quinta-feira, 29 de julho de 2010

INVERSORES & SOFT-STARTER

MUDANÇAS DE VELOCIDADE (motor de indução trifásico)

A velocidade do motor é dependente da velocidade do campo girante. Desta forma a velocidade do motor pode então ser alterada através da mudança:

• do número de pólos (por exemplo, motores de dois enrolamentos);
• do escorregamento do motor (por exemplo, motor com rotor bobinado);
• da freqüência, f, da alimentação do motor.


INVERSORES DE FREQUÊNCIA – DESCRIÇÃO DO FUNCIONAMENTO.

Desde meados da década de 60, os conversores de freqüência têm passado por várias e rápidas mudanças, principalmente pelo desenvolvimento da tecnologia dos microprocessadores e semicondutores e a redução dos seus preços. Entretanto, os princípios básicos dos conversores de freqüência continuam o mesmo.

Um inversor de freqüência é um dispositivo capaz de gerar uma tensão e freqüência trifásica ajustáveis, com a finalidade de controlar a velocidade de um motor de indução trifásico.

CURVA V/F

Como vimos anteriormente, se variarmos a frequência da tensão de saída no inversor , alteramos na mesma proporção, a velocidade de rotação do motor.

Normalmente, a faixa de variação de frequência dos inversores fica entre 0,5 e 400 Hz, dependendo da marca e modelo. (Obs: para trabalhar em frequências muito altas, o motor deve ser “preparado”). A função do inversor de frequência, entretanto, não é apenas controlar a velocidade de um motor AC. Ele precisa manter o torque (conjugado) constante para não provocar alterações na rotação quando o motor estiver com carga. Um exemplo clássico desse problema é em uma máquina operatriz. Imaginem um inversor controlando a velocidade de rotação de uma placa (parte da máquina onde a peça a ser usinada é fixada) de um torno. Quando introduzimos a ferramenta de corte, uma carga mecânica é imposta ao motor, que deve manter a rotação constante. Caso a rotação se altere, a peça pode apresentar um mau acabamento de usinagem. Para que esse torque realmente fique constante, por sua vez, o inversor deve manter a razão V/F (Tensão / Frequência) constante. Isto é, caso haja mudança de frequência, ele deve mudar (na mesma proporção) a tensão, para que a razão se mantenha, como por exemplo:

F = 50Hz

V = 300V

V/F = 6

• Situação 1:

O inversor foi programado para enviar 50 Hz ao motor, e sua curva V/F está parametrizada em 6. Automaticamente, ele alimenta o motor com 300 V;

F = 60Hz

V = 360V

V/F = 6

• Situação 2:

O inversor recebeu uma nova instrução para mudar de 50 Hz para 60 Hz. Agora a tensão passa a ser 360 V e a razão V/F mantém-se em 6. Acompanhe a curva mostrada na figura abaixo:



O valor de V/F pode ser programado (parametrizado) em um inversor, e seu valor dependerá da aplicação. Quando o inversor necessita de um grande torque, porém não atinge velocidade muito alta, atribuímos a ele o maior V/F que o equipamento puder fornecer, e desse modo ele terá um melhor rendimento em baixas velocidades, além de alto torque. Já no caso em que o inversor deva operar com altas rotações e com torques não tão altos, parametrizamos um V/F menor e encontraremos o melhor rendimento para essa outra situação. Mas, como o inversor pode mudar a tensão V se ela é fixada no barramento DC, através da retificação e filtragem da própria rede?

O inversor altera a tensão V oriunda do barramento DC, através da modulação por largura de pulso (PWM). A unidade lógica, além de distribuir os pulsos aos IGBT's do modo já estudado, também controla o tempo em que cada IGBT permanece ligado (ciclo de trabalho).

Quando V tem que aumentar ,os pulsos são “alargados” (maior tempo em 0N)
Quando V tem que diminuir, os pulsos são “estreitados”.

Dessa forma, a tensão eficaz entregue ao motor pode ser controlada. A frequência de PWM também pode ser parametrizada, e geralmente encontrasse entre 2,5 kHz e 16 kHz. Na medida do possível, devemos deixa-lá próxima do limite inferior pois assim diminuímos as interferências eletromagnéticas geradas pelo sistema (EMI).

INVERSOR VETORIAL

Podemos classificar os inversores em dois tipos: inversores escalares e vetoriais. Os escalares e vetoriais possuem a mesma estrutura de funcionamento, mas a diferença esta no modo em que o torque é controlado. Nos inversores escalares, como dissemos anteriormente, a curva V/F é fixada (parametrizada), tomando como base o tipo de regime de trabalho em que o inversor irá operar. Existe, porém, uma condição problemática que é justamente o ponto crítico de qualquer sistema de acionamento AC: as baixas rotações. O sistema AC não consegue um bom torque com velocidades baixas, devido ao próprio rendimento do motor AC. Para compensar esse fenômeno, desenvolveu-se o inversor de freqüência vetorial. Muito mais caro e complexo que o escalar, ele não funciona com uma curva V/F pré- fixada (parametrizada).
Na verdade ele varia tensão e frequência, de modo a otimizar o torque para qualquer condição de rotação (baixa ou alta). É como se ficássemos parametrizando a cada ms, uma nova curva V/F para cada nova situação. O inversor vetorial controla V/F através das correntes de magnetização e rotórica do motor. Normalmente um tacômetro, ou um encoder é utilizado como sensores de velocidade, formando uma "malha fechada" de controle de velocidade. Existem, porém os inversores vetoriais “sensorless”, que não utilizam sensores de velocidade externos.


INSTALAÇÃO DO INVERSOR

Feito essa pequeno estudo da estrutura funcional do inversor, vamos mostrar como instalá-lo. A figura 1 mostra a configuração básica de instalação de um inversor de frequência. Existe uma grande quantidade de fabricantes, e uma infinidade de aplicações diferentes para os inversores.
Portanto o esquema da figura 1 refere-se à versão mais comum. Sensores e chaves extras, com certeza, serão encontrados em campo, mas a estrutura é a mesma. Os terminais identificados como: R, S, e T (ou Ll, L2, e L3), referem-se à entrada trifásica da rede elétrica. Para pequenas potências, é comum encontrarmos inversores com a entrada monofásicos (porém a saída continua sendo trifásica).



Para diferenciar a entrada da rede para a saída do motor, a saída (normalmente) vem indicada por: U, V e W.

Além da potência, temos os bornes de comando. Cada fabricante possui sua própria configuração, portanto, para saber "quem é quem" temos de consultar o manual de respectivo fabricante. De qualquer maneira, os principais bornes são as entradas (analógicas ou digitais), e as saídas (geralmente digitais).


OS "DEZ MANDAMENTOS" DA INSTALAÇÃO DO INVERSOR DE FREQUÊNCIA


1. Cuidado! Não há inversor no mundo que resista à ligação invertida de entrada da rede elétrica (trifásica ou monofásica), com a saída trifásica para o motor.

2. O aterramento elétrico deve estar bem conectado, tanto ao inversor como ao motor. O valor do aterramento nunca deve ser maior que 5Ω (norma IEC536), e isso pode ser facilmente comprovado com um terrômetro, antes da instalação.

3. Caso o inversor possua uma interface de comunicação (RS 232, ou RS 485) para o PC, o tamanho do cabo deve ser o menor possível.

4. Devemos evitar ao máximo, misturar (em um mesmo eletroduto ou canaleta), cabos de potência (rede elétrica, ou saída para o motor) com cabos de comando (sinais analógicos, digitais, RS 232, etc...).

5. O inversor deve estar alojado próximo a “orifícios” de ventilação, ou, caso a potência seja muito alta, deve estar submetido a uma ventilação (ou exaustão). Alguns inversores já possuem um pequeno exaustor interno.

