UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO - UFOP

ESCOLA DE MINAS - EM

COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE

CONTROLE E AUTOMAO CECAU

CONTROLE DE UM MISTURADOR DE LQUIDOS UTILIZANDO UM

CONTROLADOR LGICO PROGRAMVEL

MONOGRAFIA DE GRADUAO EM ENGENHARIA DE CONTROLE

E AUTOMAO

Ouro Preto, 2013

LUCAS GOMES DE CARVALHO

Ouro Preto

Escola de Minas UFOP Setembro 2013

Orientadora: Prof. Dr. Karla Boaventura

Pimenta Palmieri

Monografia apresentada ao curso de

Engenharia de Controle e Automao da

Universidade Federal de Ouro Preto como

parte dos requisitos para a obteno do

Grau de Engenheiro de Controle e

Automao.

CONTROLE DE UM MISTURADOR DE LQUIDOS UTILIZANDO UM

CONTROLADOR LGICO PROGRAMVEL

LUCAS GOMES DE CARVALHO

Fonte de catalogao: bibem@sisbin.ufop.br

C331c Carvalho, Lucas Gomes de.

Controle de um misturador de lquidos utilizando um controlador

lgico programvel. [manuscrito] / Lucas Gomes de Carvalho. 2013.

55f. : il., color., graf., tab.

Orientador: Prof. Dr. Karla Boaventura Pimenta Palmieri.

.

. Monografia (Graduao) Universidade Federal de Ouro

RESUMO

Os sistemas de superviso e controle (SSC) de processos se tornam cada vez mais importantes

nas plantas industriais. Eles garantem uma maior confiabilidade, segurana, rapidez e menor

custo nos processos em que esto envolvidos. Alm disso, eles apresentam uma interface de

mais fcil compreenso para quem opera os processos. Para fazer esse controle estudou se o

funcionamento geral dos Controladores Lgicos Programveis (CLPs). Assim como no caso

dos CLPs foi estudado a teoria sobre sistemas supervisrios e sua aplicao. O supervisrio

Elipse E3 foi estudado e suas particularidades observadas. Um aspecto importante estudado

foi a instrumentao, para medir corretamente as variveis, sem essa medio certa no

possvel controlar e nem supervisionar de maneira satisfatria. A verificao da eficincia

desses SSCs nos processos industriais veio por meio de um estudo de caso no qual se queria

controlar uma planta de um misturador de lquidos que foi desenvolvida no laboratrio. Nessa

montagem era necessrio controlar algumas variveis com destaque para temperatura, nvel e

atividade do misturador e das bombas.

Palavras Chaves: Controlador logico programvel, sistemas supervisrios e misturador

de lquidos.

ABSTRACT

The system of supervision and control (SSC) of processes is increasingly important in

industrial plants. They guarantee a greater reliability, security, speed and lower cost in the

processes in which they are involved. In addition, they provide an interface for easier

understanding for those who operates the processes. To make this control the general

operation of Programmable Logic Controllers (PLCs) was studied. The theory of supervisory

systems and their application were studied too. The software Elipse E3 was studied and their

advantages and disadvantages were observed. An important aspect studied was the

instrumentation, to correctly measure the variables, without this measurement it is not

possible control and supervise in a satisfactory manner. The verification of the efficiency of

these SSC's in an industrial environment came through by a case study, which objective was

control a plant of a mixer of liquids that was developed in the lab. In this case it was

necessary to control some variables with emphasis for temperature, level and activity of mixer

and the pumps.

Key Words: Programmable Logic Controllers, supervisory systems and mixer of liquids.

ABREVIATURAS E SMBOLOS

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas

CLP Controlador Logico Programvel

PLC Programmable Logic Controller

SCADA Supervisory Control and Data Acquisition

RTD Resistence Temperature Device

PTC Positive Temperature Coefficient

NTC Negative Temperature Coefficient

IEC International Electrotechnical Commission

CPU Central Processing Unit

UPC Unidade de Processamento Central

AD Conversor Analgico Digital

E/S Modulos de Entrada e Saida

IL Instruction List

ST Structured Text

LD Ladder Diagram

NA Normalmente Aberto

NF Normalmente Fechado

FBD Function Block Diagram

SFC Sequential Flow Chart

IHM Interface Homem Maquina

UTR Unidades Terminais Remotas

DAQ Data Acquisition Boards

SD Sensor Digital

VS Vlvula Solenoide

aux Contato Auxiliar

t Temporizador

B Bomba

res Resistncia

SA Sensor Analgico

Es Eletrodo superior

Ei Eletrodo inferior

Er Eletrodo de referencia

mV Milivolts

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 Diagrama de blocos de um sistema de malha fechada. ...................................... 17

Figura 2.2 Medidor de nvel tipo chave. ............................................................................ 18

Figura 2.3 Medidor de nvel tipo boia. ............................................................................... 19

Figura 2.4 Medidor de nvel tipo condutivo. ...................................................................... 19

Figura 2.5 - Medidor de nvel ultrassnico. .......................................................................... 20

Figura 2.6 Uso das variveis no processo. ......................................................................... 21

Figura 2.7 Termopar.......................................................................................................... 22

Figura 2.8 Correlao entre temperatura e tenso entre os termopares. .............................. 23

Figura 2.9 Configurao bsica. ........................................................................................ 25

Figura 2.10 Pt100. ............................................................................................................. 25

Figura 2.11 Termistor. ....................................................................................................... 26

Figura 2.12 Lm35. ............................................................................................................. 26

Figura 2.13 Controlador lgico programvel. .................................................................... 28

Figura 2.14 - CPU de um CLP Gefanuc Versamax. .............................................................. 29

Figura 2.15 Fonte de um CLP............................................................................................ 30

Figura 2.16 Funcionamento bsico de um CLP. ................................................................. 32

Figura 2.17 Comparao do mesmo programa em ladder vs IL. ......................................... 33

Figura 2.18 Programao na linguagem ladder. .................................................................. 37

Figura 2.19 Correlao entre as linguagens. ...................................................................... 38

Figura 2.20 Acionamento de um motor diagrama SFC. ..................................................... 39

Figura 2.21 Exemplo de uma arquitetura SCADA. ............................................................ 41

Figura 2.22 Exemplo de um sistema supervisrio. ............................................................. 43

Figura 2.23 Tela do Elipse E3. .......................................................................................... 45

Figura 3.1 Planta do misturador e envaze. ......................................................................... 46

Figura 3.2 Enchimento e envaze do tanque A. ................................................................... 47

Figura 3.3 - Enchimento, envaze do tanque B e aquecimento do material 01. ....................... 48

Figura 3.4 Esquema de enchimento do tanque C................................................................ 48

Figura 3.5 Esquema do envaze do tanque D. ..................................................................... 49

Figura 3.6 Funcionamento do misturador. ......................................................................... 49

Figura 3.7 - Funcionamento da esteira e envaze do tanque E. ............................................... 50

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1. Correlao entre as escalas de temperatura. ........................................................ 22

Tabela 2.2. Caracteristicas dos termopares. ......................................................................... 24

Tabela 2.3. Composio dos termopares. .............................................................................. 24

Tabela 2.4. Criterios de seleo de sensores de temperatura. ................................................ 27

Tabela 2.5. Entradas tipicas dos CLPs ................................................................................. 31

Tabela 2.6. Sadas mais comuns dos CLPs. ......................................................................... 32

Tabela 2.7. Principais operadores da Lista de Instrues ...................................................... 34

Tabela 2.8. Comandos da linguagem de texto estruturado .................................................... 35

SUMRIO

1 INTRODUO ....................................................................................................... 12

1.1 Objetivos ................................................................................................................... 13

1.2 Motivao ................................................................................................................. 13

1.3 Metodologia .............................................................................................................. 13

