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terça-feira, 16 de março de 2010
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Exemplo de programa - Parte 3
Dando sequência aos exemplos de programas que estão sendo postados neste blog, finalizaremos com um exemplo mais complexo de programação de um PLC.
É importante deixar claro que, embora o exemplo seja complexo, o mesmo foi bastante simplificado para servir como um exemplo rápido, mas com um grau de complexidade maior do que os anteriormente mostrados.
Quero que o processo de concepção do sistema fique bem claro, pois, automatizar um processo não é simplesmente chegar e programar um PLC. Vai muito mais além... é preciso descrever o processo; é preciso que todos os sensores e atuadores sejam dimensionados adequadamente. A equipe de projeto precisa discutir todos os processos operacionais para, a partir de um descritivo funcional detalhado, seja feita a programação de todos os dispositivos envolvidos. Um descritivo bem elaborado faz com que qualquer pessoa em qualquer linguagem, consiga efetuar a programação de um PLC ou IHM, por exemplo. Vamos lá:
Misturador de compostos
Em uma determinada empresa, um composto utilizado em um processo é obtido a partir da mistura de dois compostos primários. Para realizar esta mistura, foi dimensionado um sistema misturador, composto de três tanques:
Os tanques dos compostos primários, TPA e TPB, possuem um medidor de nível e uma válvula acionada eletricamente (Válvula Solenóide), para liberar ou não a saída dos compostos dos respectivos tanques. Os medidores de nível para os tanques TPA e TPB serão designados de LT-A e LT-B e as válvulas FV-A e FV-B, respectivamente.
O tanque de mistura possui um medidor de nível, LT-M, uma válvula de saída, FV-M, e um motor que gira uma espécie de hélice que homogeiniza a mistura, chamado de AGM.
O processo de mistura é iniciado por um operador através de um botão denominado START, que é um botão do tipo NA (Normalmente Aberto).
Uma representação do sistema é mostrada na Figura 1.
Figura 1 - Representação esquemática do Misturador de Compostos
Funcionamento
O sistema Misturador de Compostos funcionará obedecendo a seguinte sequência, após o comando de início do processo, dado manualmente por um operador:
A seguir, cada item da sequência será explanado.
1 - Abastecer o tanque de mistura com o composto A
Para que seja possível iniciar o processo de mistura, é necessário primeiro saber se haverá quantidade suficiente dos compostos A e B para tal finalidade. O nível mínimo estabelecido para ser possível realizar essa operação é de 10% para o composto A e de 20% para o composto B.
Havendo quantidade suficiente dos compostos, a dosagem poderá ser iniciada. A dosagem do composto A para o tanque de mistura será feita pelo tempo em que a válvula FV-A ficará aberta. O tempo estabelecido para dosagem é de 5 segundos.
Para evitar novo acionamento de FV-A no meio do processo, para acionar FV-A, as válvulas FV-B, FV-M e o agitador AGM não podem estar acionados, garantindo assim que o processo só poderá reiniciado após sua finalização.
Portanto a lógica de acionamento de FV-A será:
Se START=1, e
FV-B=0, e
FV-M=0, e
AGM=0, e
LT-A >= 10%, e
LT-B >= 20%
Então
Ligar FV-A
A lógica para temporização será:
Se FV-A=1
Então
Ligar TEMP-FV-A
O elemento TEMP-FV-A é um temporizador do tipo TON, também conhecido como "retardado para ligar", ou seja, quando ativado, acionará a sua saída após o tempo programado, que no caso de TEMP-FV-A é de 5 segundos.
A lógica de desligamento de FV-A será:
Se TEMP-FV-A=1
Então
Desligar TEMP-FV-A
Desligar FV-A Ligar FV-B*
* Veja explicações a seguir.
2 - Abastecer o tanque de mistura com o composto B
O início da dosagem do composto B ocorre automaticamente após o término da dosagem do composto A. Note que não é necessário verificar o nível do tanque B, pois o mesmo é verificado antes do início do processo de dosagem, pois, se fosse verificado aqui, poderia ocorrer a situação em que se o composto B não estivesse em quantidade suficiente fazendo com que o tanque de mistura ficasse apenas com o produto A, invalidando o processo e desperdiçando aquele produto.