6. A rede elétrica deve ser confiável, isto é, jamais ultrapassar variações de +ou- 10% em sua amplitude.

7. Sempre que possível, utilizar os cabos de comando devidamente blindados.

8. Os equipamentos de controle (PLC, CNC, PC, etc...), que funcionarem em conjunto com o inversor, devem possuir o "terra" em comum. Normalmente, esse terminal vem indicado pela referência “PE” (proteção elétrica), e sua cor é amarela e verde (ou apenas verde).

9. Utilizar sempre parafusos e arruelas adequadas para garantir uma boa fixação ao painel. Isso evitará vibrações mecânicas. Além disso, muitos inversores utilizam o próprio painel em que são fixados como dissipador de calor. Uma fixação pobre, nesse caso, causará um aquecimento excessivo (e possivelmente sua queima).

10. Caso haja contatores e bobinas agregadas ao funcionamento do inversor, recomenda-se utilizar sempre supressores de ruídos elétricos (circuitos RC para bobinas AC, e diodos para bobinas DC). Essas precauções não visam apenas melhorar o funcionamento do inversor, mas evitar que ele interfira em outros equipamentos ao seu redor O inversor de frequência é, infelizmente, um grande gerador de EMI (interferências eletromagnéticas), e, caso não o instalarmos de acordo com as orientações acima, poderemos prejudicar toda a máquina (ou sistema) ao seu redor. Basta dizer que, para um equipamento atender o mercado europeu, a certificação CE (Comunidade Européia ) exige que a emissão eletromagnética chegue a níveis baixíssimos (norma IEC 22G - WG4 (CV) 21).


PARAMETRIZAÇÃO

Para que o inversor funcione a contento, não basta instalá-lo corretamente. É preciso "informar" a ele em que condições de trabalho irá operar. Essa tarefa é justamente a parametrização do inversor. Quanto maior o número de recursos que o inversor oferece, tanto maior será o número de parâmetros disponíveis. Existem inversores com tal nível de sofisticação, que o número de parâmetros ultrapassa a marca dos 900!


DIMENSIONAMENTO

Como posso saber: qual é o modelo, tipo, e potência do inversor para a minha aplicação?

Bem, vamos responder a essa pergunta em três etapas:

Capacidade do inversor:

Para definirmos o “tamanho” do inversor temos de saber qual a corrente do motor (e qual carga) ele acionará. Normalmente se escolhe um inversor com uma capacidade de corrente igual ou um pouco superior à corrente nominal do motor. A tensão, tanto do inversor quanto do motor deve ser igual a da rede de alimentação.

Tipo de inversor:

A maioria dos inversores utilizados são do tipo escalar. Só utilizamos o tipo vetorial em duas ocasiões: extrema precisão de rotação, torque elevado para rotação baixa ou zero (ex: guindaste, pontes rolantes, elevadores, etc...).

Modelo e fabricante :

Para escolher o modelo, basta consultarmos os catálogos dos fabricantes, e procurar um que atenda as seguintes características mínimas necessárias:
Quanto ao fabricante, o preço e qualidade desejada devem determinar a escolha.
Apenas como referência ao leitor os mais encontrados na indústria são:
Siemens, Weg, Telemecanique, Allen Bradley, ABB, Cuttler Hammer e Danfoss.


SOFT-STARTER

Soft-Starters são equipamentos eletrônicos destinados ao controle da partida de motores elétricos de corrente alternada. Quando partimos um motor através da conexão direta da fonte de alimentação com valores nominais, inicialmente ele drena a corrente de rotor bloqueado (IRB) e produz um torque de rotor bloqueado (TRB). Assim que o motor acelera a corrente cai e o torque aumenta antes de cair para seus valores nominais na velocidade nominal. Ambos, a magnitude e o formato das curvas de torque e corrente dependem do projeto do motor.


Motores com características de velocidade máxima quase idênticas podem ter diferenças grandes na capacidade de partida. As correntes de partida variam de 5 a 9 vezes a corrente nominal. Torques de rotor bloqueado variam desde 0,7 a 2,3 do torque nominal. As características de tensão, corrente e torques máximos formam o conjunto de limites que uma partida com tensão reduzida pode administrar. Quando uma tensão reduzida de partida é utilizada, o torque de partida do motor é reduzido de acordo com a seguinte fórmula.


A corrente de partida pode ser reduzida até o ponto onde o torque de partida continue excedendo o torque resistente (carga). Abaixo desse ponto o motor cessará a aceleração e o motor / carga não atingirá a velocidade nominal. Os tipos mais comuns para redução da tensão de partida são:

1. Partidas estrela / triângulo
2. Partidas com auto transformador
3. Partidas com resistência primária.
4. Soft Starters.

A partida estrela triângulo é a mais barata das formas de partida com tensão reduzida, entretanto sua performance é limitada. As duas limitações mais importantes são:

1. Não existe controle sobre a limitação do torque e da corrente de partida que são fixos em 1/3 do nominal.

2. Existem normalmente grandes transientes de corrente e torque quando há mudança da estrela para o triângulo. Isso causa estresse mecânico e elétrico. O auto transformador oferece melhor controle da partida, entretanto a tensão continua sendo aplicada em passos.

Algumas limitações do auto trafo são:

1. Transientes de torque causados pelos passos de tensão.

2. Número limitado de tapes restringe a possibilidade de selecionar a corrente
ideal de partida.

3. Altos custos para partidas freqüentes ou pesadas.

4. Não consegue fornecer uma solução efetiva para partidas com características variáveis. Por exemplo, uma correia transportadora pode ser partida vazia ou com carga. O auto transformador só pode ser otimizado para uma situação.

Partida com resistência primária (rotor bobinado) também oferece grandes vantagens sobre a partida estrela triangulo. Porém, eles possuem algumas características que reduzem sua efetividade, quais sejam:

1. Dificuldade para otimizar a partida no comissionamento pois a resistência deve ser calculada quando a partida é fabricada e não é facilmente alterada depois.

2. Baixa performance com partidas freqüentes, pois a resistência muda seus valores com o aquecimento. Um período longo de resfriamento é necessário entre as partidas.

3. Baixa performance em partidas longas e pesadas, pois a resistência muda seus valores com o aquecimento.

4. Não consegue fornecer uma solução efetiva para partidas com características variáveis.

As soft starters são os equipamentos mais avançados para redução de tensão na partida. Elas oferecem melhor controle sobre a corrente e o torque assim como podem incorporar funções avançadas para proteção do motor e ferramentas de interface.

1. Controle simples e flexível sobre a corrente e o torque de partida.
2. Controle suave da tensão e da corrente, livre de passos ou transientes.
3. Capaz de partidas freqüentes.
4. Capaz de gerenciar partidas com características variáveis.
5. Controle Soft stop (parada suave) para aumentar o tempo de parada dos
motores.
6. Controles para freio para reduzir o tempo de parada dos motores.

Tipos de controle de Soft-Starters

O termo soft starter é aplicado a uma gama de tecnologias. Essas tecnologias estão todas relacionadas com a partida suave de motores, mas existem diferenças significativas entre os métodos e os benefícios que os acompanham. Os soft starters podem ser divididos em da seguinte maneira:

• Controladores de torque
• Controladores de tensão em malha aberta.
• Controladores de tensão em malha fechada.
• Controladores de corrente em malha fechada.

Controladores de torque promovem apenas a redução do torque de partida. Dependendo do tipo, eles podem controlar apenas uma ou duas fases. Como conseqüência não existe controle sobre a corrente de partida como é conseguido com os tipos mais modernos de soft-starter. Controladores de torque com apenas uma fase devem ser utilizados com contator e rele de sobrecarga. Eles são apropriados para aplicações pequenas. O controle trifásico deve ser usado para partidas freqüentes ou com cargas de alta inércia, pois os controladores monofásicos causam um aquecimento extra na partida. Isso acontece pois a tensão nas bobinas que não são controladas ficam sob a tensão nominal. Essa corrente circula por um período maior do que durante uma partida direta resultando num sobre aquecimento do motor.

