Redes para Automao Industrial Captulo 1 Automao Industrial

Redes para Automação Industrial Capítulo 1: Automação Industrial Luiz Affonso Guedes DCA-CT-UFRN 2005. 1

Objetivos do Capítulo • Estudo sistêmico de sistemas de automação industrial. • Caracterização dos elementos constituintes da automação industrial. • Evolução da automação industrial. • Caracterizar os requisitos demandados pelas aplicações em Automação Industrial.

Referências Bibliográficas • Automação Industrial, André Maitelli – www. dca. ufrn. br/~maitelli/cursos/clp • Referências na Internet.

Visão Geral da Automação Industrial Desafio de integração de informação

Objetivos da Automação Industrial Aumento da segurança – Diminuição dos custos operacionais – Melhoria das condições de operação – Simplificação das instalações – Aumento dos níveis de controle – Aumento dos níveis de acompanhamento –

Níveis de Automação Industrial Proces so Manu al Computad or Modo off-line, coleta manual de dados Proces so Manu al Manua l Computad or Off-line, coleta automática de dados Proces so Manu al Computad or Modo on-line, malha aberta Modo in-line Process o Proces so Manu al Computad or Modo on-line, malha fechada

Níveis de Automação - Exemplo • Processo não automatizado : Controle de nível local através de válvula com volante • Processo semi-automatizado : Controle de nível através de válvula com atuador para acionamento remoto • Processo totalmente automatizado : Controle de nível através de válvula com atuador e controlador automático

Áreas de Atuação da Automação Projetos de novas unidades de operação – Modernização da planta industrial – Integração de procedimentos e equipamentos em unidades de produção já existentes –

Disciplinas Envolvidas Sistemas de Controle – Instrumentação – Informática – Processo – Comunicações –

Níveis de Abstração do Problema Nível de Gerência Nível de Supervisão Nível de Rede de Comunicação Nível de Controle Direto: PC, CLP Nível de Sensores e Atuadores Nível de Processos Físicos Geração de informação estratégica Visualização, configuração e armazenamento e variáveis Tecnologias e protocolos de comunicação Algoritmos PID, fuzzy, lógica de relé, etc Eletrônica de potência, transdutores, acio. pneumático, etc Motores, robôs, caldeiras, etc.

Níveis de Tecnologias do Problema

Automação: Industrial + Gerencial Sistema Gerencial VENDAS PLANEJAMENTO BANCO DE DADOS CORPORATIVOS Estações de Trabalho INFORMAÇÃO E SIMULAÇÃO INTEGRAÇÃO DE CAMPO Servidores OPERAÇÃO E SUPERVISÃO (OTIMIZAÇÃO) CONTROLE E SEGURANÇA Estações de Trabalho PLC’s Controladores Elementos Sensores e Atuadores CAMPO AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

Estrutura da automação industrial Supervisor Gerência de Informação Base de Dados Rede de Comunicação de Dados Local Controlador Local 1 Condicionamento de sinais Sensores Atuadores Processo Físico 1 . . . Controlador Local n Condicionamento de sinais Sensores Atuadores Processo Físico n

Elementos Básicos • Processos • Sensores • Atuadores – Calibração – Segurança – Economia de energia • • Condicionamento de sinais Conversão de sinais Hardware computacional Sistemas operacionais Linguagem de programação Estratégias de controle Estratégias de segurança: inter-travamento Estratégias de supervisão

Processos • Sistemas físicos a serem monitorados, controlados, supervisionados, gerenciados • Processos Contínuos – As variáveis manipuladas têm natureza contínua – Processos químicos e robótica • Processos Discretos – As variáveis manipuladas têm natureza discreta – Políticas de inter-travamento e manufatura • Sistemas Híbridos – Variáveis contínuas + Variáveis discretas

Processo Contínuo Produto A MISTURADOR Produto B LT TT TC AQUECEDOR vapor H 1 LC

Processos contínuos: variáveis analógicas nível m. A t

Processo Discreto SDV VASO DE PROCESSO PSLL CLP LSLL SDV

Variáveis Discretas nível Setpoint Vdc 24 Vdc alto normal 0 Vdc t

Variáveis Discretas nível alto normal Vdc 24 Vdc 0 Vdc t

Sistemas de medição: Sensores • • Componentes transdutores de sinais Condicionamento de sinais Calibração de sensores Sistemas de proteção Entrada Processo medido Saída Observado r Sistema de Valor verdadeiro medição. Valor medido

Exemplo de Sensores • • • Termopares Encoderes Barômetros Potenciômetros Fibras ópticas Ultra-som