A dosagem do composto também ocorrerá baseando-se no tempo de abertura da válvula FV-B, que no caso é de 10 segundos.
Como o acionamento da válvula FV-B ocorre após a dosagem do produto A, a mesma já foi iniciada no fim da etapa anterior (ver item com um * acima).
A lógica para temporização de FB-B será:
Se FV-B=1
Então
Ligar TEMP-FV-B
Da mesma maneira, o elemento TEMP-FV-B também é um temporizador do tipo TON, e, quando ativado, acionará a sua saída após o tempo programado, que no caso é de 10 segundos.
A lógica de desligamento de FV-B será:
Se TEMP-FV-B=1
Então
Desligar TEMP-FV-B
Desligar FV-B Ligar AGM**
** Veja explicações a seguir.
3 - Acionar misturador por 1 minuto
O acionamento do agitador (AGM) ocorre automaticamente após o término da dosagem do produto B, conforme visto no item marcado com ** acima.
A lógica de temporização do funcionamento de AGM será:
Se AGM=1
Então
Ligar TEMP-AGM
Da mesma maneira que os demais temporizadores, o elemento TEMP-AGM é um temporizador do tipo TON, e, quando ativado, acionará a sua saída após o tempo programado, que no caso é de 60 segundos.
E a lógica de desligamento de AGM será:
Se TEMP-AGM=1
Então
Desligar TEMP-AGM
Desligar AGM Ligar FV-M***
*** Ver explicações a seguir.
4 - Retirar a mistura do tanque misturador
A retirada da mistura inicia automaticamente após o término da mistura, conforme já definido no item marcado com *** acima.
Para fechar a válvula FV-M, o nível do tanque de mistura LT-M, deverá atingir o valor zero (0). Então, a lógica será:
Se LT-M=0
Então
Desligar FV-M
Assim, o processo de dosagem e mistura está finalizado.
Programa do PLC
Utilizando o CoDeSys para fazer a programação e simulação do sistema, é necessário declarar todas as variáveis que serão utilizadas no sistema. Essa declaração das variáveis é mostrada na Figura 2.
Figura 2 - Declaração de variáveis do sistema
As figuras a seguir mostram todas as linhas do programa do PLC, com os respectivos comentários. Observe que, mesmo trabalhando com a linguagem Ladder, aparecem blocos que, obviamente são impossíveis de se representar em contatos, como Temporizadores e Comparadores.
Linhas 1 e 2
As linhas 1 e 2 fazem as verificações dos níveis dos tanques TPA e TPB, comparando os mesmos com os valores de nível mínimo pré definido e ativando variáveis auxiliares que indicarão se estas condições estão satisfeitas ou não. A figura 3 mostra as linhas 1 e 2.
Figura 3 - Linhas 1 e 2 do programa do PLC
Os blocos GE, são blocos de comparação "Greater or Equal" ou "maior ou igual", ou seja, comparam se os níveis LT-A e LT-B são maiores ou iguais aos seus valores mínimos (10% e 20%, respectivamente).
Linha 3
A linha 3 reune todas as condições indicadas no descritivo do processo para o início do processo de mistura, ou seja, o botão START deve ser pressionado, os níveis devem estar iguais ou maiores seus valores mínimos e nenhuma das outras válvulas ou o agitador podem estar ligados (o que indicaria um ciclo em andamento). Cumpridas essas condições, a válvula FV-A é acionada.
Figura 4 - Linha 3 do programa do PLC
Linha 4
A linha 4 reune as condições para desligamento da válvula FV-A e o acionamento da válvula FV-B. Para isso, aparece um bloco indicado como TON, que é o temporizador.
Figura 5 - Linha 4 do programa do PLC
Linha 5
A linha 5, similar à linha 4, reune as condições para desligamento da válvula FV-B e acionamento do agitador AGM. Também é utilizado um bloco TON (Temporizador), parametrizado agora com o tempo estipulado, de 10 segundos (T#10s).