1.4 Estrutura do Trabalho ................................................................................................ 14

2 AUTOMAO INDUSTRIAL............................................................................... 15

2.1 Instrumentos de medio de nvel .............................................................................. 17

2.2 Instrumentos de medio de temperatura ................................................................... 21

2.3 Controladores lgicos programveis .......................................................................... 27

2.4 Sistemas de aquisio e controle de dados ................................................................. 40

2.5 Sistemas supervisrios ............................................................................................... 41

2.6 Elipse E3 ................................................................................................................... 43

3 SIMULAO DO MISTURADOR DE LIQUIDOS ............................................. 46

3.1 Programao ............................................................................................................. 47

3.2 Anlise ...................................................................................................................... 50

4 CONSIDERAES FINAIS .................................................................................. 52

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................................... 53

1 INTRODUO

A informtica industrial um ramo tecnolgico que cresce cada vez mais, devido a sua

importncia nos processos modernos. O uso dos controladores lgicos programveis (CLPs) e

sistemas supervisrios tornam se mais comuns em vrios ramos da indstria, do comrcio, da

automao residencial e predial. Essas tecnologias permitem aumentar a qualidade, eficincia,

flexibilidade, segurana, podem tambm reduzir custos operacionais dos processos em que

esto inseridos.

Os CLPs podem ser definidos, segundo a norma da Associao Brasileira de Normas

Tcnicas (ABNT), como um equipamento eletrnico digital compatvel com aplicaes

industriais. O termo em ingls Programmable Logic Controller (PLC).

Os sistemas supervisrios so softwares que permitem uma interface amigvel para operar o

processo de maneira eficiente e eles chegam para substituir os antigos painis de rel.

Segundo Mendes (2007), os supervisrios se baseiam no sistema de controle e aquisio de

dados conhecido como Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) e tem como

funes receber e armazenar os dados colhidos e monitorar e controlar um processo.

Os equipamentos de medio como os transdutores e sensores tm que ser corretamente

escolhidos para no gerar erros que podem prejudicar o correto controle do processo em que

esto aplicados. Os tipos de equipamentos de medio foram estudados a fim de conhecer em

quais situaes so recomendados seu uso correto e seus princpios de funcionamento.

Um estudo prtico sobre uma planta de um misturador em escala laboratorial foi feito,

envolvendo controle de temperatura, nvel, vazo e o funcionamento do misturador e das

bombas. Para isso usou o software XSoft-CoDeSys que permite a simulao de um CLP.

13

1.1 Objetivos

Pesquisar sobre CLPs, sistemas supervisrios e instrumentos de nvel e temperatura e realizar

o controle de um misturador de lquidos utilizando um controlador logico programvel.

1.2 Motivao

No contexto atual os processos se tornam mais qualificados, eles precisam atender a diversas

especificaes como a segurana dos trabalhadores, um menor custo de produo, um menor

tempo de produo e um aumento da qualidade do produto. A engenharia de controle e

automao estuda vrios tipos de solues para atender de maneira satisfatria ao aumento da

demanda pela qualidade dos processos. Por isso preciso conhecer as principais tcnicas,

equipamentos, procedimentos relativos automao e pesquisar informaes sobre alguns dos

principais equipamentos da utilizados pela automao industrial. A partir desses

conhecimentos seria possvel realizar uma simulao de um misturador de lquidos e verificar

a eficincia desses sistemas.

1.3 Metodologia

Realizou se um estudo sobre a automao industrial suas vantagens e desvantagens,

aplicaes mais comuns e sobre alguns dos instrumentos utilizados no controle, como os

controladores lgicos programveis, os sistemas supervisrios e os instrumentos de medio

de nvel e temperatura.

Sobre os controladores foram estudados a sua historia, a motivao para sua criao,

caractersticas, vantagens e desvantagens, os principais componentes e funcionamento, alm

das principais linguagens de programao usadas nos CLPs.

A pesquisa sobre sistemas SCADA e os sistemas supervisrios abrangeu os principais

componentes, aplicaes e funes mais aplicadas, histria, desenvolvimento, as

14

caractersticas fundamentais e os mais usados no mercado. Um estudo sobre o sistema

supervisrio Elipse E3 foi feito.

O processo consiste em misturar dois lquidos nas devidas condies necessrias, no caso, em

uma determinada temperatura e em corretas quantidades e com isso obter alguns produtos,

esses teriam seu envaze feito de maneira automtica. O processo foi programado por meio do

software XSoft-CoDeSys, esse permite a programao nas linguagens mais comuns usadas

nos CLPs. A linguagem utilizada foi a ladder e o software permite a simulao do

comportamento dos elementos presentes no processo. A programao foi apresentada em

partes para facilitar a visualizao e a compreenso do que foi feito no processo.

1.4 Estrutura do Trabalho

No capitulo 1 foi apresentada a introduo do trabalho, os objetivos, a motivao, assim

como, a metodologia e como o trabalho foi organizado.

No capitulo 2 esto disponveis as informaes adquiridas via pesquisa sobre os conceitos

principais da automao industrial, suas caractersticas e aplicaes. Alm disso, os conceitos

sobre os controladores logico programveis e as principais linguagens de programao usadas

nesses equipamentos. Por fim, so apresentados os conceitos bsicos, historia e

desenvolvimento dos sistemas SCADA e sistemas supervisrios, em especial o Elipse E3.

No capitulo 3 ficam reunidas as informaes relativas a simulao do processo, como o

desenho da planta os componentes utilizados e a programao realizada para controlar o

processo. Foi feita uma analise dessa simulao nesse capitulo.

O capitulo 4 dedicado as consideraes finais e aps ele esto localizadas as referencias

bibliogrficas.

15

2 AUTOMAO INDUSTRIAL

A automao industrial pode ser definida como um conjunto de tcnicas, equipamentos,

softwares e procedimentos que buscam aperfeioar os processos. A operao coordenada de

vrios dispositivos uma rea potencial para sua aplicao. Os elementos tpicos dessa rea

so os controladores, vlvulas, sensores, atuadores, softwares, redes industriais. Um aspecto

importante da automao possibilidade de simulao dos processos antes de sua aplicao e

isso permite uma melhor avaliao de como os processos reais iro se comportar.

De acordo com Abinee (2000), a automao:

Trata-se de um processo de evoluo tecnolgica irreversvel;

Valoriza o ser humano em sua liberao na execuo de tarefas entediantes e

repetitivas, ou mesmo situaes de trabalho insalubres e de riscos;

Aumenta a qualidade de vida de toda uma sociedade, promovendo seu conforto e

maior integrao;

Enriquece pelo menor custo do produto, pela baixa manuteno, ou pela rapidez e

preciso na execuo de tarefas, ou pelo aumento de produtividade, num curto perodo

de tempo;

uma questo de sobrevivncia e forte apelo de marketing, dentro de um mercado

altamente competitivo;

Cria empregos diretos e indiretos, alm de novos empregos relacionados com a

manuteno, desenvolvimento e superviso de sistemas;

Busca a qualidade do produto e satisfao do cliente.

Algumas vantagens de sua aplicao so:

Reduo de custos;

Aumento de segurana;

Reduo da emisso de resduos;

Maximizar a produo;

Aumentar a eficincia;

Atuar em reas de trabalhos insalubres;

16

Reduzir o consumo de matrias primas;

Diminuir erros de medio.

Segundo Ribeiro (2001), algumas desvantagens de sua aplicao so:

Capacidade limitada de tomar decises;

Deve ser programada ou ajustada para controlar sua operao nas condies

especificadas;

Necessita de calibrao peridica para garantir sua exatido nominal;

Requer manuteno peridica.

