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FEAU – Faculdade de Engenharia Arquitetura e Urbanismo

Engenharia de Controle e Automação

TOPICOS EM MECATRÔNICA

Lista de Exercícios

Santa Bárbara D’Oeste Outubro 2013

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FEAU – Faculdade de Engenharia Arquitetura e Urbanismo

Engenharia de Controle e Automação

TOPICOS EM MECATRÔNICA

Lista de Exercícios

Grupo:

Carlos Brugnerotto RA: 093658-3

Diego Prado RA: 098619-0

François Dompsin RA: 108682-6

Rafael Rigamonti RA: 091071-1

Wladimir Zanchetta RA: 093540-3

Santa Bárbara D’Oeste Outubro 2013

Lista de exercício da disciplina de TOPICOS MECATRONICA do 10º semestre, do Curso de Engenharia de Controle e Automação, da Universidade Metodista de Piracicaba sob avaliação do Prof. FABRICIO NICOLATO

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SUMÁRIO

1 – EXERCÍCIO 1 ..................................................................................................................... 4

2 – EXERCÍCIO 2 ..................................................................................................................... 5

A- ........................................................................................................................................... 5

B- ........................................................................................................................................... 5

C- ........................................................................................................................................... 9

D- ......................................................................................................................................... 10

3 – EXERCÍCIO 3 ................................................................................................................... 10

A- ......................................................................................................................................... 10

4 – EXERCÍCIO 4 ................................................................................................................... 11

5 – EXERCÍCIO 5 ................................................................................................................... 16

6 – EXERCÍCIO 6 ................................................................................................................... 18

7 – EXERCÍCIO 7 ................................................................................................................... 19

8 – EXERCÍCIO 8 ................................................................................................................... 19

9 – EXERCÍCIO 9 ................................................................................................................... 20

10 - EXERCÍCIO 10 ............................................................................................................... 20

11 - EXERCÍCIO 11 ............................................................................................................... 20

12 - EXERCÍCIO 12 ............................................................................................................... 20

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1) O que são os controladores lógicos programáveis (CLP)?

História

O Controlador Lógico Programável ( C.L.P. ) nasceu praticamente dentro da indústria automobilística americana, especificamente na Hydronic Division da General Motors , em 1968, devido a grande dificuldade de mudar a lógica de controla de painéis de comando a cada mudança na linha de montagem. Tais mudanças implicavam em altos gastos de tempo e dinheiro. Sob a liderança do engenheiro Richard Morley, foi preparada uma especificação que refletia as necessidades de muitos usuários de circuitos à reles, não só da indústria automobilística, como de toda a indústria manufatureira. Nascia assim, um equipamento bastante versátil e de fácil utilização, que vem se aprimorando constantemente, diversificando cada vez mais os setores industriais e suas aplicações, o que justifica hoje ( junho /1998) um mercado mundial estimado em 4 bilhões de dólares anuais. Desde o seu aparecimento, até hoje, muita coisa evoluiu nos controladores lógicos, como a variedade de tipos de entradas e saídas, o aumento da velocidade de processamento, a inclusão de blocos lógicos complexos para tratamento das entradas e saídas e principalmente o modo de programação e a interface com o usuário.