Controladores com duas fases devem ser usados com um rele de sobrecarga mas podem parar e partir o motor sem um contator, entretanto a tensão continua presente no motor mesmo que ele não esteja rodando. Se instalado dessa maneira é importante assegurar medidas de segurança.

Controladores de tensão em malha aberta controlam todas as três fases e tem todos os benefícios fornecidos pelos soft-starters. Esses sistemas controlam a tensão aplicada no motor de maneira pré-configurada e não tem nenhuma realimentação de corrente. A performance da partida é conseguida configurando-se parâmetros como tensão inicial, tempo de rampa e tempo de rampa duplo. A parada suave também está disponível.

Controladores de tensão em malha aberta também devem ser usados com reles de sobre carga e com contatores se requerido. Dessa forma são componentes que devem estar agregados a outros componentes para formar um sistema de partida do motor. Controladores de tensão em malha fechada são uma variante do sistema de malha aberta. Eles recebem realimentação da corrente de partida do motor e usam essa informação para cessar a rampa de partida do motor quando a
corrente de limite configurada pelo usuário é atingida. O usuário tem as mesmas configurações do sistema de malha aberta com a adição do limite de corrente.
A informação da corrente do motor também é normalmente utilizada para fornecer uma variedade de proteções baseadas na corrente. Essas funções incluem, sobre carga, desbalanceamento de fases, sub corrente, etc. Esses são sistemas completos de partida fornecendo ambos, controle sobre a partida / parada e proteções para o motor.

Controladores de corrente em malha fechada é o mais avançado de todos. Diferentemente do sistema de tensão em malha fechada eles usam a corrente como referência principal. As vantagens dessa aproximação são controle preciso da corrente de partida e fácil ajuste. Muitos ajustes do usuário podem ser feitos automaticamente por sistemas baseados em corrente.


Correção do fator de potência.

Se for necessária a correção estática do fator de potência, os capacitores devem ser instalados do lado da alimentação do soft-starter.

Consultor: Prof. Jeyson Berlanda

terça-feira, 27 de julho de 2010

AUTOMAÇÃO Parte 2

ELEMENTOS ANALÓGICOS

Unidade de entrada analógica


A interface de entrada analógica contém os circuitos necessários para receber sinais analógicos de tensão ou corrente dos dispositivos de campo. A tensão ou a corrente de entrada é convertida para um código digital proporcional ao valor analógico, através de um conversor analógico digital (A/D). Este código digital é armazenado na memória imagem do controlador como um registro.
O valor analógico é geralmente expresso como um valor decimal (BCD).
A resolução das entradas analógicas é uma informação importante, pois de acordo com o número de bits do conversor A/D é que se define a menor parcela que pode ser lida. Ou seja, uma entrada com um maior número de bits permitirá uma melhor representação da grandeza analógica. Os conversores A/D normalmente são de 10 ou 12bits
As faixas de valores de tensão e corrente para entradas analógicas mais utilizadas na indústria são:

• 0 a 20mA
• 4 a 20mA
• 0 a 10Vdc

A (figura 9) mostra o diagrama de blocos de uma unidade de entrada analógica.


São todos os tipos de transdutores que necessitam fazer conversão de curso, peso, pressão, etc. tais como:

• Transdutor de pressão
• Amplificadores de tensão para células de carga
• Transdutor de umidade
• Régua Potenciométrica
• Sensor de Nível
• Sensor de Vazão

Unidades de Saída

As unidades de saída fornecem as conexões entre os dispositivos de campo e a unidade central de processamento. Estas interfaces podem ter um ou mais canais, fornecendo sinais digitais ou analógicos devidamente amplificados para energizar os elementos de operação e sinalização de atuadores diversos, que se caracterizam pelo tipo (CA ou CC, N ou P) e pelos diversos níveis de tensão e potência.


Unidade de Saída Digital:

As interfaces de saída discretas convertem sinais lógicos usados no Controlador Programável em sinais capazes de energizar atuadores. O controle da saída é limitado a dispositivos que somente requerem comutação em dois estados, tais como ON/OFF (ligado/desligado).
O circuito de saída é composto por duas seções principais: saídas e interface, sendo que essas são normalmente desacopladas eletricamente por um circuito isolador. Durante uma operação normal, o processador envia para o circuito lógico o estado da saída de acordo com a lógica programada. Normalmente estas saídas são sinalizadas por led's.


Entre os diversos tipos de atuadores, podemos citar:

• Contatores
• Solenóides
• Relés
• Lâmpadas
• Sirenes

A comutação executada por uma unidade de saída pode ser através de transistores (em corrente contínua), através de TRIAC’s (em corrente alternada) ou através de relés (corrente contínua ou alternada).


Saída em corrente contínua

Tipos de saídas digitais em corrente contínua:

• Saída Tipo N: Quando o fluxo de corrente ocorre da saída para o potencial negativo da fonte de alimentação de 24 Vcc (carga ligada entre o potencial positivo e a saída, conforme (figura 15). A (figura 13) exemplifica o circuito de uma saída digital tipo N.


• Saída Tipo P: Quando o fluxo de corrente ocorre do potencial positivo da fonte de alimentação de 24 Vcc para a saída (carga ligada entre o potencial negativo e a saída, conforme (figura 16). A (figura 14) exemplifica o circuito de uma saída digital tipo P.


Saída em corrente alternada

Alimentação de 90 Vca a 240 Vca

• Varistor: Protege contra o surto de tensão
• RC: Protege contra disparo indevido
• Triac : Isolado do sistema por acoplador óptico
A figura 17 exemplifica o circuito de uma saída digital em corrente alternada.





Unidade de Saída Analógica

A interface para saídas analógicas recebe do processador dados numéricos que são convertidos em valores proporcionais de corrente ou tensão e aplicados nos dispositivos de campo. A interface contém um conversor digital-analógico (D/A).
O valor analógico é geralmente expresso como um valor decimal (BCD).
Os conversores D/A normalmente são de 10 ou 12bits.
As faixas de valores de tensão e corrente para saídas analógicas mais utilizadas na indústria são:

• 0 a 20mA
• 4 a 20mA
• 0 a 10Vdc

A (figura 18) mostra o diagrama de blocos de uma unidade de saída analógica.


Entre os diversos tipos de atuadores, podemos citar:

• Conversor de freqüência
• Válvula proporcional


Unidade Central de Processamento (UCP)

A Unidade Central de Processamento (UCP) é responsável pelo processamento do programa, isto é, coleta os dados dos cartões de entrada, efetua o processamento segundo o programa do usuário, armazenado na memória, e envia o sinal para os cartões de saída como resposta ao processamento.
Geralmente, cada CLP tem uma UCP, que pode controlar vários pontos de E/S (entradas e saídas) fisicamente compactadas a esta unidade - é a filosofia compacta de fabricação de CLPs, ou constituir uma unidade separada, conectada a módulos onde se situam cartões de entrada e saída, - esta é a filosofia modular de fabricação de CLPs.
Este processamento poderá ter estruturas diferentes para a execução de um programa, tais como:

Processamento cíclico;
Processamento por interrupção;
Processamento comandado por tempo;
Processamento por evento.


Processamento Cíclico

É a forma mais comum de execução que predomina em todas as UCPs conhecidas, é de onde vem o conceito de varredura, ou seja, as instruções de programa contidas na memória, são lidas uma após a outra seqüencialmente do início ao fim, daí retornando ao início ciclicamente.

Um dado importante de uma UCP é o seu tempo de ciclo, ou seja, o tempo gasto para a execução de uma varredura. Este tempo está relacionado com o tamanho do programa do usuário (em média 10 ms a cada 1.000 instruções).
Processamento por interrupção

Certas ocorrências no processo controlado não podem, algumas vezes, aguardar o ciclo completo de execução do programa. Neste caso, ao reconhecer uma ocorrência deste tipo, a UCP interrompe o ciclo normal de programa e executa um outro programa chamado de rotina de interrupção.
Esta interrupção pode ocorrer a qualquer instante da execução do ciclo de programa. Ao finalizar esta situação o programa voltará a ser executado do ponto onde ocorreu a interrupção.
Uma interrupção pode ser necessária, por exemplo, numa situação de emergência onde procedimentos referentes a esta situação devem ser adotados.