Um sistema de malha fechada ou realimentada, segundo Ogata (2003), composto

basicamente por sensores, atuadores e o controlador, figura 2.1. Os dados so obtidos pelos

sensores e quando necessrio uma ao corretiva apropriada calculada pelos controladores e

aplicada ao sistema por meio dos atuadores. O objetivo diminuir ou eliminar os erros, dado

pela diferena entre os valores de referencia e os medidos pelos sensores. Dessa forma pode

se conseguir os resultados desejados em muitos processos como, por exemplo, em um forno

em que a temperatura interna do forno medida e o seu valor comparado com uma

referncia pr-estabelecida. Se a temperatura dentro do forno menor que a referncia, ento

se aplica ao forno uma potncia proporcional a esta diferena. Neste sentido, a temperatura

dentro do forno tender a crescer diminuindo a diferena com relao referncia. No caso do

erro ser negativo, temperatura do forno maior que o valor de referncia, um sistema de

resfriamento do forno com potncia proporcional a este erro se ativaria, ou, simplesmente, se

desligaria o aquecimento do mesmo. Desta maneira, a temperatura do forno tenderia sempre a

estabilizar no valor de referncia ou em um valor muito prximo desta, garantindo ao sistema

de controle uma boa preciso. Alm disto, variaes da temperatura externa, que fariam variar

a temperatura dentro do forno, seriam compensadas pelo efeito da realimentao, garantindo

ao sistema capacidade de adaptao a perturbaes externas.

17

Um aspecto importante a se discutir a questo do desemprego e a automao. Alguns

consideram que empregos so perdidos com aplicao dessas tecnologias, quando em muitos

casos o contrario que acontece, geram se empregos que demandam de uma melhor

capacitao tcnica em varias reas e eliminam empregos com alto grau de periculosidade e

repetitivos. Alm disso, preciso analisar a questo da competitividade das empresas, com

esses sistemas possvel aumentar a produtividade, reduzir custos e diminuir os impactos

ambientais.

2.1 Instrumentos de medio de nvel

A ideia principal est em misturar dois lquidos nas corretas propores para obter se um

determinado produto para que isso ocorra de maneira satisfatria deve se controlar os nveis

de tanques para que o processo funcione com uma maior eficincia. Outras aplicaes

importantes so o controle de nvel em fazendas que possuem irrigao artificial. Nelas h

reduo de matria prima gasta e permite a correta quantidade de agua e produtos nas

plantaes. Nas criaes de animais, manter os bebedouros em certo nvel pode ser importante

para o crescimento e desenvolvimento dos mesmos, alm de diminuir possveis prejuzos.

Controlar os alimentadores desses criadouros tem sua importncia no desenvolvimento dos

animais por ser possvel calcular a quantidade de alimento necessria para o crescimento.

Figura 2.1 Diagrama de blocos de um sistema de malha fechada. Fonte: OGATA, 2003.

18

Pode se, tambm, variar os tipos de alimento de acordo com seu valor nutricional para

otimizar o crescimento da populao.

Segundo Schmidt (2008), em vrios ambientes industriais necessrio fazer o controle de

nvel principalmente na indstria qumica e em laboratrios. Nesses processos h a

necessidade de manter as relaes de proporcionalidade entre os componentes para obter

produto com maior uniformidade, por isso to importante o controle de nvel em alguns

processos. Alm disso, o uso da automao industrial pode aumentar a segurana quando as

condies de trabalho so agressivas, por exemplo, na exposio a altas temperaturas,

reagentes explosivos, cidos e bases fortes.

Os sensores de nvel mais utilizados so do tipo chave de nvel, figura 2.2, que indicam

apenas se esto acionados ou no, enviando um sinal lgico um estiverem acionados ou zero

caso contrrio. Outro sensor de muito uso a boia, figura 2.3. Devido a sua simplicidade, este

tipo de sensor alia baixo custo e fcil instalao. O seu contato no utiliza mercrio e o

diferencial pode ser ajustado por meio de um contra peso, ideal em tanques e fossas de

efluentes, dejetos industriais ou gua, controle de bombas e locais de difcil acesso

montagem de outros tipos de sensores de nvel.

Figura 2.2 Medidor de nvel tipo chave. Fonte: INCONTROL, 2008.

19

A medio de nvel do tipo condutivo, segundo Bortoni (2009), usada com frequncia no

controle de bombas e vlvulas e no controle de nvel em caldeiras. O sistema normalmente

composto de trs eletrodos superior (Es), inferior (Ei) e de referncia (Er), monitora-se o nvel

mximo e mnimo do lquido a ser controlado, figura 2.4. O eletrodo de referncia, Er, deve

sempre ser instalado abaixo do nvel mnimo, podendo ser substitudo pela prpria carcaa do

reservatrio se este for condutor. Devido tenso entre Er e Ei, quando o lquido interliga

ambos, h circulao decorrente de acordo com a condutibilidade do lquido, mximo 100k.

Quando o nvel do lquido for menor que Ei, cessa a circulao de corrente. Isto permite

detectar o nvel mnimo. Para o nvel mximo, ocorre o mesmo processo entre Er e Es.

Devido circulao de corrente alternada nos eletrodos, minimiza-se o processo de eletrlise

prolongando a vida til dos mesmos.

Figura 2.3 Medidor de nvel tipo boia. Fonte: BORTONI, 2009

Figura 2.4 Medidor de nvel tipo condutivo.

Fonte: CONTECH, 2002.

20

Outro tipo de medio e controle bastante utilizado baseado na tecnologia ultrassnica,

segundo Araujo (2012), pode ser aplicada em materiais tanto lquido, slido e gasoso. O fato

de no haver contato fsico entre o sensor e o meio medido preserva o equipamento, alm de

estar menos suscetvel a erros de medio por algum tipo de perturbao externa. Essa

tecnologia indicada em casos de execuo em situaes crticas como em silos e tanques de

pequenos dimetros e ou com a presena de gases e ou vapores e ou p. Os medidores

ultrassnicos, figura 2.5, podem ser utilizados nos mais variados materiais como gua,

efluentes, lquidos inflamveis ou corrosivos e slidos como granulados, ps (cal, cimento,

farinha), cavaco de madeira.

O mtodo ultrassnico para medida de nveis ou deslocamentos utiliza um circuito eletrnico

que fornece um trem de pulsos para excitar um transdutor piezo eltrico o qual gera um frente

de onda de presso acstica que se propaga no ar at atingir um anteparo plano ou a parte

superior do fluido. Parte da energia acstica retorna para o transdutor em forma de um eco

aps certo intervalo de tempo. Medindo se este intervalo de tempo e conhecendo a velocidade

do som no ar pode-se calcular a distncia entre o transdutor e o anteparo e com isso medir o

nvel.

Figura 2.5 - Medidor de nvel ultrassnico.

Fonte: COELHO, 2008.

21

2.2 Instrumentos de medio de temperatura

O controle e medio de temperatura so de grande importncia na maioria dos processos

industriais, pois na maior parte dos casos a temperatura interfere nos resultados. Alm disso,

um controle dessa varivel permite misturar dois lquidos com temperaturas diferentes para

obter determinado produto. A temperatura a segunda varivel mais utilizada nos sistemas de

automao industrial, figura 2.6.

A medio da temperatura conhecida como Termometria, uma parte da termologia que

estuda a temperatura e suas formas pelas quais a mesma pode ser medida. Existem diversas

escalas de temperatura, no entanto, na prtica se usa para fins cientficos e industriais. As trs

mais importantes so: Celsius, Fahrenheit e Kelvin. A unidade bsica de temperatura o

Kelvin (K), unidade do sistema internacional, um kelvin rigorosamente definido como os

1/273,16 avos da temperatura do ponto triplo da gua, o ponto onde gua, gelo e vapor de

gua coexistem em equilbrio. As escalas se relacionam entre si, tabela 2.1, e so facilmente

convertidas umas nas outras.