O que é? Um CLP é o controlador indicado para lidar com sistemas caracterizados por eventos iscretos (SEDs), ou seja, com processos em que as variáveis assumem valores zero ou um (ou variáveis ditas digitais, ou seja, que só assumem valores dentro de um conjunto finito). Podem ainda lidar com variáveis analógicas definidas por intervalos de valores de corrente ou tensão elétrica. As entradas e/ou saídas digitais são os elementos discretos, as entradas e/ou saídas analógicas são os elementos variáveis entre valores conhecidos de tensão ou corrente. Os CLP's estão muito difundidos nas áreas de controle de processos ou de automação industrial. No primeiro caso a aplicação se dá nas industrias do tipo contínuo, produtoras de líquidos, materiais gasosos e outros produtos, no outro caso a aplicação se dá nas áreas relacionadas com a produção em linhas de montagem, por exemplo na indústria do automóvel. Num sistema típico, toda a informação dos sensores é concentrada no controlador (CLP) que de acordo com o programa em memória define o estado dos pontos de saída conectados a atuadores. Os CLPs tem capacidade de comunicação de dados via canais seriais. Com isto podem ser supervisionados por computadores formando sistemas de controle integrados. Softwares de supervisão controlam redes de Controladores Lógicos Programáveis. Os canais de comunicação nos CLP´s permitem conectar à interface de operação (IHM), computadores, outros CLP´s e até mesmo com unidades de entradas e saídas remotas. Cada fabricante estabelece um protocolo para fazer com seus equipamentos troquem informações entre si. Os protocolos mais comuns são Modbus (Modicon - Schneider Eletric), EtherCAT (Beckhoff), Profibus (Siemens), Unitelway (Telemecanique - Schneider Eletric) e DeviceNet (Allen Bradley), entre muitos outros. Redes de campo abertas como PROFIBUS-DP são de uso muito comum com CLPs permitindo aplicações complexas na indústria automobilística, siderurgica, de papel e celulose, e outras

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2) Descreva a arquitetura geral e os princípios de funcionamento dos CLPs.

A - Alimentação

� A Fonte de Alimentação tem normalmente as seguintes funções básicas:

� Converter a tensão da rede elétrica ( 110 ou 220 VCA ) para a tensão de alimentação dos circuitos eletrônicos ,( + 5VCC para o microprocessador , memórias e circuitos auxiliares e +/- 12 VCC para a comunicação com o programador ou computador );

� Manter a carga da bateria, nos sistemas que utilizam relógio em tempo real e Memória do

tipo R.A.M.; � Fornecer tensão para alimentação das entradas e saídas ( 12 ou 24 VCC ).

B - Entradas e saídas

MÓDULOS OU INTERFACES DE ENTRADA :

São circuitos utilizados para adequar eletricamente os sinais de entrada para que possa ser processado pela CPU (ou microprocessador) do CLP, temos dois tipos básicos de entrada, as digitais e as analógicas.

ENTRADAS DIGITAIS: São aquelas que possuem apenas dois estados possíveis, ligado ou desligado, e alguns dos exemplos de dispositivos que podem ser ligados a elas são:

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

As entradas digitais podem ser construídas para operarem em corrente contínua ( 24 VCC ) ou emcorrente alternada ( 110 ou 220 VCA ). Podem ser também do tipo N ( NPN ) ou do tipo P ( PNP ). No caso do tipo N , é necessário fornecer o potencial negativo ( terra ou neutro ) da fonte de alimentação ao borne de entrada para que a mesma seja ativada. No caso do tipo P é necessário fornecer o potencial positivo ( fase ) ao borne de entrada. Em qualquer dos tipos é de praxe existir uma isolação galvânica entre o circuito de entrada e a CPU. Esta isolação é feita normalmente através de optoacopladores. As entradas de 24 VCC são utilizadas quando a distância entre os dispositivos de entrada e o CLP não excedam 50 m. Caso contrário, o nível de ruído pode provocar disparos acidentais.

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Exemplo de circuito de entrada digital 24 VCC :

ENTRADAS ANALÓGICAS :

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

Os principais dispositivos utilizados com as entradas analógicas são:

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

Uma informação importante a respeito das entradas analógicas é a sua resolução. Esta é normalmente medida em Bits. Uma entrada analógica com um maior número de bits permite uma melhor representação da grandeza analógica. Por exemplo: Uma placa de entrada

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analógica de 0 á 10 VCC com uma resolução de 8 bits permite uma sensibilidade de 39,2 mV , enquanto que a mesma faixa em uma entrada de 12 bits permite uma sensibilidade de 2,4 mV e uma de 16 bits permite uma sensibilidade de 0,2 mV.