Processamento comandado por tempo

Da mesma forma que determinadas execuções não podem ser dependentes do ciclo normal de programa, algumas devem ser executados a certos intervalos de tempo, as vezes muito curto, na ordem de 10 ms.
Este tipo de processamento também pode ser encarado como um tipo de interrupção, porém ocorre a intervalos regulares de tempo dentro do ciclo normal de programa.


Processamento por evento

Este é processado em eventos específicos, tais como no retorno de energia, falha na bateria e estouro do tempo de supervisão do ciclo da UCP.
Neste último, temos o chamado Watch Dog Time (WD), que normalmente ocorre como procedimento ao se detectar uma condição de estouro de tempo de ciclo da UCP, parando o processamento numa condição de falha e indicando ao operador através de sinal visual e as vezes sonoro.

Memória

O sistema de memória é uma parte de vital importância no processador de um controlador programável, pois armazena todas as instruções assim como o os dados necessários para executá-las.
Existem diferentes tipos de sistemas de memória. A escolha de um determinado tipo depende:

do tipo de informação armazenada;
da forma como a informação será processada pela UCP.

As informações armazenadas num sistema de memória são chamadas palavras de memória, que são formadas sempre com o mesmo número de bits.
A capacidade de memória de um CP é definida em função do número de palavras de memória previstas para o sistema.

Mapa de memória

A capacidade de memória de um CP pode ser representada por um mapa chamado mapa de memória.

Arquitetura de memória de um CP

A arquitetura de memória de um controlador programável pode ser constituída por diferentes tipos de memória.
A memória do computador é onde se armazenam os dados que devem ser manipulados pelo computador (chamada memória de dados) e também onde esta armazenado o programa do computador ( memória de programa).
Aparentemente não existe uma diferença física entre as memórias de programa, apenas utilizam-se memórias fixas para armazenar dados fixos ou programas e memórias que podem ser alteradas pelo sistema para armazenar dados que podem variar de acordo com o programa. Existem diversos tipos de memórias que podem ser utilizadas pelo computador: fita magnética, disco magnético e até memória de semicondutor em forma de circuito integrado.
As memórias a semicondutores podem ser divididas em dois grupos diferentes:

- Memória ROM ( read only memory ) memória apenas de leitura.
- Memória RAM ( random acess memory ) memória de acesso aleatório.

As memórias ROM são designadas como memória de programa por serem memórias que não podem ser alteradas em estado normal de funcionamento, porém têm a vantagem de não perderem as suas informações mesmo quando é desligada sua alimentação.


Estrutura

Independente dos tipos de memórias utilizadas, o mapa de memória de um controlador programável pode ser dividido em cinco áreas principais:

Memória executiva
Memória do sistema
Memória de status dos cartões de E/S ou Imagem
Memória de dados
Memória do usuário

Memória Executiva

É formada por memórias do tipo ROM ou PROM e em seu conteúdo está armazenado o sistema operacional responsável por todas as operações que são realizadas no CLP.
O usuário não tem acesso a esta área de memória.


Memória do Sistema

Esta área é formada por memórias tipo RAM, pois terá o seu conteúdo constantemente alterado pelo sistema operacional.
Armazena resultados e/ou operações intermediárias, geradas pelo sistema, quando necessário. Pode ser considerada como um tipo de rascunho.
Não pode ser acessada nem alterada pelo usuário.


Memória de Status de E/S ou Memória Imagem

A memória de status dos módulos de E/S são do tipo RAM. A UCP, após ter efetuado a leitura dos estados de todas as entradas, armazena essas informações na área denominada status das entradas ou imagem das entradas. Após o processamento dessas informações, os resultados serão armazenados na área denominada status das saídas ou imagem das saídas.


Memória de Dados

As memórias de dados são do tipo RAM, e armazenam valores do processamento das instruções utilizadas pelo programa do usuário.
Funções de temporização, contagem, artiméticas e especiais, necessitam de uma área de memória para armazenamento de dados, como:

Valores pré-selecioandos ou acumulados de contagem e temporização;
Resultados ou variáveis de operações aritméticas;
Resultados ou dados diversificados a serem utilizados por funções de manipulação de dados.

Memória do Usuário

A UCP efetuará a leitura das instruções contidas nesta área a fim de executar o programa do usuário, de acordo com os procedimentos predeterminados pelo sistema operacional.
As memórias destinadas ao usuário podem ser do tipo:


RAM
RAM/EPROM
RAM/EEPROM


Tipo de Memória
Descrição

RAM
A maioria do CLPs utiliza memórias RAM para armazenar o programa do usuário assim como os dados internos do sistema. Geralmente associada a baterias internas que evitarão a perda das informações em caso de queda da alimentação.

RAM/EPROM

O usuário desenvolve o programa e efetua testes em RAM. Uma vez checado o programa, este é transferido para EPROM.


RAM/EEPROM

Esta configuração de memória do usuário permite que, uma vez definido o programa, este seja copiado em EEPROM. Uma vez efetuada a cópia, o CLP poderá operar tanto em RAM como em EEPROM. Para qualquer modificação bastará um comando via software, e este tipo de memória será apagada e gravada eletricamente.


Terminal de Programação

O terminal de programação é um dispositivo (periférico) que conectado temporariamente ao CLP, permite introduzir o programa do usuário e configuração do sistema. Pode ser um equipamento dedicado, ou seja, um terminal que só tem utilidade como programador de um determinado fabricante de CLP, ou um software que transforma um computador pessoal em um programador.
Neste periférico, através de uma linguagem, na maioria das vezes, de fácil entendimento e utilização, será feita a codificação das informações vindas do usuário numa linguagem que possa ser entendida pelo processador de um CLP. Dependendo do tipo de Terminal de Programação (TP), poderão ser realizadas funções como:

Þ Elaboração do programa do usuário;
Þ Análise do conteúdo dos endereços de memória;
Þ Introdução de novas instruções;
Þ Modificação de instruções já existentes;
Þ Monitoração do programa do usuário;
Þ Cópia do programa do usuário em disco ou impressora.

Os terminais de programação podem ser classificados em três tipos:

Þ Terminal Dedicado Portátil;
Þ Terminal Dedicado TRC;
Þ Terminal não Dedicado;

Terminal Portátil Dedicado

Os terminais de programação portáteis, geralmente são compostos por teclas que são utilizadas para introduzir o programa do usuário. Os dados e instruções são apresentados num display que fornece sua indicação, assim como a posição da memória endereçada.
A maioria dos programadores portáteis são conectados diretamente ao CP através de uma interface de comunicação (serial). Pode-se utilizar da fonte interna do CP ou possuir alimentação própria através de bateria.
Com o advento dos computadores pessoais portáteis (Lap-Top), estes terminais estão perdendo sua função, já que pode-se executar todas as funções de programação em ambiente mais amigável, com todas as vantagens de equipamento portátil.


Terminal Dedicado TRC

No caso do Terminal de programação dedicado tem-se como grandes desvantagens seu custo elevado e sua baixa taxa de utilização, já que sua maior utilização se dá na fase de projeto e implantação da lógica de controle.
Estes terminais são compostos por um teclado, para introdução de dados/instruções e um monitor (TRC - tubos de raios catódicos) que tem a função de apresentar as informações e condições do processo a ser controlado.
Como no caso dos terminais portáteis, com o advento da utilização de computadores pessoais, este tipo de terminal está caindo em desuso.


Terminal não Dedicado - PC

A utilização de um computador pessoal (PC) como terminal de programação é possível através da utilização de um software aplicativo dedicado a esta função.
Neste tipo de terminal, tem-se a vantagem da utilização de um micro de uso geral realizando o papel do programador do CLP. O custo deste hardware (PC) e software são bem menores do que um terminal dedicado além da grande vantagem de ter, após o período de implantação e eventuais manutenções, o PC disponível para outras aplicações comuns a um computador pessoal.
Outra grande vantagem é a utilização de softwares cada vez mais interativos com o usuário, utilizando todo o potencial e recursos de software e hardware disponíveis neste tipo de computador.