Sensores de Pressão

Sensores para Medição de Nível Baseado em boia Baseado em radar

Sensores de Temperatura Termopares

Sensores de Pressão

Instrumentos de Leitura

Telemetria • Os sistemas conforme o tipo de energia podem ser: – Transmissão pneumática (3 -15 PSI) – Transmissão eletrônica (4 -20 m. A, 1 -5 Vcc) – Transmissão digital ( RS-485 protocolo modbus, RS-232 protocolo HART, RS-422, “Foundation. TM Fieldbus”. – Transmissão hidráulica

Sistemas de Comandos: Atuadores • Amplificadores de energia • Transformadores de energia elétrica (sinal de controle) em outras formas de energia Sistema de comando Sinal de comando Saída Processo Atuador

Exemplos de Atuadores • • Válvulas Pistões Inversores (eletrônica de potência) Resistências

Válvula de controle (Fisher) Transmissor eletrônico

Simbologia TIC 103 Identificação do instrumento ou tag do instrumento T Identificação da malha (malha de temperatura, número 103) 103 TIC Identificação funcional (Controlador Indicador de temperatura) T Primeira letra (variável da malha) IC Letras subseqüentes (função do instrumento na malha

Simbologia TE-301 TT – 301 TIC-301 TCV-301 temperatura sensor de temperatura transmissor de temperatura controlador de temperatura válvula controladora de

Simbologia Exemplo de uma malha de controle de Pressão PIC 211

O Problema de Controle Automático Relógio Externo Controle Direto Registro De Dados A/D D/A D/D Sensores Processo Físico Atuadores Gerência de Informação Interface Homem/Máquina . . . Terminais, impressoras, etc. Base de Dados

Esquema de Controle Automático material Processo energia Informação de entrada Informação do processo Sinais de controle Sistema de controle computador Objetivos e informação de gerenciamento Registros e relatórios Alarmes e guias para operador produto Informação do produto

Estrutura do Hardware de Controle Entradas Analógicas Outros sistemas Memória de massa Entradas Digitais Canal de Telemetria Interrupção Armazenamento trabalho Elementos de controle Lógica e Arimética CPU Impressoras Console Operação

Estrutura do Hardware do CLP DISPOSITIVOS DE PROGRAMAÇÃO/ COMUNICAÇÃO C I R C U I T O S P D E E N T R A D A UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO MEMÓRIA PROGRAMA / DADOS ISOLAMENTO ÓPTICO FONTE DE ALIMENTAÇÃO C I R C U I T O S D E X S A Í D A I > ISOLAMENTO ÓPTICO

Atuadores Sensores Variáveis do processo Multiplexador entrada Multiplexador saída Conversor D/A Algoritmo de controle Filtragem Lógica de proteção Processador com programa DDC Canal de Comunicação Computador supervisório (opcional) Carga e saída do programa Console do Operador Entrada manual de SP, limites, sintonia etc. Display

Tipos de Controles • Controle continuo - variáveis analógicas - Controle PID • Controle Discreto - variáveis discretas – Inter-travamento

Controle de Variáveis Contínuas – Estratégia PID Controlador + m. A Válvula PID Ref - Vazão m. A Processo erro m. A variável controlada Sensor

Controle de Processos Discretos A mudança do Estado das variáveis de entrada provoca a mudança das variáveis de saída. Ex: Pressão alta -> abrir válvula de alívio

Controle de Processos Discretos Controle de processos discretos é a implementação de uma Operação Lógica e/ou Seqüência de Eventos através do qual o processo é levado a um estado desejado. Ex: nível alto -> fecha válvula e aciona alarme botoeira acionada -> liga bomba e acende lâmpada temperatura ou pressão alta -> abre válvula e desliga aquecedor

Estratégia de Controle Discreto – Sentenças narrativas – Tabela de Causa e Efeito – Diagrama Lógico Binário – Diagrama Ladder – Diagrama de Blocos Funcionais

Controlador Lógico Programável

PLC na estrutura de automação Manutenção ESC REDE ETHERNET F O N T E C C P O O O U M M M CPU’s DO PLC SALA DE CONTROLE F O N T E VASO SEPARADOR C C P O O O U M M M REDE PROPRIETÁRIA DO PLC CHAVE R E M PSH SDV R E M BOMBA MÓDULOS REMOTOS DO PLC

Arquitetura de Automação ESC ESC ESC M M SALA DE CONTROLE ETHERNET REPETIDOR PLC ESD / FOGO&GÁS PLC CONTROLE DE PROCESSOS PLC ELÉTRIC A PLC ROTEADOR LASTRO REDES DE CAMPO OU CABOS INDIVIDUAIS INSTRUMENTOS DE CAMPO SALA DE RÁDIO