Exemplo de um circuito de entrada analógico:

MÓDULOS ESPECIAIS DE ENTRADA

Existem módulos especiais de entrada com funções bastante especializadas. Alguns exemplos são:

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

MÓDULOS OU INTERFACES DE SAÍDA:

Os Módulos ou Interfaces de Saída adequam eletricamente os sinais vindos do microprocessador para que possamos atuar nos circuitos controlados . Existem dois tipos básicos de interfaces de saída : as digitais e as analógicas .

SAÍDAS DIGITAIS : As saídas digitais admitem apenas dois estados : ligado e desligado. Podemos com elas controlar dispositivos do tipo :

- Reles ; - Contatores ; - Reles de estato-sólido - Solenóides; - Válvulas ; - Inversores de frequência; - Etc.

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

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Exemplo de saída digital à relê :

SAÍDAS ANALÓGICAS:

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

- Válvulas proporcionais; - Motores C.C.; - Servo - Motores C.C; - Inversores de frequência; - Posicionadores rotativos;

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Exemplo de circuito de saída analógico:

C - Unidade de processamento e memória

UNIDADE DE PROCESSAMENTO:

Também chamada de C.P.U. é responsável pela funcionamento lógico de todos os circuitos. Nos CLPs modulares a CPU está em uma placa ( ou módulo ) separada das demais, podendo - se achar combinações de CPU e Fonte de Alimentação. Nos CLPs de menor porte a CPU e os demais circuitos estão todos em único módulo. As características mais comuns são:

- Microprocessadores ou Microcontroladores de 8 ou 16 bits ( INTEL 80xx, MOTOROLA 68xx, ZILOG Z80xx, PIC 16xx );

- Endereçamento de memória de até 1 Mega Byte;

- Velocidades de CLOCK variando de 4 a 30 MHZ;

- Manipulação de dados decimais, octais e hexadecimais

MEMÓRIA DO PROGRAMA MONITOR :

O Programa Monitor é o responsável pelo funcionamento geral do CLP. Ele é o responsável pelo gerenciamento de todas as atividades do CLP. Não pode ser alterado pelo usuário e fica armazenado em memórias do tipo PROM , EPROM ou EEPROM . Ele funciona de maneira similar ao Sistema Operacional dos microcomputadores. É o Programa Monitor que permite a transferência de programas entre um microcomputador ou Terminal de Programação e o CLP, gerenciar o estado da bateria do sistema, controlar os diversos opcionais etc.

MEMÓRIA DO USUÁRIO :

É onde se armazena o programa da aplicação desenvolvido pelo usuário. Pode ser alterada pelo usuário, já que uma das vantagens do uso de CLPs é a flexibilidade de programação. Inicialmente era constituída de memórias do tipo EPROM , sendo hoje utilizadas memórias do tipo RAM ( cujo programa é mantido pelo uso de baterias ) , EEPROM e FLASH-EPROM,

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sendo também comum o uso de cartuchos de memória, que permite a troca do programa com a troca do cartucho de memória. A capacidade desta memória varia bastante de acordo com o marca/modelo do CLP, sendo normalmente dimensionadas em Passos de Programa.

MEMÓRIA DE DADOS:

É a região de memória destinada a armazenar os dados do programa do usuário. Estes dados são valores de temporizadores, valores de contadores, códigos de erro, senhas de acesso, etc. São normalmente partes da memória RAM do CLP. São valores armazenados que serão consultados e ou alterados durante a execução do programa do usuário. Em alguns CLPs , utiliza - se a bateria para reter os valores desta memória no caso de uma queda de energia.

MEMÓRIA IMAGEM DAS ENTRADAS / SAÍDAS:

Sempre que a CPU executa um ciclo de leitura das entradas ou executa uma modificação nas saídas, ela armazena o estados da cada uma das entradas ou saídas em uma região de memória denominada Memória Imagem das Entradas / Saídas. Essa região de memória funciona como uma espécie de “ tabela ” onde a CPU irá obter informações das entradas ou saídas para tomar as decisões durante o processamento do programa do usuário.