Princípio de Funcionamento de um CLP

Um controlador lógico programável, tem seu funcionamento baseado num sistema de microcomputador onde se tem uma estrutura de software que realiza continuamente ciclos de varredura.

Estados de Operação

Basicamente a UCP de um controlador programável possui dois estados de operação:

Programação
Execução

A UCP pode assumir também o estado de erro, que aponta falhas de operação e execução do programa.


Programação

Neste estado o CP não executa programa, isto é, não assume nenhuma lógica de controle, ficando preparado para ser configurado ou receber novos programas ou até modificações de programas já instalados. Este tipo de programação é chamada off-line (fora de linha).


Execução

Estado em que o CP assume a função de execução do programa do usuário. Neste estado, alguns controladores, podem sofrer modificações modificações de programa. Este tipo de programação é chamada on-line (em linha).


Funcionamento

Ao ser energizado, estando o CP no estado de execução, o mesmo cumpre uma rotina de inicialização gravada em seu sistema operacional. Esta rotina realiza as seguintes tarefas :

Limpeza da memória imagem, para operandos não retentivos;
Teste de memória RAM;
Teste de executabilidade do programa.

Após a execução desta rotina, a UCP passa a fazer uma varredura (ciclo) constante, isto é, uma leitura seqüencial das instruções em loop.
Entrando no loop, o primeiro passo a ser executado é a leitura dos pontos de entrada. Com a leitura do último ponto, irá ocorrer, a transferência de todos os valores para a chamada memória ou tabela imagem das entradas.
Após a gravação dos valores na tabela imagem, o processador inicia a execução do programa do usuário de acordo com as instruções armazenadas na memória.
Terminando o processamento do programa, os valores obtidos neste processamento, serão transferidos para a chamada memória ou tabela imagem das saídas, como também a transferência de valores de outros operandos, como resultados aritméticos, contagens, etc.


Ao término da atualização da tabela imagem, será feita a transferência dos valores da tabela imagem das saídas, para os cartões de saída, fechando o loop. Neste momento é iniciado um novo loop.
Para a verificação do funcionamento da UCP, é estipulado um tempo de processamento, cabendo a um circuito chamado de Watch Dog Time supervisioná-lo. Ocorrendo a ultrapassagem deste tempo máximo, o funcionamento da UCP será interrompido, sendo assumido um estado de erro.
O termo varredura ou scan, são usados para um dar nome a um ciclo completo de operação (loop).
O tempo gasto para a execução do ciclo completo é chamado Tempo de Varredura, e depende do tamanho do programa do usuário, e a quantidade de pontos de entrada e saída.
Fonte: Consultor Prof. Jeyson Berlanda

sexta-feira, 9 de julho de 2010

AUTOMAÇÃO

1. AUTOMAÇÃO Parte 1


Em princípio, qualquer grandeza física pode ser controlada, isto é, pode ter seu valor intencionalmente alterado. Obviamente, há limitações práticas; uma das inevitáveis é a restrição da energia de que dispomos para afetar os fenômenos: por exemplo, a maioria das variáveis climatológicas poder ser medida, porem, não controlada, por causa da ordem de grandeza da energia envolvida.

O controle manual implica em se ter um operador presente ao processo criador de uma variável física e que, de acordo com alguma regra de seu conhecimento, opera um aparelho qualquer (válvula, alavanca, chave,...), que por sua vez produz alterações naquela variável.
No início da industrialização, os processos industriais utilizavam o máximo da força da mão-de-obra. A produção era composta por etapas ou estágios, nos quais as pessoas desenvolviam sempre as mesmas funções, especializando-se em certa tarefa ou etapa da produção. Assim temos o princípio da produção em série. O mesmo ocorria com as máquinas de produção, que eram específicas para uma aplicação, o que impedia seu uso em outras etapas da produção, mesmo que tivesse características muito parecidas.

Com o passar do tempo e a valorização do trabalhador, foi preciso fazer algumas alterações nas máquinas e equipamentos, de forma a resguardar a mão-de-obra de algumas funções inadequadas à estrutura física do homem. A máquina passou a fazer o trabalho mais pesado e o homem, a supervisioná-la.

Com a finalidade de garantir o controle do sistema de produção, foram colocados sensores nas máquinas para monitorar e indicar as condições do processo. O controle só é garantido com o acionamento de atuadores a partir do processamento das informações coletadas pelos sensores.
O controle diz-se automático quando uma parte, ou a totalidade, das funções do operador é realizada por um equipamento, freqüente mas não necessariamente eletrônico. Controle automático por realimentação é o equipamento automático que age sobre o elemento de controle, baseando-se em informações de medida da variável controlada. Como exemplo: o controle de temperatura de um refrigerador. O controle automático por programa envolve a existência de um programa de ações, que se cumpre com base no decurso do tempo ou a partir de modificações eventuais em variáveis externas ao sistema. Automatizar um sistema tornou-se muito mais viável à medida que a Eletrônica avançou e passou a dispor de circuitos capazes de realizar funções lógicas e aritméticas com os sinais de entrada e gerar respectivos sinais de saída. Com este avanço, o controlador, os sensores e os atuadores passaram a funcionar em conjunto, transformando processo em um sistema automatizado, onde o próprio controlador toma decisões em função da situação dos sensores e aciona os atuadores.

Os primeiros sistemas de automação operavam por meio de sistemas eletromecânicos, com relés e contatores. Neste caso, os sinais acoplados à máquina ou equipamento a ser automatizado acionam circuitos lógicos a relés que disparam as cargas e atuadores. Com o avanço da eletrônica, as unidades de memória ganharam maior capacidade e com isso armazenam todas as informações necessárias para controlar diversas etapas do processo. Os circuitos lógicos tornaram-se mais rápidos, compactos e capazes de receber mais informações de entrada, atuando sobre um número maior de dispositivos de saída. Chegamos assim, aos microcontroladores responsáveis por receber informações das entradas, associá-las às informações contidas na memória e a partir destas desenvolver um a lógica para acionar as saídas.

Toda esta evolução nos levou a sistemas compactos, com alta capacidade de controle, que permitem acionar diversas saídas em função de vários sinais de entradas combinados logicamente. Um outra etapa importante desta evolução é que toda a lógica de acionamento pode ser desenvolvida através de software, que determina ao controlador a seqüência de acionamento a ser desenvolvida.


1.1 Evolução dos Sistemas de Controle

Quase toda planta industrial precisa de algum tipo de controlador para garantir uma operação segura e economicamente viável. No nível mais simples, uma planta pode basicamente consistir de um motor elétrico acionando um ventilador para controlar a temperatura de uma sala. No extremo oposto, uma planta pode ser um reator nuclear para a produção de energia para milhares de pessoas. Independentemente do tamanho e complexidade, todos os sistemas de controle podem ser divididos em três partes com funções bem definidas: os tradutores, os controladores e os atuadores.

O controlador monitora o estado real do processo de uma planta através de um numero de transdutores. Os transdutores convertem as grandezas físicas em sinais normalmente elétricos, os quais são conectados com as entradas dos controladores. Transdutores digitais (discretos) medem variáveis com estados distintos, tais como ligado/desligado ou alto/baixo, enquanto os transdutores analógicos medem variáveis com uma faixa contínua, tais como pressão, temperatura, vazão ou nível.

Com base nos estados das suas entradas, o controlador utiliza um algoritmo de controle embutido para calcular os estados das suas saídas. Os sinais elétricos das saídas são convertidos para o processo através dos atuadores. Muitos atuadores geram movimentos como válvulas, motores, bombas e outros utilizam energia elétrica e pneumática.