Figura 2.6 Uso das variveis no processo. Fonte: TEMPERATURA..., 2013.

22

Tabela 2.1. Correlao entre as escalas de temperatura.

Escalas K C F

Fuso da agua 273,15 0 32

Ebulio 375,15 100 212

Zero absoluto 0 -273,15 -459,67

Os sensores de temperatura mais empregados nas indstrias e nas prticas cientificas esto

divididos basicamente em quatro categorias, pares termoeltricos ou termopares, resistence

temperature device (RTD), termistores e CIs sensores.

Os pares termoeltricos ou termopares, segundo Coelho (2008), so a juno de dois metais

diferentes ou ligas metlicas de natureza distinta, ao aplicar uma diferena de temperatura

entre as suas extremidades surge uma tenso entre os extremos, normalmente em milivolts

(mV), conhecida como tenso termoeltrica. O fsico alemo Thomas Johann Seedback foi

quem observou esse fenmeno e por isso ele tambm conhecido como efeito SeedBack.

Toda vez em que houver diferena de temperatura entre as extremidades, uma tenso

relacionada com essa disparidade de temperatura ser criada e consequentemente uma

corrente circular pelos metais. A junta colocada acima da chama denominada juno

quente, a junta oposta chamada de juno fria ou de referncia. Nela pode ser ligado um

multmetro para medir uma tenso e converte-la posteriormente em temperatura. A figura 2.7

ilustra melhor o funcionamento e a construo de um termopar e a figura 2.8 mostra a

correlao entre temperatura e tenso entre os diferentes tipos de pares termoeltricos.

Figura 2.7 Termopar.

Fonte: COELHO, 2008.

23

Existem basicamente sete tipos de termopares, cada qual com uma composio caracterstica,

com uma faixa de temperatura em que atuam, um ambiente propcio e com uma sensibilidade

relacionada a um valor de tenso. Tm se os termopares de Tipo J, adequados para atmosferas

inertes ou redutoras e que se oxidam muito rapidamente acima de 538C e que tambm no

so adequados para temperaturas abaixo de 0C; alm de serem sensveis a 51,5 mV/C

(25C). J os termopares de Tipo K so amplamente utilizados em temperaturas acima de

538C devido s limitaes do Tipo J. O de Tipo N utilizado em aplicaes onde o termopar

de Tipo K se oxida. O de Tipo T adequado para oxidao de atmosferas, inertes e condies

de reduo. Os Tipos R e S so sugeridos para altas temperaturas, mas seu uso contnuo em

altas temperaturas provoca o crescimento de gros e podem sofrer uma ruptura mecnica. Por

ltimo, o Tipo B semelhante ao R e S, pois sua temperatura limite mais elevada, mas ele

menos susceptvel ao crescimento de gros. As tabelas 2.2, 2.3 mostram algumas

caractersticas e a composio de cada tipo de par termoeltrico.

Figura 2.8 Correlao entre temperatura e tenso entre os termopares.

Fonte: CURVA..., 2013.

24

Os RTDs ou termorresistncias, resistence temperature device, segundo Frana (2007), so

os sensores baseados no princpio da mudana de resistividade dos metais puros com a

variao da temperatura. Esto entre os sensores mais simples de usar e ao mesmo tempo

mais confiveis. Sua caracterstica mais marcante sua resposta praticamente linear do

coeficiente positivo de variao (). Os metais tipicamente incluem Nquel (Ni) e Cobre (Cu),

mas os de Platina (Pt) so os mais utilizados graas sua preciso, estabilidade e faixa de

operao. O popular sensor de temperatura PT100 um RTD de platina, cuja resistncia

nominal a 0 C de 100 W, variando cerca de a=0,385% por C. H tambm o PT1000 cuja

resistncia nominal de 1 kW. Para medir temperatura com um PT100 preciso usar um

circuito eletrnico para medir a variao na sua resistncia, usualmente uma ponte de

resistncias. Esse tipo de sensor tambm bastante empregado nos medidores digitais em

geral, seja para termmetros clnicos, seja para medidores industriais ou comerciais, como

aqueles utilizados em cmaras frigorficas ou balces resfriados de supermercados. A figura

2.9 mostra a configurao bsica desse tipo de sensor. Os RTDs so normalmente divididos

em duas classes: Classe A e Classe B, em funo da incerteza da medio.

Tabela 2.2. Caracteristicas dos termopares.

Tipo Faixa recomendada Sensibilidade (25 C)

J 0 - 760C 51,5 mV/C

K -200 - 1250C 40,5 mV/C

N 0 1260C 26,5 mV/C

T -200 - 350C 41,0 mV/C

R 0 - 1450C 6 mV/C

S 0 - 1450C 6 mV/C

B 800 - 1800C 9 mV/C (a 1000 C)

Tabela 2.3. Composio dos termopares.

Tipo Composio

J Fe - Constantn*

K Cromel* - Alumel*

N Nicrosil* - Nisil*

T Cu - Constantn

R 13%Pt 87%Rh

S 10%Pt 90%Rh

B 30%Pt 70%Rh

25

O principio de funcionamento dos termorresistores baseado no efeito termomecnico, um

aumento de temperatura causa um aumento nas dimenses fsicas do material em condies

normais de temperatura e presso. Os elementos resistivos so de materiais como platina,

nquel e so metais que apresentam as seguintes caractersticas: alta resistividade, para uma

melhor sensibilidade, ter alto coeficiente de variao de resistncia em relao temperatura e

possuir rigidez e ductilidade para ser transformado em fios finos. A figura 2.10 mostra um o

sensor Pt100, um dos mais utilizado pela indstria.

Os termistores ou transdutor resistivo semicondutor, segundo Coelho (2008), so

componentes de estado slido feitos de materiais sintticos especiais, cuja resistncia varia de

acordo com a temperatura de uma forma bastante comportada e reprodutvel. H dois tipos

bsicos: se a resistncia aumenta com o aumento da temperatura, do tipo Positive

Temperature Coefficient (PTC). Se a resistncia diminui com o aumento da temperatura, do

tipo Negative Temperature Coefficient (NTC), figura 2.11. Para medir a temperatura com um

termistor preciso que uma pequena corrente contnua circule por ele. A queda de tenso

sobre o termistor ser ento uma funo da temperatura. Os termistores so muito usados em

termmetros digitais caseiros, sendo revestidos com uma proteo plstica ou metlica.

Figura 2.9 Configurao bsica.

Fonte: COELHO, 2008.

Figura 2.10 Pt100.

Fonte: FRANA, 2007.

26

Os CIs sensores, figura 2.12, basicamente so diodos ou transistores, em polarizao direta,

em geral, associados aos seus condicionadores de sinal, isto em funo da necessidade de

ajuste individual do sistema para cada sensor. A grande vantagem dos circuitos integrados

projetados para operar como sensores de temperatura que eles j possuem recursos que

permitem obter uma resposta linear. Alm disso, j possuem circuitos de sada capazes de

fornecer sinais intensos, com caractersticas que os circuitos usados normalmente podem

operar. No entanto, a maior dificuldade que o nmero de componentes disponveis

pequeno, assim como as configuraes e faixas de temperatura. Os sensores, alm disso,

precisam de uma fonte de alimentao externa, o que os torna tambm sensveis ao prprio

aquecimento dado pela corrente de operao. Isso faz com que erros sejam introduzidos.

Para facilitar o entendimento sobre os critrios de seleo de sensores, foram reunidas

algumas informaes sobre os sensores descritos e colocados na forma da tabela 2.4.

Figura 2.11 Termistor.

Fonte: FRANA, 2007.

Figura 2.12 Lm35.

Fonte: DATASHEET, 2013.