Figura 6 - Linha 5 do programa do PLC
Linha 6
A linha 6, também similar à linha 5, reune as condições para desligamento do agitador AGM, 60 segundos após o seu acionamento, conforme previsto no descritivo, e ligamento da válvula FV-M, para saída da mistura do tanque.
Figura 7 - Linha 6 do programa do PLC
Linha 7
A linha 7 e última, reune as condições para desligamento da válvula FV-M, que é o fim do processo e que ocorre quando o nível do tanque TM atinge o valor zero. Para isso, existe um comparador tipo LE (Less or equal - Menor ou igual a) que verifica se o nível é igual ou menor do que zero.
Figura 8 - Linha 7 do programa do PLC
É importante deixar claro que, embora o exemplo seja complexo, o mesmo foi bastante simplificado para servir como um exemplo rápido, mas com um grau de complexidade maior do que os anteriormente mostrados.
Quero que o processo de concepção do sistema fique bem claro, pois, automatizar um processo não é simplesmente chegar e programar um PLC. Vai muito mais além... é preciso descrever o processo; é preciso que todos os sensores e atuadores sejam dimensionados adequadamente. A equipe de projeto precisa discutir todos os processos operacionais para, a partir de um descritivo funcional detalhado, seja feita a programação de todos os dispositivos envolvidos. Um descritivo bem elaborado faz com que qualquer pessoa em qualquer linguagem, consiga efetuar a programação de um PLC ou IHM, por exemplo. Vamos lá:
Misturador de compostos
Em uma determinada empresa, um composto utilizado em um processo é obtido a partir da mistura de dois compostos primários. Para realizar esta mistura, foi dimensionado um sistema misturador, composto de três tanques:
- Tanque do composto primário "A" (TPA)
- Tanque do composto primmário "B" (TPB)
- Tanque de mistura (TM)
Os tanques dos compostos primários, TPA e TPB, possuem um medidor de nível e uma válvula acionada eletricamente (Válvula Solenóide), para liberar ou não a saída dos compostos dos respectivos tanques. Os medidores de nível para os tanques TPA e TPB serão designados de LT-A e LT-B e as válvulas FV-A e FV-B, respectivamente.
O tanque de mistura possui um medidor de nível, LT-M, uma válvula de saída, FV-M, e um motor que gira uma espécie de hélice que homogeiniza a mistura, chamado de AGM.
O processo de mistura é iniciado por um operador através de um botão denominado START, que é um botão do tipo NA (Normalmente Aberto).
Uma representação do sistema é mostrada na Figura 1.
Figura 1 - Representação esquemática do Misturador de CompostosFuncionamento
O sistema Misturador de Compostos funcionará obedecendo a seguinte sequência, após o comando de início do processo, dado manualmente por um operador:
- Abastecer o tanque de mistura com o composto A
- Abastecer o tanque de mistura com o composto B
- Acionar o misturador durante 1 minuto
- Retirar a mistura do tanque misturador
A seguir, cada item da sequência será explanado.
1 - Abastecer o tanque de mistura com o composto A
Para que seja possível iniciar o processo de mistura, é necessário primeiro saber se haverá quantidade suficiente dos compostos A e B para tal finalidade. O nível mínimo estabelecido para ser possível realizar essa operação é de 10% para o composto A e de 20% para o composto B.
Havendo quantidade suficiente dos compostos, a dosagem poderá ser iniciada. A dosagem do composto A para o tanque de mistura será feita pelo tempo em que a válvula FV-A ficará aberta. O tempo estabelecido para dosagem é de 5 segundos.
Para evitar novo acionamento de FV-A no meio do processo, para acionar FV-A, as válvulas FV-B, FV-M e o agitador AGM não podem estar acionados, garantindo assim que o processo só poderá reiniciado após sua finalização.
Portanto a lógica de acionamento de FV-A será:
Se START=1, e
FV-B=0, e
FV-M=0, e
AGM=0, e
LT-A >= 10%, e
LT-B >= 20%
Então
Ligar FV-A
A lógica para temporização será:
Se FV-A=1
Então
Ligar TEMP-FV-A
O elemento TEMP-FV-A é um temporizador do tipo TON, também conhecido como "retardado para ligar", ou seja, quando ativado, acionará a sua saída após o tempo programado, que no caso de TEMP-FV-A é de 5 segundos.