D - Interface de comunicação

As IHM’s surgiram diante da necessidade de modificar certos parâmetros dentro de um programa, sem a necessidade de conectar-se a um computador para a realização desta tarefa. As interfaces são ligadas ao CLP através de sua porta de comunicação. Existem dois tipos: as interfaces alfa-numéricas e as de interfaces gráficas.

A interface alfa-numérica é constituída de teclas de sistema, teclas de funções, teclas alfa-númericas, LED´s indicadores e um display LCD, geralmente de 2 linhas e 20 colunas.

O princípio de funcionamento consiste em pré-programar mensagens, onde cada uma possui um número. Quando se deseja acessar qualquer mensagem, basta fazer com que o CLP coloque o número desta no registrador designado para indicar qual mensagem será mostrada no momento.

Nas IHM's gráficas, o usuário pode, por meio de um programa específico, desenhar comandos em forma de botões, bem como, lâmpadas para aviso ou alarmes, escolhendo cores, formatos, tamanhos e definindo, também, endereços do CLP para cada elemento.

O usuário pode modificar esta interface a qualquer momento, acrescentando ou retirando funções, de acordo com suas necessidades.

Existem IHM’s gráficas com tecnologia touch screen (toque de tela).

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4) Baixe o simulador de CLP CLIC da WEG, instale no seu PC e usando as

entradas/saídas, faça programas em LADER para as seguintes funções lógicas:

Função1

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Função2

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5) Com o Clic, simule o funcionamento de um semáforo com o seguinte funcionamento:

a. Se não estiver habilitado ficará no amarelo piscante com intervalo de 2s; b. Se estiver habilitado, iniciará no vermelho e ficará por 20s, passando para o verde no qual ficará por 30s, passando pelo amarelo por 10s e retornando para o vermelho.

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6) O que é operação em tempo real?

Um Sistema Operacional de Tempo Real (RTOS do inglês Real Time Operating System) é um sistema operacional destinado à execução de um conjunto de tarefas que possuam requisitos temporais além dos requisitos funcionais (comuns para aplicações de propósito gerais). Para tais sistemas não importa, como é comum pensar-se, se a velocidade de resposta é elevada ou não.

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O tempo de resposta é chamado de prazo da tarefa e a perda de um prazo, isto é, o não cumprimento de uma tarefa dentro do tempo esperado, caracteriza uma falha do sistema. As falhas podem ser catastróficas, no caso da perda do deadline de uma tarefa crítica ou inconveniente no caso da perda de uma tarefa com deadline soft.

De acordo com Gillies, citado por Monfret e Linimon (2000), um sistema operacional de tempo real éaquele onde a corretude dos cálculos não depende somente da lógica das operações matemáticas, mas também do tempo em que estes resultados são produzidos. Se os resultados não são produzidos no tempo esperado, diz-se que ocorreu uma falha no sistema. De acordo com o padrão POSIX 1003.1, tempo real em sistemas operacionais é a habilidade do sistema em prover uma determinada quantidade de serviço em um tempo pré-definido de resposta(MONFRET; LINIMON 2000).

Um sistema de tempo real consiste em um conjunto de atividades seqüenciais e cooperativas. Essas atividades podem ser Mach threads, Alpha threads, UNIX processes ou qualquer outra abstração conhecida no sistema operacional que realiza alguma ação em um computador (CLARK 1990). Ao contrário de sistemas operacionais tradicionais, em um sistema operacional de tempo real o tempo em que as operações são realizadas é de extrema importância. Em outras palavras, se uma falha ocorre interrompe-se todo um processo, pessoas podem morrer, desastres podem acontecer. Imagine um robô em uma fábrica responsável por transferir objetos entre duas esteiras continuamente. Se ele se atrasa o objeto na esteira não estará mais na posição, se ele se adianta o objeto ainda não chegou. Em outras palavras, se um sistema consome 2,01 segundos para processar 2,0 segundos de áudio ele não é de tempo real. Seria de tempo real se processasse em 1,99 ou menos segundos.

