, o ganho da estação de relação é o quadrado do ajuste de relação. Portanto, o ajuste de relação é a raiz quadrada do ganho e, portanto, variável entre 0,6 a 1,7. 90

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari O controle de relação, também pode ser considerado um caso simplificado de controle preditivo antecipatório. As medições são feitas na entrada do sistema e as variações da vazão não controlada causam mudança da variável controlada. 8. CONTROLE FEED FORWARD Para situações nas quais o controle feedback não é satisfatório, melhoras significativas no controle podem ser conseguidas pela adição do controle feedforward. No entanto, para usar este tipo de controle, as perturbações devem ser medidas ou estimadas on-line. A idéia básica do controle feedforward é medir as principais perturbações e tomar as ações corretivas antes que elas perturbem o processo. O controle FeedFoward também é conhecido por:   

Regulação em malha aberta Regulação preditiva Controle por antecipação

A figura 97 representa uma malha de controle que associa uma malha fechada a uma malha aberta, esse último, no entanto, raramente utilizado sozinho.

Figura 97 – Controle Feed Forward.

O somador FY2 é necessário para associar a malha aberta com a malha fechada. A malha aberta fornece uma correção na vazão de combustível instantaneamente para qualquer variação em QC. De modo que sua repercussão não perturbe a variável controlada Ts. O controle Feed Forward se justifica se a variável perturbadora (QC) provoca grandes variações na variável do processo Ts.

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EXERCÍCIOS PROPOSTOS 1) Qual é a diferença entre Variável do Processo (VP) e Variável Manipulada (MV)? 2) Como pode ser classificado um controle em relação a sua ação? 3) Conceitue: a) Controle Manual b) Controle Automático c) Controle Auto-operado 4) Quais as características inerentes de cada processo, que determinam atrasos na transferência de energia e consequentemente dificultam a ação de controle? Defina-as. 5) Como podemos caracterizar um processo como instável ou estável? 6) Quais são os modos de acionamento existentes? 7) Quais são as características básicas de um controle ON-OFF? 8) O que é Faixa Proporcional? 9) Quais são as características básicas de um controle proporcional? 10) Quais são as características básicas de um controle integral? 11) Quais são as características básicas de um controle derivativo? 12) Um controlador integral é usado para controle de nível, estando o valor desejado ajustado para 12 metros e sendo a faixa de medição de 10 a 15 metros. A saída do controlador é inicialmente 22%, sua ação é direta e está ajustada com Ki = 0,15 rpm. Qual é a saída do controlador após 2 segundo, se o nível sofre um desvio em degrau e passa para 13,5 metros? 13) Numa bancada de teste (malha aberta), um controlador PI, ação direta, se encontra com VP = SV e saída estável em 8,00 mA. A sua faixa proporcional está ajustada em 100% e o ganho integral em 3 rpm. Em um instante qualquer foi introduzido um desvio em degrau de 10%, fazendo-se VP > SV. Ao final de 15 segundos, o desvio foi anulado voltando-se a ter VP=SP. Qual seria a saída do controlador 3 minutos após ter sido introduzido o erro? 14) Um transmissor envia um sinal de 11,20 mA para um controlador proporcional cujo valor setado está ajustado para 12,00 mA. O controlador envia então um sinal de 6,80 mA para o posicionador. Nestas condições e supondo que inicialmente So = 12 mA, em qual faixa proporcional o controlador está ajustado? 15) Num controlador proporcional estando a variável do processo igual ao valor desejado, o que acontece com a saída se alterarmos o ganho de 1 para 2? 16) Qual é a saída do controlador PI quando VP=SV? 17) Um controlador PI de ação direta estava em condições abaixo quando foi introduzido um desvio e VP passou a ser 40%. Qual será a nova saída 10 segundos após ter sido introduzido o desvio? Condições Iniciais: VP = 30% ; SP = SV = 30%; FP = 50%; Ki = 3 rpm e So = 0,4 Kgf/cm2 18) A saída de um controlador PI está equilibrada e estável numa bancada de teste. Introduzindo-se um desvio de 10%, 15 segundos após, a saída atinge 17,6 mA. Introduzindo-se o mesmo desvio em sentido contrário, s saída atinge 6,4 mA no final do mesmo tempo. Considerando que a faixa proporcional ajustada é igual a 50%, qual é o ganho integral utilizado no teste? 19) O que um controle tipo Feedback? 20) Quais são os critérios de performance e comportamento das ações PID em malha fechada? Defina-os. 21) O que é um controle em cascata? 22) O que é um controle Feed Foward? 23) O que é um controle Split Range? 24) O que é um protocolo de comunicação? Cite 6 exemplos de protocolos utilizados na industria. 25) Cite os níveis de aplicação dos protocolos, mencionados na questão anterior. 26) O que é um protocolo de comunicação aberto? Quais as vantagens de se usar eles. 27) Porque o cada protocolo possui o uso limitado de dispositivos em seus barramentos? 92

Centro de Educação Tecnológica do Estado da Bahia Unidade de Camaçari 28) O que pode ocasionar na rede, o uso de uma quantidade excessiva de dispositivos e a ausência dos terminadores no final de cada barramento? 29) Qual a vantagem do aparecimento das redes de automação industrial, fazendo uma analogia com o sistema antigo de automação. 30) O que você entende por controle descentralizado, totalmente no campo. 31) O que você entende por gerenciamento de ativos. 32) O que é um PLC? Qual sua função num sistema supervisório? 33) O que você entende por intertravamento? 34) Descreva o que é um SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído). 35) Para que serve a programação LADDER? Elabore o acionamento de uma bomba em LADDER. 36) Qual a diferença entre o controle Feedback e o Controle Feedforward? 37) O que você entende por realimentação negativa? Cite um exemplo. 38) O que você entende por realimentação positiva? Cite um exemplo. 39) O que é um sistema de rede híbrido? 40) O que você entende por: a) Variabilidade; b) Precisão; c) Exatidão.

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Automação Industrial II

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