A lógica de desligamento de FV-A será:
Se TEMP-FV-A=1
Então
Desligar TEMP-FV-A
Desligar FV-A Ligar FV-B*
* Veja explicações a seguir.
2 - Abastecer o tanque de mistura com o composto B
O início da dosagem do composto B ocorre automaticamente após o término da dosagem do composto A. Note que não é necessário verificar o nível do tanque B, pois o mesmo é verificado antes do início do processo de dosagem, pois, se fosse verificado aqui, poderia ocorrer a situação em que se o composto B não estivesse em quantidade suficiente fazendo com que o tanque de mistura ficasse apenas com o produto A, invalidando o processo e desperdiçando aquele produto.
A dosagem do composto também ocorrerá baseando-se no tempo de abertura da válvula FV-B, que no caso é de 10 segundos.
Como o acionamento da válvula FV-B ocorre após a dosagem do produto A, a mesma já foi iniciada no fim da etapa anterior (ver item com um * acima).
A lógica para temporização de FB-B será:
Se FV-B=1
Então
Ligar TEMP-FV-B
Da mesma maneira, o elemento TEMP-FV-B também é um temporizador do tipo TON, e, quando ativado, acionará a sua saída após o tempo programado, que no caso é de 10 segundos.
A lógica de desligamento de FV-B será:
Se TEMP-FV-B=1
Então
Desligar TEMP-FV-B
Desligar FV-B Ligar AGM**
** Veja explicações a seguir.
3 - Acionar misturador por 1 minuto
O acionamento do agitador (AGM) ocorre automaticamente após o término da dosagem do produto B, conforme visto no item marcado com ** acima.
A lógica de temporização do funcionamento de AGM será:
Se AGM=1
Então
Ligar TEMP-AGM
Da mesma maneira que os demais temporizadores, o elemento TEMP-AGM é um temporizador do tipo TON, e, quando ativado, acionará a sua saída após o tempo programado, que no caso é de 60 segundos.
E a lógica de desligamento de AGM será:
Se TEMP-AGM=1
Então
Desligar TEMP-AGM
Desligar AGM Ligar FV-M***
*** Ver explicações a seguir.
4 - Retirar a mistura do tanque misturador
A retirada da mistura inicia automaticamente após o término da mistura, conforme já definido no item marcado com *** acima.
Para fechar a válvula FV-M, o nível do tanque de mistura LT-M, deverá atingir o valor zero (0). Então, a lógica será:
Se LT-M=0
Então
Desligar FV-M
Assim, o processo de dosagem e mistura está finalizado.
Programa do PLC
Utilizando o CoDeSys para fazer a programação e simulação do sistema, é necessário declarar todas as variáveis que serão utilizadas no sistema. Essa declaração das variáveis é mostrada na Figura 2.
Figura 2 - Declaração de variáveis do sistemaAs figuras a seguir mostram todas as linhas do programa do PLC, com os respectivos comentários. Observe que, mesmo trabalhando com a linguagem Ladder, aparecem blocos que, obviamente são impossíveis de se representar em contatos, como Temporizadores e Comparadores.
Linhas 1 e 2
As linhas 1 e 2 fazem as verificações dos níveis dos tanques TPA e TPB, comparando os mesmos com os valores de nível mínimo pré definido e ativando variáveis auxiliares que indicarão se estas condições estão satisfeitas ou não. A figura 3 mostra as linhas 1 e 2.
Figura 3 - Linhas 1 e 2 do programa do PLCOs blocos GE, são blocos de comparação "Greater or Equal" ou "maior ou igual", ou seja, comparam se os níveis LT-A e LT-B são maiores ou iguais aos seus valores mínimos (10% e 20%, respectivamente).
Linha 3
A linha 3 reune todas as condições indicadas no descritivo do processo para o início do processo de mistura, ou seja, o botão START deve ser pressionado, os níveis devem estar iguais ou maiores seus valores mínimos e nenhuma das outras válvulas ou o agitador podem estar ligados (o que indicaria um ciclo em andamento). Cumpridas essas condições, a válvula FV-A é acionada.