27

2.3 Controladores lgicos programveis

Os controladores lgicos programveis, CLP, so computadores especializados baseados em

microprocessador que executam funes de controle de diversos tipos e nveis de

complexidade. O primeiro controlador totalmente programvel foi desenvolvido em 1968 pela

Bedford Associates, depois chamada de Modicon com o objetivo de substituir os antigos

painis de controle a rels que realizavam a lgica sequencial do controle das mquinas. Ele

foi projetado para atender as necessidades e especificaes da General Motors Hydramatic

Division, com as seguintes caractersticas:

Facilidade de programao e reprogramao, preferivelmente na planta, para alterar

sua sequncia de operaes;

Facilidade de manuteno e reparo;

Confiabilidade;

Tamanho reduzido em comparao a painis de rel;

Tabela 2.4. Criterios de seleo de sensores de temperatura.

28

Custo competitivo com os de painis de rel;

Aceitar as entradas em 115 Vca e sadas em 115 Vca com uma capacidade mnima de 2

A, para operar vlvulas solenoides e contatores;

Capacidade de expanso com poucas alteraes no sistema;

Ter uma memoria programvel com capacidade de expanso.

Os primeiros CLPs eram grandes e de custo elevado a sua utilizao era vantajosa apenas em

aplicaes que substituam pelo menos 150 reles. Com o avano tecnolgico houve melhorias

tanto na concepo de projeto quanto na adio de circuitos integrados que permitiram o uso

mais disseminado dos controladores.

De acordo com a Associao Brasileira de Normas Tcnicas (ABNT), o CLP pode ser

definido como um equipamento eletrnico digital com hardware e software compatveis com

aplicaes industriais e segundo a International Electrotechnical Commission (IEC) como o:

sistema eletrnico operando digitalmente, projetado para uso em um ambiente industrial, que

usa uma memria programvel para a armazenagem interna de instrues orientadas para o

usurio para implementar funes especificas, tais como lgica, sequencial, temporizao,

contagem e aritmtica, para controlar, por meio de entradas e sadas digitais ou analgicas,

vrios tipos de mquinas ou processos. O controlador programvel, figura 2.13, e seus

perifricos associados so projetados para serem facilmente integrveis em um sistema de

controle industrial e facilmente usados em todas suas funes previstas.

Figura 2.13 Controlador lgico programvel.

29

Os principais componentes de um CLP so a sua unidade de processamento central (UPC),

conhecida tambm por central processing unit (CPU), os mdulos de entrada e sada tanto

digital quanto analgicos, um terminal de programao, memoria e uma fonte de alimentao.

Os CLPs monitoram suas entradas e sadas e executam um algoritmo que definido pelo

usurio para se controlar determinado processo de forma cclica. O programa inserido no

controlador por meio de microcomputador, teclado numrico porttil ou programador

dedicado.

A CPU segundo GE (2006), responsvel pelo gerenciamento das operaes do CLP, executa

as instrues programadas armazenadas na memria. Um barramento transporta as

informaes entre a CPU, memria e mdulos de entrada e sada (E/S), sob o controle da

CPU, figura 2.14. A CPU alimentada com uma frequncia de clock por um cristal externo

de quartzo ou oscilador RC, tipicamente entre 1 a 12 MHz, dependendo do microprocessador

usado e da aplicao. O clock determina a velocidade de operao do CLP e fornece o

sincronismo para os elementos no sistema.

A fonte de alimentao, figura 2.15, de um CLP tem como funo receber uma corrente

alternada e converte-la em corrente continua para a alimentao dos microprocessadores,

memorias e circuitos auxiliares recebem e fornece tenso para as entradas e sadas.

Figura 2.14 - CPU de um CLP Gefanuc Versamax.

Fonte: GE, 2006

30

Segundo Ribeiro (2001), o terminal de programao permite a comunicao entre o CLP e o

usurio, normalmente usado um computador, com software especfico, como estao de

trabalho para a configurao e desenvolvimento de programas. A possibilidade de

desenvolver grficos, visualizar as programaes e at mesmo em alguns casos simular o

comportamento das entradas e sadas torna o uso do computador mais pratico e dinmico que

outros mtodos de interfaceamento. A comunicao CLP-PC pode ser feita pela da porta

serial Rs-232 ou por conexo USB.

Os mdulos de entrada e sada ou interface E\S so a porta de comunicao do processo

externo e o CLP, ou seja, o que possibilita receber as variveis que se deseja controlar e

aplicar aes de controle desejveis. Eles recebem as informaes por meio de circuitos de

interface proporcionais as variveis do processo que podem ser nvel, temperatura, vazo,

posio, presso. Normalmente os mdulos so compostos por quatro, oito, doze ou dezesseis

terminais onde so ligados por meio de fios os sensores, transdutores e atuadores do processo.

Em alguns CLPs eles so divididos em modulo de entrada e sada em outros so combinados

no mesmo modulo sendo chamados de CLPs modulares.

Em muitos casos o numero de entradas e sadas no so necessariamente iguais sendo que na

maioria das vezes existem mais entradas. Os mdulos so classificados como discretos ou

analgicos, o primeiro se relacionam aos sinais digitais, zero ou um, e tem aplicao em quase

Figura 2.15 Fonte de um CLP. Fonte: GE, 2006.

31

todas as aplicaes de um CLP, em especial em sistemas sequenciais. O segundo so valores

contnuos que so convertidos em sinais digitais.

As entradas, segundo Nakagawa (2009), recebem os dados provenientes de sensores,

transdutores, chaves e converte esses em sinais adequados aos processadores dos

controladores. Em grande parte dos processos utiliza se de variveis discretas, sinais on-off,

liga-desliga, aberto-fechado sendo assim esses mdulos so conhecidos com discretos. No

entanto existem sistemas em que os sinais analgicos predominam como tenso, corrente,

temperatura, vazo. Os mdulos analgicos necessitam de conversores analgico-digital (AD)

para que esse tipo de informao possa ser convertida em uma linguagem adequada aos

processadores. A tabela 2.5 revela alguns dos principais componentes associados s entradas

de um CPL.

Tabela 2.5. Entradas tipicas dos CLPs

Entradas Discretas Entradas Analgicas

Chaves seletoras Transdutores de Corrente e Tenso

Push Buttons Transdutores de Temperatura

Sensores Fotoeltricos Transdutores Presso

Chaves Fim de Curso Transdutores de Fluxo

Sensores de Proximidade Potencimetros

Chaves Sensores de Nvel Chave Thumbwhell

Contato de Partida Encoder Absoluto

Contato de Rele Encoder Incremental

Os mdulos de sada comunicam o processador com os dispositivos de sada, tais como:

atuadores, motores ou sinalizadores. Os mdulos de sada recebem sinais provenientes da

logica de controle e acionam dispositivos que podem alterar alguma nuance do processo como

uma vlvula de controle de presso de um gs que faz parte de um processo de combusto. A

tabela 2.6 relaciona alguns dos dispositivos mais usados nos mdulos de sada de um CLP.

32

Tabela 2.6. Sadas mais comuns dos CLPs.

Sadas Discretas Sadas Analgicas

Partidas de Motores Medidores Analgicos

Solenoides Atuadores Analgicos

Reles de Controle Controladores de Potencia

Lmpadas Vlvulas Analgicas

Alarmes Acionadores de Motores

Sirenes Displays de Sete Segmentos

Vlvulas Displays Alfanumricos

Ventiladores Acionadores de Motor de Passo

Os CLPs, segundo Pereira (2012), funcionam na base do ciclo de varredura ou scanning, isto

a leitura dos estados de entrada, a execuo do programa executivo, desenvolvido pelo

usurio, e a atualizao das sadas de forma cclica, figura 2.16. As informaes a cada ciclo

so processadas e analisadas pelo processador e podem resultar em aes de controle como o

desligamento de uma sada que aciona uma vlvula. O tempo de varredura depende do tipo de

CLP, capacidade e velocidade do processador, tamanho do programa desenvolvido pelo

usurio e o numero de entradas e sadas e seu tipo. A maioria dos controladores disponveis

no mercado tem como principio bsico de funcionamento a logica descrita acima.