7) O que é um sistema operacional de tempo real?

O Sistema Operativo em Tempo Real (RTOS da sigla: Real Time Operating System) é um sistema operacional/operativo destinado à execução de múltiplas tarefas onde o tempo de resposta a um evento (externo ou interno) é pré-definido; não importando, como é comum pensar-se, se a velocidade de resposta é elevada ou não. Esse tempo de resposta é chamado de prazo da tarefa e a perda de um prazo, isto é, o não cumprimento de uma tarefa dentro do prazo esperado, caracteriza uma falha do sistema. Outra característica dos sistemas de tempo real é a sua interação com o meio ao redor. Os STR tem que reagir, dentro de um prazo pré-definido, a um estímulo do meio. O sistema é considerado previsível quando podemos antecipar seu comportamento independentemente de falhas, sobrecargas e variações de hardware. Um RTOS facilita a concepção de um sistema em tempo real, mas não garante que o resultado final seja um sistema de tempo real, para tal é necessário que o programa nele implementado tenha sido corretamente desenvolvido. Um RTOS não tem que ter necessariamente um elevado débito nas saídas, ou um elevado número de saídas, no entanto, tem que garantir que certas tarefas sejam executadas em um determinado intervalo de tempo. Um RTOS é mais eficaz e é mais valorizado pela forma previsível e rápida na resposta a um evento, do que pela quantidade de dados que processa. Os fatores chave em um STR são, então, fornecer latências de interrupções e de alternância de tarefas mínimas.

8) O que são os sistemas digitais de controle distribuído (SDCD)?

SDCD é um equipamento da área de automação industrial que tem como função primordial o controle de processos de forma a permitir uma otimização da produtividade industrial, estruturada na diminuição de custos de produção, melhoria na qualidade dos produtos, precisão das operações, segurança operacional, entre outros. Ele é composto basicamente por um conjunto integrado de dispositivos que se completam no cumprimento das suas diversas funções - o sistema controla e supervisiona o processo produtivo da unidade.

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Utilizam-se técnicas de processamento digitais (discreto) em oposição ao analógico (contínuo), com o objetivo de proporcionar uma manutenção no comportamento de um referido processo na planta da indústria, dentro de parâmetros já estabelecidos. O sistema é dotado de processadores e redes redundantes e permite uma descentralização do processamento de dados e decisões, através do uso de unidades remotas na planta.

9) Cite algumas aplicações dos SDCDs.

� Sistemas de controle de meio-ambiente � Semáforos � Sinais de radio � Sistemas de tratamento de água � Refinarias de petróleo � Usinas químicas � Indústria farmacêutica � Redes de sensores � Navios de transporte de carga seca a granel e Petroleiro

10) Qual a diferença entre processamento em ponto fixo e ponto flutuante?

Processamentos com ponto flutuante são mais complexos do que com ponto fixo, portanto processadores que possuem algoritmos para cálculo de ponto flutuante são mais complexos e mais caros, para aplicações que não exige alta precisão podem ser adotados os processadores que possuem algoritmos para cálculo de ponto fixo, sendo estes mais simples, possuem menor custo.

11) Represente os números a seguir em ponto-fixo com representação Q(8,4) e determine seu erro em relação à representação em ponto-flutuante.

Resposta na folha de caderno em anexo.

12) Resolva as seguintes operações em ponto-fixo usando a representação

Qa(8,4) oper Qb(8,4) = Qr(8,6). Calcule o erro em relação ao cálculo em ponto-flutuante. 25,78X9,25 58,912 + 35,098 111,592 - 32,12

Resposta na folha de caderno em anexo.