Figura 4 - Linha 3 do programa do PLCLinha 4
A linha 4 reune as condições para desligamento da válvula FV-A e o acionamento da válvula FV-B. Para isso, aparece um bloco indicado como TON, que é o temporizador.
Figura 5 - Linha 4 do programa do PLCLinha 5
A linha 5, similar à linha 4, reune as condições para desligamento da válvula FV-B e acionamento do agitador AGM. Também é utilizado um bloco TON (Temporizador), parametrizado agora com o tempo estipulado, de 10 segundos (T#10s).
Figura 6 - Linha 5 do programa do PLCLinha 6
A linha 6, também similar à linha 5, reune as condições para desligamento do agitador AGM, 60 segundos após o seu acionamento, conforme previsto no descritivo, e ligamento da válvula FV-M, para saída da mistura do tanque.
Figura 7 - Linha 6 do programa do PLCLinha 7
A linha 7 e última, reune as condições para desligamento da válvula FV-M, que é o fim do processo e que ocorre quando o nível do tanque TM atinge o valor zero. Para isso, existe um comparador tipo LE (Less or equal - Menor ou igual a) que verifica se o nível é igual ou menor do que zero.
Figura 8 - Linha 7 do programa do PLCSimuladores de PLC
Tenho visto muito por aí (pessoalmente, e-mail e comunidades do orkut), pessoas procurando simuladores de PLC.
Resolvi então postar alguns links para download com os meus comentários a respeito de cada um (opiniões extremamente particulares):
- CoDeSys - Software de programação na linguagem IEC-61131-3. Na minha opinião é o melhor para o aprendizado, pois é um ambiente extremamente profissional e muitos fabricantes (FESTO, Schneider, ABB, etc.) distribuem junto com seus equipamentos uma versão personalizada do CoDeSys. Possui ambiente de programação e simulador de PLC. E o melhor: Grátis e sem necessidade de cracks. Faça o download aqui (é necessário registrar para receber senha de acesso à área de Download. Você receberá a senha de acesso por e-mail em 2 dias... mas vale muito a pena!).
- TriLOGI - Software educacional de simulação de PLCs. Também é muito interessante e é possível fazer um teste online (internet) antes de fazer o download. Faça o donwload aqui (É necessário registrar).
- Zelio Soft - Software de Programação do MicroPLC Zélio da Schneider Electric. Muito simples e fácil de manusear, com simulação bem interessante. Ideal para quem ainda não tem nenhuma noção e deseja dar os primeiros passos. Recomendo engatinhar nesse e depois migrar para o CoDeSys. Faça o download aqui.
Caso você tenha experimentado algum outro simulador e acha que é interessante, faça um comentário para que possamos postar aqui!
Um abraço e até a próxima!
Resolvi então postar alguns links para download com os meus comentários a respeito de cada um (opiniões extremamente particulares):
- CoDeSys - Software de programação na linguagem IEC-61131-3. Na minha opinião é o melhor para o aprendizado, pois é um ambiente extremamente profissional e muitos fabricantes (FESTO, Schneider, ABB, etc.) distribuem junto com seus equipamentos uma versão personalizada do CoDeSys. Possui ambiente de programação e simulador de PLC. E o melhor: Grátis e sem necessidade de cracks. Faça o download aqui (é necessário registrar para receber senha de acesso à área de Download. Você receberá a senha de acesso por e-mail em 2 dias... mas vale muito a pena!).
- TriLOGI - Software educacional de simulação de PLCs. Também é muito interessante e é possível fazer um teste online (internet) antes de fazer o download. Faça o donwload aqui (É necessário registrar).
- Zelio Soft - Software de Programação do MicroPLC Zélio da Schneider Electric. Muito simples e fácil de manusear, com simulação bem interessante. Ideal para quem ainda não tem nenhuma noção e deseja dar os primeiros passos. Recomendo engatinhar nesse e depois migrar para o CoDeSys. Faça o download aqui.