Os CLPs podem ser programados em varias linguagens de programao e por isso forma

desenvolvidas vrios tipos diferentes, ou seja, cada fabricante poderia ter uma linguagem

Figura 2.16 Funcionamento bsico de um CLP. Fonte: O FUNCIONAMENTO..., 2013.

33

prpria. Por causa disso a IEC determinou a norma IEC 61131-3 que definiu cinco linguagens

de programao, definiu funes padro como: aritmticas (adio, subtrao, multiplicao,

diviso), seletoras, trigonomtricas, condicionadoras de sinais, comparadoras e de tempo. Os

CLPs tm a partir dessa determinao duas linguagens textuais, texto estruturado e lista de

instrues, e trs delas grficas, diagrama ladder, diagrama de blocos, diagrama funcional

sequencial.

A linguagem lista de instrues ou instruction list (IL) define mnemnicos, como feito na

em assembly utilizada nos microprocessadores e microcontroladores. Os mnemnicos

representam operaes lgicas booleanas e comandos de transferncia de dados. As instrues

contem apenas uma operao por linha e apresenta alta eficincia em pequenas aplicaes ou

para melhorar partes de uma aplicao mais complexa. Ela composta de uma sequncia de

instrues em que cada instruo deve comear em uma nova linha e deve conter um operador

que pode ter modificadores de instruo.

A tabela 2.7 representa os principais comandos de operao da linguagem lista de instrues.

A figura 2.17 relaciona comandos em diagrama ladder para a lista de instrues para um

melhor entendimento.

Figura 2.17 Comparao do mesmo programa em ladder vs IL. Fonte: PEREIRA, 2012.

34

A programao de texto estruturado ou structured text (ST), uma linguagem de alto nvel,

semelhante ao Pascal, textual e que incorpora vrios conceitos intuitivos. Ela abrange os

elementos comuns de linguagem de programao moderna como as instrues condicionais,

if, then, else e case of, e tambm as instrues de iteraes, for, while e repeat. eficiente no

desenvolvimento de programao estruturada em que se tm funes complexas, onde difcil

expressar com linguagem grfica, como linguagem de algoritmos de otimizao e inteligncia

artificial. Na tabela 2.8 pode se observar os comandos tpicos e alguns exemplos de sua

aplicao.

Tabela 2.7. Principais operadores da Lista de Instrues

35

Diagrama ladder ou Ladder Diagram (LD), foi a primeira linguagem a surgir para a

programao dos controladores lgicos programveis, uma linguagem grfica de

representao ordenada com a aparncia de uma escada, cujos trilhos laterais paralelas so as

linhas de alimentao e cada lgica associada a uma bobina chamada de degrau, em ingls:

rung. A sua grande disseminao ocorreu devido aos seus smbolos grficos serem derivados

dos usados nos esquemas eltricos tradicionais, isso auxiliou em uma adaptao mais

tranquila para os tcnicos e engenheiros na sua utilizao. Pode se enumerar as principais

vantagens e desvantagens desse tipo de programao de CLPs.

Tabela 2.8. Comandos da linguagem de texto estruturado

36

Principais vantagens da linguagem ladder:

Possibilidade de uma rpida adaptao do pessoal tcnico (semelhana com diagramas

eltricos convencionais com lgica a rels);

Possibilidade de aproveitamento do raciocnio lgico na elaborao de um comando

feito com rels;

Fcil visualizao dos estados das variveis sobre o diagrama ladder, permitindo uma

rpida depurao e manuteno do software;

Documentao fcil e clara;

Smbolos padronizados e mundialmente aceitos pelos fabricantes e usurios;

Tcnica de programao mais difundida e aceita industrialmente.

Principais desvantagens da linguagem ladder:

Utilizao em programas extensos ou com lgicas mais complexas bastante difcil;

Programadores no familiarizados com a operao de rels tendem a ter dificuldades

com essa linguagem;

Edio mais lenta.

Os elementos constituintes de um degrau podem ser divididos em componentes de entrada e

de sada. O principal componente de entrada o contato. Quanto operao o contato pode

ser retentivo ou no retentivo. Quanto lgica, o contato pode ser normalmente aberto (NA)

ou normalmente fechado (NF). A instruo de sada no final da linha representada pelo

smbolo de uma bobina, figura 2.18. O diagrama ladder tambm conhecido como diagrama

elementar ou diagrama de linha.

37

Segundo Ribeiro (2001), os contatos NA e NF podem ser de chave manual ou de automtica,

pressostato, termostato, chaves automticas de nvel e de vazo, chave trmica de motor.

Quanto ao tempo, os contatos podem ser instantneos ou temporizados para abrir ou fechar. O

principal componente de sada a bobina, associada ao starter de motor, ao rel ou solenoide.

Outros componentes incluem lmpada piloto, sirene ou buzina.

A sua utilizao em problemas de logica mais complexas e em programas extensos

problemtica e seu uso deve ser combinado com outros tipos de linguagem de programao.

O funcionamento da logica da linguagem ladder consiste em energizar as sadas a partir de um

fluxo de energia entre as linhas verticais, por meio de contatos e bobinas. A barra da esquerda

considerada como um barramento energizado e da barra da direita um barramento terra cria

se assim uma diferena de potencial, ou seja, a corrente circular da esquerda para a direita se

a logica entre os degraus for satisfeita. Uma regra seguida por quase todos os fabricantes de

CLPs que o fluxo reverso, da direita para esquerda, no permitido, ou seja, de maneira

diferente do que acontece nos circuitos eltricos reais, o fluxo de corrente eltrica virtual em

uma lgica ladder flui somente no sentido da barra esquerda para direita. A circulao comea

na parte superior da coluna da esquerda e termina na parte inferior da coluna da direita. Os

elementos de entrada e sada da logica de controle representam uma instruo alocada em um

endereo especifico e ocupam uma quantidade de memoria no programa de aplicao.

Figura 2.18 Programao na linguagem ladder. Fonte: PEREIRA, 2012.

38

Diagrama de blocos de funo ou functional block diagram (FBD), uma linguagem grfica,

difundida na Europa, em que seus elementos so expressos por blocos interligados, assim

como, na eletrnica digital. Ela permite procedimentos complexos com de blocos de funo

padro como AND, OR, NOT, entre outros. Os blocos podem partir de funes bsicas e

simples para implantar funes mais complexas, e isso propicia ao programador um

desenvolvimento hierrquico e modular dos programas. indicada para processos qumicos

em geral e em processamento descentralizado e seu uso muitas vezes combinado com o

diagrama ladder.

O diagrama de blocos considerado uma linguagem de nvel intermedirio, verstil e pratica,

ela tem varias funes de temporizao pr-definidas o que auxilia no desenvolvimento de

programas. Devido sua importncia, foi criada uma norma para atender especificamente a

esses elementos, IEC 61499, visou se incluir instrues mais poderosas e tornar mais clara sua

programao. A figura 2.19 correlaciona as funes bsicas da linguagem ladder, diagrama de

blocos de funo e lista de instrues.

Figura 2.19 Correlao entre as linguagens.

Fonte: PLC..., 2013.

39

Diagrama funcional sequencial, tambm conhecido como Grafcet, um mtodo de

representao que combina smbolos grficos e elementos textuais e permite declaraes

globais e especificas. Ela foi definida pelo IEC 60848 teve origem devido ao esforo de

grupos de pesquisadores franceses em 1975 envolvidos em complexos sistemas de controle

discreto e visou facilitar e uniformizar o tratamento de projetos, execuo, manuteno e

explorao de automao sequencial. A partir desses sistemas e da experincia dos

envolvidos elaborou se um modelo, derivado de dezessete tcnicas, mais adequado a sistemas

de manufatura complexos.