O operador interage com o controlador através dos parâmetros de controle. Alguns controladores podem mostrar os estados do processo através de um display ou tela.
As atuais funções de controle existentes em uma planta industrial são normalmente distribuídas entre um numero de controladores programáveis, os quais são montados próximos aos equipamento a serem controlados. Os diferentes controladores são usualmente conectados via rede local (LAN) a um computador supervisório central, o qual gerencia os alarmes, receitas e relatórios.

Atualmente, o operador desempenha um papel importante na indústria moderna, sendo que a maioria das plantas industriais possui um sistema chamado Sistema SCADA (Spervisory Control And Data Acquisition). Os sistemas SCADA têm monitores coloridos de alta resolução, com os quais o operador pode selecionar diferentes programas e avaliar a situação do processo produtivo.

Como o preço dos computadores caiu drasticamente nos últimos anos, o custo de desenvolvimento e manutenção de software tem se tornado o fator predominante soa sistemas de automação.

Com o objetivo de melhorar a qualidade e viabilizar a reutilização de programas, existem cada vez mais pessoas trabalhando com sistemas orientados a objetos. Nestes sistemas, os elementos reais de processos como motores, válvulas e controladores PID são programados através de objetos de software armazenados em bibliotecas. Estes objetos são devidamente testados e possuem interfaces de dados padronizadas.


1.2 Lógica a Relés

Os relés eletromecânicos têm sido um dos componentes mais importantes na evolução dos sistemas de controle. A lógica a relés consiste na associação de diversos relés que são acionados por contatos de transdutores digitais. A função de controle é definida pela forma como os contatos são associados para comandar a bobina do relé.
Todas as bobinas de relés são usadas para ativar um ou mais contatos de saída. Estes contatos são interligados com os atuadores do processo. Se um dos contatos do relé é utilizado com uma entrada da mesma lógica é possível construir um circuito de selo, ou uma função do tipo memória.
Um sistema de controle baseado em relés pode conter facilmente dezenas a milhares de relés facilmente. Os relés e os cabos necessários para interligação dos mesmos são acondicionados em armários.
A função de um sistema de controle baseado em relés é descrita no diagrama chamado de Ladder, devido á sua semelhança com uma escada, mostrando como os contatos dos transdutores e atuadores são interligados eletricamente. O Diagrama de Ladder não somente descreve a função lógica como é usado como desenho para a montagem dos armários. Desde que os relés têm custo considerável e é necessário um tempo elevado para a interligação elétrica, o custo total de um sistema de controle baseado em relés é determinado pelo numero de relés utilizados. Em plantas muito grandes, o numero limitado de contatos disponíveis para os transdutores e relés normalmente representa uma dificuldade a mais do projeto de engenharia.
A experiência mostra que é fácil implementar um sistema com poucos relés, mas quando a complexidade aumenta, torna-se necessário engenheiros bem experientes.
Uma característica positiva dos sistemas baseados em relés na descentralização do controle em um grande número de relés discretos. Como os relés são dispositivos eletromagnéticos, eles têm uma vida útil limitada. Portanto, os sistemas baseados em relés necessitam de uma manutenção continua. Outra desvantagem destes sistemas é o tempo gasto para alterações na lógica de um sistema existente. Atualmente, os sistemas baseados em relés só são viáveis em sistemas com poucas entradas e saídas e em plantas com elevado nível de interferência elétrica, onde computadores de CLPs não podem ser utilizados.


2. O que é um CLP

O Controlador Programável é um dos equipamento mais importante em uso na automação de equipamentos e processos industriais atualmente.
O Controlador Programável (CLP ou CP) é um equipamento eletrônico programável baseado em microprocessadores. É projetado para funcionar em ambientes industriais, podendo controlar desde simples máquinas e processos até automatizar uma planta completa.


2.1 História do CLP

O primeiro CLP surgiu no ano de 1960. A razão preliminar para projetar tal dispositivo era de eliminar o custo grande envolvido em substituir os complicados sistemas a relês para controle de máquinas. Foi quando a BEDFORD ASSOCIATES propôs algo chamado de Controlador Modular Digital (MODICON) em solicitação da GM nos E. U. Outras companhias ao mesmo tempo propuseram os sistemas baseados em computador. O MODICON 084 trouxe o primeiro PLC do mundo na produção comercial.

Como o sistema de controle mudava de acordo com as exigências da produção, o que acontecia com freqüência e era muito caro, e os relês são dispositivos mecânicos que possuem uma vida limitada e requeriam manutenção constante. Pesquisar defeitos era também completamente tedioso quando envolvesse muitos relês. Imaginem só um painel de controle da máquina que inclua muitos, possivelmente centenas ou milhares, de relês individuais. O tamanho podia ser gigantesco. Bem com a fiação complicada de muitos dispositivos individuais. Necessitavam vários relês juntos para conseguir o resultado desejado.

Estes "controladores novos" também deveriam ser programados facilmente pela manutenção e pelos coordenadores da planta. A vida útil passou a ser longa e as mudanças de programação executadas facilmente. A técnica de programação deveriam ser similares como substituir peças mecânicas. Também tiveram que sobreviver ao ambiente industrial, cercado de poeira e materiais corrosivos.
Nos anos 70 as tecnologias dominantes do CLP eram máquinas de estados e seqüenciadores. Os AMD 2901 e 2903 eram completamente populares no Modicon. Faltavam o poder de resolver rapidamente a lógica de controle e reduzir o tamanho físico.

As funcionalidade de comunicações começaram a aparecer em aproximadamente 1973. O primeiro sistema era Modbus da Modicon. O PLC poderia agora falar com outro CLPs e poderiam ser distantes afastado da máquina que controlavam. Podiam também agora ser usados para enviar e receber tensões variadas para permitir que entrassem no mundo analógico. Infelizmente, a falta da padronização associada ao desenvolvimento tecnológico contínuo fez mudanças com as comunicações dos CLP’s uma infinidade de protocolos incompatíveis e de redes físicas surgiram. Ainda assim, era uma grande década para o CLP.

Os anos 80 vieram uma tentativa de padronizar as comunicações com o protocolo MAP (manufacturing automation protocol) da GM. Era também um momento para reduzir o tamanho do CLP e fazer-lhes o software de programação simbólica, direta e programável em computadores pessoais preferivelmente de terminais de programação dedicados ou de programadores handheld. Hoje o menor CLP do mundo é do tamanho de um único relê.
Os anos 90 vieram para reduzir a introdução de protocolos novos. Veio também a modernização das camadas físicas de alguns dos protocolos mais populares que sobreviveram aos anos 80. Surgiu o padrão IEC 1131-3, hoje IEC 61131-3, que tentou fundir linguagens de programação para um padrão internacional. Nós temos agora CLP’s que são programáveis em diagramas de bloco de função, em listas de instrução, em C, em texto estruturado e sequenciamento gráfico de funções todos ao mesmo tempo. Vale lembrar que os PC’s também estão sendo usados para substituir CLPs em algumas aplicações.

A figura abaixo ilustra uma comparação entre o quadro de relés e o quadro de CP’s. Pode ser observado que a implementação da lógica através de relés dificulta a manutenção e torna o sistema menos flexível à mudanças. A lógica é realizada por fios e qualquer modificação na lógica exige uma conexão adequada dos fios, envolvendo operações com os contatos NA e NF dos relés.

2.2 Aplicações dos CLPs

O Controlador Lógico Programável é um equipamento extremamente versátil, com aplicações em todos os segmentos industriais. Suas características permitem que ele efetue desde simples lógicas até sofisticados controles de processos. Atualmente, existem modelos de CLPs que permitem, de maneira econômica, controlar mecanismos e processos a partir de poucos pontos de entrada e saída.