Caso você tenha experimentado algum outro simulador e acha que é interessante, faça um comentário para que possamos postar aqui!
Um abraço e até a próxima!
Exemplo de Programa - Parte 2
Exemplo de lógica sequencial
Neste post será mostrado outro exemplo de programaçao de PLC, mas utilizando agora a lógica sequencial, que é aquela em que a(s) saída(s) dependem do estado atual das entradas e também do valor anterior da(s) saída(s).
Tomaremos como base um sistema de acionamento de um motor elétrico, mostrado na Figura 1.
Este sistema simples, deverá funcionar da seguinte maneira:
O motor será ligado se o botão ON for pressionado, ou seja, ON=1.
O motor será desligado se o botão OFF for pressionado, ou seja, OFF=1.
Se nenhum dos dois botões estiver pressionado (ou seja, ON=0 e OFF=0), o motor manterá o seu estado anterior, ou seja, se estava desligado, continua desligado e se estava ligado, continua ligado.
Caso os botões ON e OFF sejam pressionados simultaneamente, ou seja ON=OFF=1, o motor deve permanecer desligado.
Figura 1 - Exemplo de sistema sequencial
No exemplo mostrado na Figura 1, temos uma situação interessante: E se o operador pressionar os botões ON e OFF simultaneamente? No exemplo, o estado do motor será nessa situação será desligado, mas dependendo da aplicação, poderia ser o contrário. Veremos em outros posts mais adiante exemplos com esta situação.
O sistema apresentado no exemplo poderia ser automatizado através de um circuito elétrico, conforme mostrado na Figura 2.
Figura 2 - Circuito elétrico de acionamento do motor
No circuito mostrado na Figura 2, verifica-se que o mesmo é dividido em duas partes. A da esquerda, onde aparece o motor, chamamos de circuito de força e o da direita, que comanda o contator K1, circuito de controle ou comando.
Os componentes S1 e S2 são botões de comando NA (Normalmente Aberto) e NF (Normalmente Fechado), respectivamente, e recebem os estímulos externos do operador.
Observam-se também alguns elementos nomeados de K1, que é um contator. No circuito de controle, aparece a bobina do contator K1 e um contato auxiliar, que nesse caso, é chamado de "contato de selo". No circuito de força, aparecem os contatos de potência de K1, que são utilizados para energizar o motor. Um exemplo de contator é mostrado na Figura 3.
Figura 3 - Vista de um contator
(Fonte: www.geocities.com/SiliconValley/Park/6834/contator.gif)
A partir da visualização da Figura 2, é possível notar que um contato auxiliar do contator K1 faz parte do circuito de acionamento da bobina de K1. Portanto, o estado da bobina de K1, depende do estado do contato auxiliar de K1 (que representa o estado anterior de K1).
Bem, para resolver este problema com um PLC (é claro que este exemplo é uma situação hipotética, pois usar um PLC para acionar apenas um motor certamente é uma solução não vantajosa financeiramente), mostraremos duas soluções: uma com uma lógica similar à mostrada no circuito elétrico e uma outra usando recursos próprios de um PLC.
Solução 01
A primeira solução nada mais é do que a transcrição do circuito elétrico para a linguagem do PLC, conforme pode ser observado na Figura 4.
Figura 4 - Primeira solução - Similar ao circuito elétrico
Vamos simular o funcionamento do circuito em algumas situações:
Situação 01.1
Considerando que a chave S1 foi pressionada, o resultado é o acionamento do motor através de K1 (Ver figura 5).
Figura 5 - Simulação de S1=1 e S2=0
Situação 01.2
Em seguida, simulando o desligamento da chave S1, ou seja, S1=0 e S2=0, o resultado é que o motor continua ligado (ver Figura 6).
Figura 6 - Simulação de S1=S2=0
Situação 01.3
Prosseguindo, se a chave S2 for acionada, o motor é desligado, conforme mostra a simulação na Figura 7.
Figura 7 - Simulação de S1=0 e S2=1
Situação 01.4
Novamente, simularemos S1=S2=0, porém, diferentemente da Situação 02, o motor ficará desligado, pois este era o estado anterior (ver Figura 8).