Segundo Rosario (2005), o diagrama sequential flow chart (SFC), tem como princpios

fundamentais as etapas, transies e a condio associada transio e as ligaes orientadas.

As etapas ou passos podem ser ativas ou inativas, representam um estado parcial do sistema

no qual uma ao foi executada. As aes so executadas quando as etapas esto ativas e

quando as etapas esto inativas permanecem adormecidas. A transio faz a conexo de uma

etapa para a outra se a ao da etapa anterior for executada com xito e ser seguido pelas

aes do passo seguinte. Toda vez que as condies so verificadas verdadeiras para uma

transio, os passos prvios se tornam inativos, e os passos seguintes se tornam ativos. A

figura 2.20 representa um exemplo de aplicao desse mtodo em um acionamento de um

motor.

Figura 2.20 Acionamento de um motor diagrama SFC. Fonte: ROSARIO, 2005.

40

2.4 Sistemas de aquisio e controle de dados

A sigla SCADA uma expresso em ingls para Supervisory Control and Data Acquisition,

ou seja, controle supervisrio e aquisio de dados. A aquisio de dados representa a

obteno de informaes e seu armazenamento, com esses dados pode se realizar o

monitoramento e analise de variveis envolvidas em um controle de processo. Esses sistemas

servem como uma interface entre operadores e processos em diversas situaes como

maquinas industriais, controle de processos. A partir dos sistemas SCADA pode se idealizar

tanto projetos simples como automao e controle de um tanque de abastecimento quanto os

painis de controle das grandes geradoras e distribuidoras de energia eltrica e das grandes

plataformas de explorao de petrleo. Os elementos bsicos de um SCADA so os drivers de

comunicao com os equipamentos, uma interface homem maquina (IHM), e um registro

continuo dos dados. As IHMs em geral disponibilizam elementos grficos tpicos das

aplicaes industriais como botes, cones, motores para facilitar a visualizao do que esta

sendo monitorado e ou controlado no processo para os operadores. A figura 2.21 ilustra um

exemplo em que utilizado esse sistema em um processo, no qual, deseja se controlar nvel e

fluxo de um fluido.

Os sistemas SCADA possuem diversas funes sendo as mais utilizadas citadas abaixo:

Gerao de grficos e relatrios com o histrico do processo;

Deteco de alarmes e registro de eventos em sistemas automatizados;

Controle de processos incluindo envio remoto de parmetros e set-points, acionamento

e comando de equipamentos;

Uso de linguagens de script para desenvolvimento de lgicas de automao.

41

2.5 Sistemas supervisrios

Os conceitos relativos aos sistemas supervisrios comearam a aparecer no inicio da dcada

de oitenta mesmo que esses no fossem especficos. A logica de reles dominava o cenrio

tecnolgico da poca, os painis acendiam luzes de alerta para informar os operadores de

alguma anomalia no processo, ou seja, um exemplo de sistema supervisrio primitivo que no

permitia o monitoramento em tempo real das variveis. O desenvolvimento da informtica

acelerou o desenvolvimento desses sistemas que podiam ser executados com diversos

recursos extras, como, por exemplo, a visualizao global dos processos em telas de

computadores, histricos da produo, uma interface mais amigvel para o operador. A partir

desses recursos permitiu se uma analise melhorada dos dados, com o uso de tcnicas

estatsticas mais elaboradas e diminuio de erros. O monitoramento em tempo real comeou

a ser aplicado em alguns processos apesar de seu custo de ser ainda elevado.

Os sistemas supervisrios tornaram uma das principais ferramentas para o controle de

processos e tm como principais caractersticas:

Figura 2.21 Exemplo de uma arquitetura SCADA. Fonte: MENDES, 2007.

42

Interface de dados amigvel, ou seja, apresentar visualizao grfica que facilite o

entendimento do operador do sistema;

Gerao automtica de relatrios, com o controle estatstico do sistema;

Histrico de tendncias, acompanhamento das variveis controladas;

Facilidade para interao com outros aplicativos

Acesso automtico a banco de dados;

Acesso compartilhado e remoto;

Conexo em rede e por meio de modem ou rdio;

Gerenciamento das condies de alarme.

Segundo Mendes (2007), um sistema de superviso funciona em nvel tanto de software como

de hardware. Os softwares supervisrios, figura 2.22, com a evoluo da computao e das

tecnologias de comunicao permitiram o monitoramento e controle das variveis do processo

em anlise, a segurana e a disponibilidade da informao, alm de, interligar todo o processo

possvel visualizao por meio de telas grficas, aplicvel em todos os tipos de processos

sejam eles comerciais residenciais ou industriais.

Segundo Rosrio (2005), Os principais softwares de superviso so:

Elipse (Elipse);

Wizcon (Emation);

Intouch (Wonderware);

Ifix (Intellution);

RsView (Rockwell Automation);

Cimplicity (Ge-fanuc);

Unisoft (factory Link).

43

2.6 Elipse E3

Segundo Elipse (2012), o software desenvolvido um sistema SCADA, Supervisory Control

and Data Acquisition, ou seja, uma plataforma para superviso e controle de processo com

muitas funcionalidades em nvel de excelncia com foco em operaes em rede e aplicaes

distribudas. Entre suas caractersticas esto um avanado modelo de objetos, uma poderosa

interface grfica, e sua arquitetura que permite conectividade com vrios dispositivos e outros

aplicativos e rpido desenvolvimento de aplicaes.

O desenvolvimento do Elipse E3 incorporou varias tecnologias de criao software e com isso

visou se maximizar o desempenho, a produtividade e a qualidade de suas aplicaes e do

processo. O funcionamento dele comea pela coleta de dados em tempo real por meio de

equipamentos de aquisio de dados ou de controle como, por exemplo, CLPs, Unidades

Terminais Remotas (UTRs), Data Acquisition Boards (DAQs), Placas de Aquisio de

Dados, controladores Multi-Loop ou Single-Loop, centrais de incndio e balanas. Os

dispositivos de aquisio de dados podem se conectar ao software por meio de alguma

Figura 2.22 Exemplo de um sistema supervisrio.

Fonte: PROGRAMAO..., 2013

44

interface, como, padres seriais RS232, RS422 ou RS485; rdio ou modem (linhas privadas

ou discadas), TCP/IP ou UDP/IP, placas ligadas diretamente no barramento do computador.

Os mdulos, drivers de comunicao, so responsveis pela leitura e escrita dos dados dos

equipamentos no Elipse E3, e eles implementam o protocolo ,de domnio pblico ou privado,

disponvel em cada um desses equipamentos. Os drivers normalmente esto no formato OPC,

OLE for Process Control, ou em formato criado pela prpria Elipse.

Os dados podem ser manipulados de maneira a criar vrios tipos de representao, entre elas:

Telas: permitem criar uma IHM localmente, pela rede local ou internet, com o intuito

de exibir o status atual ou passado dos dados em vrias formas, com o auxlio de um

editor grfico e objetos especficos;

Relatrios: permitem visualizar e imprimir os dados, dentre outros mdulos e

possibilidades;

Histricos: armazenam os dados em bancos de dados relacionais;

Alarmes e Eventos: monitoram o acontecimento de situaes especficas.

O programa tem seu funcionamento baseado em um modulo principal, o E3 Admin,

responsvel pela coordenao dos mdulos e pelo gerencia de informaes entre eles e os

mdulos independentes que tem a capacidade de processar atividades especificas. A

tecnologia de objetos distribudos usada pelo E3 Admin permite a execuo dos componentes

em varias maquinas e computadores. O E3 composto de um ncleo (kernel) responsvel por

unir e coordenar o trabalho de vrios outros mdulos, que tambm so servidores de

informaes. A partir da so geradas as interfaces grficas com o usurio, disponveis por

meio dos clientes, tanto locais como pela Internet. Um ambiente desenvolvido no E3 pode ser

visto na figura 2.23.