Sistemas que utilizam lógica pneumática ou de relés comportam a substituição direta dos circuitos lógicos por um CLP, com vantagens imediatas em termos de confiabilidade, facilidade de manutenção, ocupação de menor espaço físico, diminuição do peso e versatilidade a nível de futuras alterações ou aperfeiçoamento da lógica de controle. Máquinas ou processos que requeiram o controle simultâneo de variáveis em diversos pontos, exigindo relações complexas de controle em um ou mais pontos do processo ou mesmo em outras máquinas, adaptam-se muito bem ao uso com CLPs, pois estes permitem a leitura de variáveis analógicas e digitais, o processamento rápido das informações e a geração de sinais de saída analógica ou digitais. Possuem canais de comunicação que permitem a conexão de um controlador a outro ou a um computador central. Esta possibilidade abre um campo totalmente novo: um computador central pode monitorar a operação dos CLPs, verificando anomalias, detectando falhas na produção, emitindo relatórios, etc., ao mesmo tempo em que pode interferir na operação do CLP, modificando parâmetros, iniciando ou interrompendo seqüências em função de um planejamento global da planta industrial ou de fatos ocorridos em outros processos. É importante ressaltar que os Controladores Programáveis não são apenas substitutos mais confiáveis do que os relés. Na verdade, eles representam um salto qualitativo em termos de controle, pois viabilizam soluções inovadoras nos processos e automatismos onde são empregados, resultando em consideráveis incrementos na eficiência dos mesmos.

O controlador programável existe para automatizar processos industriais, sejam de sequênciamento, intertravamento, controle de processos, batelada, etc.
Este equipamento tem seu uso tanto na área de automação da manufatura, de processos contínuos, elétrica, predial, entre outras.
Praticamente não existem ramos de aplicações industriais onde não se possa aplicar os CLPs, entre elas tem-se:

Com a tendência dos CLPs terem baixo custo, muita inteligência, facilidade de uso e massificação das aplicações, a utilização deste equipamento não será apenas nos processos mas também nos produtos. Poderemos encontrá-lo em produtos eletrodomésticos, eletrônicos, residências e veículos.

2.3 Evolução

Criado para ser um substituto dos quadros de relés, o Controlador Programável (CLP) ultrapassou há muito as expectativas originais. Com processadores de alto desempenho, variedade de modelos e capacidade de comunicação, o seu campo de aplicação hoje é quase ilimitado e o conhecimento de suas potencialidades torna-se cada vez mais necessário para todos os envolvidos no planejamento, operação e manutenção de processos industriais. Nos próximos anos a sua importância deverá continuar crescendo, pois as pesquisas de mercado indicam uma contínua expansão na demanda por CLPs, confirmando o importante avanço da automação em todas as áreas de atividade.
Desde o seu aparecimento até hoje, muita coisa evolui nos controladores lógicos. Esta evolução está ligada diretamente ao desenvolvimento tecnológico da informática em suas características de software e de hardware.
O que no seu surgimento era executado com componentes discretos, hoje se utiliza de microprocessadores e microcontroladores de última geração, usando técnicas de processamento paralelo, inteligência artificial, redes de comunicação, fieldbus, etc.
Até recentemente não havia nenhuma padronização entre fabricantes, apesar da maioria utilizar as mesmas normas construtivas. Porém, pelo menos ao nível de software aplicativo, os controladores programáveis podem se tornar compatíveis com a adoção da norma IEC 61131-3, que prevê a padronização da linguagem de programação e sua portabilidade.
Outra novidade que está sendo incorporada pelos controladores programáveis é o fieldbus (rede de campo), que surge como uma proposta de padronização de sinais a nível de chão-de-fábrica. Este barramento se propõe a diminuir sensivelmente o número de condutores usados para interligar os sistemas de controle aos sensores e atuadores, além de propiciar a distribuição da inteligência por todo o processo.
Hoje os CLPs oferecem um considerável número de benefícios para aplicações industriais, que podem ressaltar em economia que excede o custo do CLP e devem ser considerados quando da seleção de um dispositivo de controle industrial.
Quando você considerar todas essas vantagens que o CLP tem e todos os benefícios que ele oferece, é fácil perceber porque eles se tornaram um padrão nas industrias e porque irá continuar com o sucesso deles no futuro.
As vantagens de sua utilização, comparados a outros dispositivos de controle industrial incluem:

Menor Ocupação de espaço;
Potência elétrica requerida menor;
Reutilização;
Programável, se ocorrerem mudanças de requisitos de controle;
Confiabilidade maior;
Manutenção mais fácil;
Maior flexibilidade, satisfazendo um maior número de aplicações;
Permite a interface através de rede de comunicação com outros CLPs e microcomputadores;
Projeto do sistema mais rápido.

Na figura abaixo é ilustrado os diferentes níveis do processo de automação, destacando o CLP como o elo de ligação entre chão-de-fábrica e demais níveis, como supervisão, controles avançados, etc.


2.4 Definição e Características do CLP

"O Controlador Programável é um dispositivo, que observando a arquitetura de computadores, possui uma memória programável pelo usuário e realiza as funções de controle, comando e supervisão de processos, com hardware e software compatíveis com estas aplicações."
A estrutura básica do Controlador Programável segue uma linha similar a dos computadores de uso geral: Dispositivos de Entrada / Processamento / Memória / Saída. Nos CLPs estas estruturas assumem uma forma particular, adequada ao ambiente industrial:

Entradas: As entradas digitais recebem o sinal de sensores, chaves, botoeiras, e outros equipamentos que fornecem sinais do tipo ligado/desligado. As entradas analógicas recebem sinais de tensão ou corrente de variação contínua, dentro de uma faixa e com significado especificado. Este módulo condiciona o sinal de entrada e torna-o disponível para o processador.

Processador : É o bloco que analisa, processa e decide. São executadas aí funções de decisão, operações matemáticas, contagens, temporização, diálogo com IHM, comunicação, etc.

Memória: A memória de programa contém as instruções armazenadas para execução das tarefas previstas para a aplicação. A memória de variáveis contém os valores e parâmetros correntes relacionados ao processo.

Saídas: Através das saídas, o CLP age sobre o processo sob o seu controle. As saídas digitais fornecem comandos do tipo ligado/desligado. As saídas analógicas fornecem um sinal de tensão ou corrente com variação contínua, para acionar válvulas proporcionais, conversores ou outros equipamentos.

Coprocessadores: Módulos com memória local e funções especializadas executam tratamento sofisticado de entradas analógicas, comunicações com alto desempenho, controle de posicionamento com alta velocidade, operações matemáticas e outras.

Interface Homem-Máquina: Este bloco coloca o operador (usuário) em contato direto com o CLP e o processo sob controle. Podem ser passadas informações de condições de processo, alarmes, solicitações manuais e informações numéricas. A forma mais comum de interface Homem-Máquina no CLP é um display alfanumérico com teclado.

Comunicações: Este bloco fornece o meio físico e os protocolos para que o CLP se comunique com outros equipamentos integrantes do sistema. Os sistemas de controle atuais prevêem a integração de diversos dispositivos que podem incluir vários CLPs, computadores, interfaces IHM externos, sensores e atuadores inteligentes, todos ligados em rede.

S.O.: o sistema operacional atualiza o estado dos dispositivos de entrada e saída, executa rotinas operacionais específicas e atende as operações solicitadas pelo programa do usuário.


2.5 Estrutura do CLP e Modo de Operação

Para efeito de análise podemos considerar que o Controlador Programável possui três blocos básicos: as Entradas, a Unidade Central de Processamento (CPU) e as Saídas. Através de dispositivos ligados ao Módulo de Entradas, o CP monitora continuamente o estado da máquina (ou processo) sob seu controle. A Unidade Central de Processamento processa os dados externos através do Programa do Usuário (Programa de Controle gravado previamente na memória do CP). Simultaneamente, as saídas são acionadas conforme instruções contidas no mesmo Programa. Desta forma, um CP sente, decide e age sobre a máquina (ou processo) conforme uma lógica pré-estabelecida.
O diagrama de blocos a seguir, ilustra a estrutura básica de um controlador programável:


2.5.1 Módulos de Entrada

Os módulos de entrada são interfaces entre os sensores localizados no campo e a lógica de controle de um controlador programável.
Estes módulos são constituídos de cartões eletrônicos, cada qual com capacidade para receber em certo número de variáveis.
Pode ser encontrada uma variedade muito grande de tipos de cartões, para atender as mais variadas aplicações nos ambientes industriais. Mas apesar desta grande variedade, os elementos que informam a condição de grandeza aos cartões, são do tipo:

ELEMENTO DISCRETO: Trabalha com dois níveis definidos;
ELEMENTO ANALÓGICO: Trabalha dentro de uma faixa de valores.