Figura 8 - Nova simulação de S1=S2=0
Simulação 01.5
Por último, simularemos S1=S2=1. Neste caso, devido à concepção da lógica, tem-se como resultado que o motor fica desligado, conforme mostra a Figura 9.
Figura 9 - Simulação de S1=S2=1
Solução 02
A segunda solução utiliza as funções Set e Reset, que são próprias de programação em PLCs. Estas funções funcionam da seguinte maneira: Se uma linha da lógica possui uma bobina tipo S e fica verdadeira, o elemento associado à bobina S é acionado (=1) e permanece nesse estado mesmo se a linha dessa bobina ficar falsa. Para desligar este elemento, é necessário que uma bobina R associada a este elemento fique verdadeira.
Figura 10 - Representação da solução 02
A lógica desenvolvida é mostrada na Figura 10. Observe que A chave liga (S1) está associada à bobina S (Set=liga) e que a chave desliga (S2) está associada à bobina R (Reset=desliga). Observe também que o motor está associado às duas bobinas (S e R).
Vejamos as situações de simulação:
Situação 02.1
De maneira similar à solução 1, simulamos inicialmente a chave S1 pressionada, conforme mostra a Figura 10.
Figura 10 - Simulação de S1=1 e S2=0
Note que tanto a bobina S quanto a bobina R estão (Ativas), pois estão associadas ao mesmo elemento (K1).
Situação 02.2
Quando o botão S1 é desligado, a saída K1 (Motor) é mantida ligada, mesmo com as linhas de S1 e S2 falsas, pois as bobinas S e R são retentivas (Armazenam o último estado), conforme mostra a Figura 11.
Figura 11 - Simulação de S1=S2=0
Situação 02.3
Ao pressionar o botão S2, K1 é desenergizado. Observe que as duas bobinas aparecem desligadas, mesmo com a linha de S2 verdadeira, conforme Figura 12.
Figura 12 - Simulação de S1=0 e S2=1
Situação 02.4
Novamente, simulando S1=S2=0, porém, K1 permanece desligado devido ao seu estado anterior (Ver Figura 13).
Figura 13 - Simulação de S1=S2=0
Simulação 02.5
Figura 14 - Simulação de S1=S2=1
Neste post será mostrado outro exemplo de programaçao de PLC, mas utilizando agora a lógica sequencial, que é aquela em que a(s) saída(s) dependem do estado atual das entradas e também do valor anterior da(s) saída(s).
Tomaremos como base um sistema de acionamento de um motor elétrico, mostrado na Figura 1.
Este sistema simples, deverá funcionar da seguinte maneira:
O motor será ligado se o botão ON for pressionado, ou seja, ON=1.
O motor será desligado se o botão OFF for pressionado, ou seja, OFF=1.
Se nenhum dos dois botões estiver pressionado (ou seja, ON=0 e OFF=0), o motor manterá o seu estado anterior, ou seja, se estava desligado, continua desligado e se estava ligado, continua ligado.
Caso os botões ON e OFF sejam pressionados simultaneamente, ou seja ON=OFF=1, o motor deve permanecer desligado.
Figura 1 - Exemplo de sistema sequencialNo exemplo mostrado na Figura 1, temos uma situação interessante: E se o operador pressionar os botões ON e OFF simultaneamente? No exemplo, o estado do motor será nessa situação será desligado, mas dependendo da aplicação, poderia ser o contrário. Veremos em outros posts mais adiante exemplos com esta situação.
O sistema apresentado no exemplo poderia ser automatizado através de um circuito elétrico, conforme mostrado na Figura 2.
Figura 2 - Circuito elétrico de acionamento do motorNo circuito mostrado na Figura 2, verifica-se que o mesmo é dividido em duas partes. A da esquerda, onde aparece o motor, chamamos de circuito de força e o da direita, que comanda o contator K1, circuito de controle ou comando.
Os componentes S1 e S2 são botões de comando NA (Normalmente Aberto) e NF (Normalmente Fechado), respectivamente, e recebem os estímulos externos do operador.