45

Figura 2.23 Tela do Elipse E3.

Fonte: PIMENTA, 2010.

46

3 SIMULAO DO MISTURADOR DE LIQUIDOS

A planta, figura 3.1, composta de cinco tanques de acrlico, eles so classificados como

tanque A, B, C, D, E. Os materiais 1 e 2 vem de fontes inesgotveis para efeito de simulao.

Existem trs bombas hidrulicas instaladas e quatro vlvulas solenoides que tem a funo de

escoar os lquidos assim que eles atinjam as condies estabelecidas. Os sensores instalados

nos tanques so para medio de nvel e temperatura, sendo quatro desses sensores digitais de

nvel e dois deles analgicos de nvel e um medidor de temperatura. No tanque B se localiza

uma resistncia para aumentar a temperatura do liquido quando esse fica armazenado nele e

no tanque E um misturador de lquidos. Uma esteira transporta recipientes para o envaze final.

Figura 3.1 Planta do misturador e envaze.

47

3.1 Programao

O processo consiste em misturar dois lquidos nas devidas condies necessrias, no caso, em

uma determinada temperatura e em corretas quantidades e com isso obter alguns produtos. O

processo descrito foi programado por meio do software XSoft-CoDeSys, esse permite a

programao nas linguagens mais comuns usadas nos CLPs. A linguagem utilizada foi a

ladder e o software permite a simulao do comportamento dos elementos presentes no

processo. A programao realizada ser apresentada em partes para facilitar a visualizao e a

compreenso do que foi feito no processo.

O tanque A recebe o material 01 atravs de uma bomba B01 e preenchido ate certo nvel,

um sensor digital de nvel SD01 determina o nvel mximo e cessa o bombeamento. Ao

acionar esse sensor uma vlvula solenoide VS01 acionada e durante um tempo fica aberta e

permite o escoamento para o tanque B. O contato aux 01 ativado depois que o timer t01

conta 10s e com isso fecha a vlvula VS01. Como o envaze para o tanque B j foi feito SD01

no est acionado e isso permite religar a bomba 01. O contato VS03 previne que os tanques

seguintes no recebam sobrecarga e reativa o timer, figura 3.2.

Figura 3.2 Enchimento e envaze do tanque A.

48

No tanque B est instalado um sensor de temperatura LM 35 e uma resistncia, res, e um

sensor digital SD02. O material precisa estar em uma temperatura mais alta que a temperatura

ambiente, no caso 80 C e a resistncia entra em operao para que essa substncia a atinja

quando o SD02 est ativo e VS01 e VS02 esto fechadas. A partir desse ponto a bomba B02

acionada e leva o liquido at o tanque C, esse cheio at o nvel demarcado pelo sensor

digital SD03 e desliga a bomba 02. A vlvula VS02 funciona ao mesmo tempo da VS03 por

isso depende das condies logicas dessa, o comando aux 02 garante o funcionamento em

conjunto de ambas, ou seja, enquanto o nvel do tanque D no atingir o valor desejado ela no

abre. O aux 03 fecha ambas as vlvulas depois de contar um tempo para o envaze, figura 3.3.

Enquanto isso acontece a bomba B03 funciona ao ligar o processo descrito acima e preenche

o tanque D com o material 02, esse nvel determinado de acordo com a medio de um

sensor analgico SA01 e pode ter o valor definido pelo operador no caso demonstrado 50%

do nvel. O aux 02 desliga a bomba B03 quando o SA01 atinge o valor pr-determinado,

figura 3.4.

Figura 3.3 - Enchimento, envaze do tanque B e aquecimento do material 01.

Figura 3.4 Esquema de enchimento do tanque C.

49

Ao acionar o sensor SD03 e o sensor SA01 estiver com o valor desejado as vlvulas VS02 e

VS03 se abrem simultaneamente durante um tempo e conduzem os lquidos ao tanque E. A

vlvula VS03 ao abrir desativa a bomba B03, figura 3.5.

O sensor analgico SA02 ao detectar um determinado nvel no caso 75% do nvel do tanque E

aciona o misturador durante um tempo e com isso se obtm o produto. O aux 04 desliga o

misturador depois de o timer contar 10s e o aux 06 reativa o timer assim que o tanque E

estiver no nvel zero, figura 3.6.

Figura 3.5 Esquema do envaze do tanque D.

Figura 3.6 Funcionamento do misturador.

50

O passo seguinte consiste no envase do liquido resultante em recipientes, esses sero levados

ate uma vlvula solenoide VS04 localizado no tanque E atravs de uma esteira motorizada. A

esteira acionada depois do processo realizado no tanque E permanece assim ate que nvel

desse reservatrio chegue zero ou se um sensor de fotoeltrico seja acionado. O aux 06

desliga a esteira assim que o nvel do tanque E chegar zero. O sensor SD04 ao ser acionado

desliga a esteira e liga um timer t04 e a vlvula VS04 por 8s, tempo de envaze de um

recipiente. O processo se repete de maneira cclica at que o nvel do tanque E seja zero,

figura 3.7.

Figura 2

3.2 Anlise

O controle da planta funcionou de maneira satisfatria j que os seus elementos responderam

de acordo com o idealizado antes da simulao. O uso do CLP para esse tipo de processo se

mostrou bastante confivel e adequado, uma vez feita a programao de maneira correta o

Figura 3.7 - Funcionamento da esteira e envaze do tanque E.

51

processo pode funcionar sem interferncias de operadores que por sua vez podem monitorar o

processo por meio de um computador pessoal ligado no CLP. No caso de alguma alterao do

projeto como alterar alguma varivel ou acrescentar algum componente isso pode ser feito em

um computador sem precisar desligar o controlador. Pode se simular a planta com suas

alteraes e em caso de acerto, basta fazer um download para o CLP com essas mudanas.

Por exemplo, pode se trocar os valores de nvel exigidos nos tanques D e E em que esto

instalados os sensores analgicos, para obter um produto novo com novas propores. A

possiblidade de realizar essas mudanas de maneira simples e rpida permite ao processo

mltiplas variedades de configuraes e variados produtos. A esse processo pode se

acrescentar um sistema supervisrio para facilitar a sua operao, ou seja, apresentar uma

interface homem maquina mais amigvel ao operador que no tem necessidade de conhecer

como funciona a programao na linguagem ladder.

52

4 CONSIDERAES FINAIS

O objetivo desse trabalho foi aprimorar os conhecimentos sobre a engenharia de controle e

automao, como a informtica industrial, a instrumentao. Um estudo sobre o surgimento

dos controladores lgicos programveis, suas caractersticas, como facilidade de programao

e reprogramao, tamanho reduzido e confiabilidade, seu funcionamento e suas linguagens de

programao foi feito e ajudou no processo de aprendizado, assim como a aplicao pratica de

um CLP em uma planta laboratorial. O processo foi simulado por meio do programa XSoft-

CoDeSys e programado na linguagem ladder, escolhida devido a sua maior utilizao nas

industrias nacionais e de mais fcil entendimento. Outro importante aspecto estudado foi em

relao aos instrumentos de medio que poderiam ser usados nessa planta e quais deles

seriam melhores para determinadas situaes. A integrao desses conceitos com o estudo dos

sistemas supervisrios proporcionaram uma ideia de como funcionam variados processos na

escala industrial. A simulao, por fim, proporcionou agregar vrios desses conceitos

estudados em uma realizao pratica e confirmar a eficcia dessas tecnologias para futuras

aplicaes.

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