2.5.1.1 Elementos Discretos


As interfaces de entradas discretas detectam e convertem sinais de comutação de entrada em níveis lógicos de tensão usados no Controlador Programável. Essas características limitam a interface a sinais do tipo ON/OFF (ligado/desligado).
O circuito de entrada é composto por duas seções principais: entradas de estados e interface, sendo que essas são normalmente desacopladas eletricamente por um circuito isolador.
A seção de entrada de estados basicamente realiza a função de conversão da tensão da entrada (110 Vca, 220 Vca) para um nível DC compatível com a interface. Quando um sinal válido é detectado, o circuito isolador gera um sinal na seção lógica (interface), o qual fica disponível para o processador através do seu barramento de dados. Normalmente estas entradas são sinalizadas por led's.


Entre os diversos tipos de transdutores digitais, podemos citar:

• Botões
• Chaves de fim de curso
• Sensores de proximidade
• Termostatos
• Pressostatos
• "Push Buttons"

A comutação de uma unidade de entrada pode ser em corrente contínua ou em corrente alternada.


2.5.1.1.1 Entrada em corrente contínua

Tipos de entradas digitais em corrente contínua:
• Entrada Tipo N: A comutação é executada quando o dispositivo externo aplica o pólo negativo da fonte na entrada digital. A (figura 6) exemplifica um circuito de entrada digital tipo N.


• Entrada Tipo P: A comutação é executada quando o dispositivo externo aplica o pólo positivo da fonte na entrada digital. A (figura 7) exemplifica um circuito de entrada digital tipo P.


2.5.1.1.2 Entrada em corrente alternada

A comutação ocorre quando é colocado 110 Vca ou 220 Vca no borne de entrada. A (figura 8) exemplifica um circuito de entrada digital em corrente alternada:

2.5.3.1.3 Módulo de contagem de eventos


Inclui no controlador recursos para contagem de eventos, tratamento de réguas posicionadoras ou sensores incrementais, medição de períodos e temporizações em uma velocidade muito superior ao que seria possível utilizando as entradas digitais convencionais. A mesma placa pode possui ainda dois canais de entrada diferenciais que permite a leitura e comparação de sinais analógicos em alta velocidade.
A parte de controle digital possui dois canais com três linhas de entrada cada um. Essas linhas podem ser configuradas para contagem de eventos com
sensores up/down/reset, para Posicionador com sensores 90 graus ou para temporizador e medição de tempos.
O sistema lê o conteúdo dos contadores da placa e atualiza um grupo formado por duas variáveis em cada contador (contagem alta e contagem baixa). Os contadores possuem uma capacidade mínima de 20 bits.

Consultor: Prof. Jeyson Berlanda

sábado, 3 de julho de 2010

TRATAMENTO DE ÁGUA EM COMUNIDADES DE PEQUENO PORTE

As Comunidades de Pequeno Porte geralmente tem o seu núcleo urbano próximo a um manancial de superfície, e apesar de poderem observar um belo caudal, não utilizam a água para consumo, em decorrência da necessidade de um tratamento adequado. Quando nas pequenas comunidades a solução de poços se mostra inviável, tem-se como conseqüência uma deficiência no abastecimento de água tendo em vista que o tratamento convencional, das águas de superfície tem-se mostrado muito oneroso, tanto na fase de implantação como na fase de operação. Como alternativa apresentamos o tratamento através da utilização de um Superfiltro, seqüenciado pela simples desinfecção, com preparo da solução em tanques em uma sala de cloração.


Superfiltro:

A superfiltração, ou dupla filtração, é uma geração de instalações de tratamento de água, aplicável às pequenas comunidades, com grandes vantagens técnicas e econômicas.

A idéia que suscitou a superfiltração decorreu de observações relativas ao comportamento dos filtros russos (clarificadores de contato). A experiência demonstra que estes filtros de fluxo ascendente realizam com eficiência, a floculação, a clarificação e a filtração da água, evitando a necessidade de tratamento prévio em floculadores e decantadores. Constatou-se na realidade que a coagulação e a floculação, realizada em meio poroso e na presença de compostos previamente precipitados, conduzem a resultados excelentes, podendo permitir considerável economia de reagentes. Assim aliando as vantagens reconhecidas dos clarificadores de contato (filtro russo), com a segurança dos filtros rápidos convencionais, surgiu então os “superfiltros” com dupla filtração. Neste caso o filtro russo realiza as funções para os quais são mais indicados, ou seja, a floculação, a sedimentação, e a filtração preliminar, competindo ao filtro convencional com leito de material mais fino, a função complementar, isto é, a filtração mais perfeita e mais segura.


Super filtro duplo de gravidade

No processo de clarificação (filtro ascendente), a água é aplicada com taxa entre 120 e 150 m³/m²/dia, a mesma taxa sendo aplicada na filtração final. A lavagem é feita com vazão entre 0,40 e 0,50 m³/min.

Material filtrante e camada suporte:

O leito de contato é projetado com uma camada de 1,00m de areia preparada com as seguintes características:

Tamanho efetivo entre 0,75 e 0,85mm e coeficiente de uniformidade inferior a 2,0
O filtro rápido compreende uma camada filtrante de areia mais fina composta de duas partes: 0,25m de areia de tamanho efetivo entre 0,45 e 0,55 mm e coeficiente de uniformidade inferior a 1,7 e 0,20 de areia grossa com tamanho efetivo entre 0,8 e 1,2 mm.

A camada suporte para ambos os casos é constituída por quatro subcamadas totalizando 40 cm.

6 a 3 mm...............9 cm
12 a 6 mm..............9 cm
25 a 12 mm............14,0 cm
30 a 25 mm.............8,0 cm

O fundo dos filtros deve ser executado com chapas perfuradas, com orifícios uniformemente distribuídos, perfazendo uma área de 0,25 a 0,35% da superfície.

Descrição do Funcionamento

A água bruta proveniente de mina, córregos, represas, ou de drenos, recebe a dosagem de coagulante comum, geralmente o sulfato de alumínio, dosado por uma bomba dosadora; e entra no espaço central do filtro ascendente, por meio de uma chapa perfurada que distribui o fluxo na camada suporte, a seguir a água flui pela camada de areia, e neste trajeto da água processa-se a sua floculação e a primeira filtração.
A seguir a água já clarificada escoa para o segundo filtro rápido, com movimento descendente da água, atravessando a camada filtrante conforme descrito anteriormente, e a chapa perfurada sendo encaminhada ao reservatório de acumulação onde receberá o cloro, e será bombeada para o reservatório de acumulação e contato com o cloro.
O sistema de lavagem dos filtros faz-se por meio do retorno do reservatório elevado, devendo, portanto processar uma manobra de registros, fazendo com que a água de lavagem entre em fluxo invertido no filtro rápido, removendo as impurezas, e descarregando em uma calha que conduz a água de lavagem para o sistema de drenagem; estando limpo o filtro rápido fecha-se a descarga da calha, e todo volume passará a verter no filtro russo, operando a lavagem em contra fluxo.


Custo


O custo de instalação do sistema de superfiltração tem custo muito inferior a sistemas de tratamento convencionais, acrescido de que as despesas de operação também são muito menores, não só pela simplicidade operacional, como pelo menor consumo de reajentes, além de que os superfiltros produzem água de excelente qualidade, com maior segurança biológica; alia-se a estes fatores as facilidades de construção, e de transporte, razão de sua seleção para projetos de abastecimento de água em comunidades de pequeno porte.