Observam-se também alguns elementos nomeados de K1, que é um contator. No circuito de controle, aparece a bobina do contator K1 e um contato auxiliar, que nesse caso, é chamado de "contato de selo". No circuito de força, aparecem os contatos de potência de K1, que são utilizados para energizar o motor. Um exemplo de contator é mostrado na Figura 3.
Figura 3 - Vista de um contator(Fonte: www.geocities.com/SiliconValley/Park/6834/contator.gif)
A partir da visualização da Figura 2, é possível notar que um contato auxiliar do contator K1 faz parte do circuito de acionamento da bobina de K1. Portanto, o estado da bobina de K1, depende do estado do contato auxiliar de K1 (que representa o estado anterior de K1).
Bem, para resolver este problema com um PLC (é claro que este exemplo é uma situação hipotética, pois usar um PLC para acionar apenas um motor certamente é uma solução não vantajosa financeiramente), mostraremos duas soluções: uma com uma lógica similar à mostrada no circuito elétrico e uma outra usando recursos próprios de um PLC.
Solução 01
A primeira solução nada mais é do que a transcrição do circuito elétrico para a linguagem do PLC, conforme pode ser observado na Figura 4.
Figura 4 - Primeira solução - Similar ao circuito elétricoVamos simular o funcionamento do circuito em algumas situações:
Situação 01.1
Considerando que a chave S1 foi pressionada, o resultado é o acionamento do motor através de K1 (Ver figura 5).
Figura 5 - Simulação de S1=1 e S2=0Situação 01.2
Em seguida, simulando o desligamento da chave S1, ou seja, S1=0 e S2=0, o resultado é que o motor continua ligado (ver Figura 6).
Figura 6 - Simulação de S1=S2=0Situação 01.3
Prosseguindo, se a chave S2 for acionada, o motor é desligado, conforme mostra a simulação na Figura 7.
Figura 7 - Simulação de S1=0 e S2=1Situação 01.4
Novamente, simularemos S1=S2=0, porém, diferentemente da Situação 02, o motor ficará desligado, pois este era o estado anterior (ver Figura 8).
Figura 8 - Nova simulação de S1=S2=0Simulação 01.5
Por último, simularemos S1=S2=1. Neste caso, devido à concepção da lógica, tem-se como resultado que o motor fica desligado, conforme mostra a Figura 9.
Figura 9 - Simulação de S1=S2=1Solução 02
A segunda solução utiliza as funções Set e Reset, que são próprias de programação em PLCs. Estas funções funcionam da seguinte maneira: Se uma linha da lógica possui uma bobina tipo S e fica verdadeira, o elemento associado à bobina S é acionado (=1) e permanece nesse estado mesmo se a linha dessa bobina ficar falsa. Para desligar este elemento, é necessário que uma bobina R associada a este elemento fique verdadeira.
Figura 10 - Representação da solução 02A lógica desenvolvida é mostrada na Figura 10. Observe que A chave liga (S1) está associada à bobina S (Set=liga) e que a chave desliga (S2) está associada à bobina R (Reset=desliga). Observe também que o motor está associado às duas bobinas (S e R).
Vejamos as situações de simulação:
Situação 02.1
De maneira similar à solução 1, simulamos inicialmente a chave S1 pressionada, conforme mostra a Figura 10.
Figura 10 - Simulação de S1=1 e S2=0Note que tanto a bobina S quanto a bobina R estão (Ativas), pois estão associadas ao mesmo elemento (K1).
Situação 02.2
Quando o botão S1 é desligado, a saída K1 (Motor) é mantida ligada, mesmo com as linhas de S1 e S2 falsas, pois as bobinas S e R são retentivas (Armazenam o último estado), conforme mostra a Figura 11.
Figura 11 - Simulação de S1=S2=0Situação 02.3
Ao pressionar o botão S2, K1 é desenergizado. Observe que as duas bobinas aparecem desligadas, mesmo com a linha de S2 verdadeira, conforme Figura 12.
Figura 12 - Simulação de S1=0 e S2=1Situação 02.4
Novamente, simulando S1=S2=0, porém, K1 permanece desligado devido ao seu estado anterior (Ver Figura 13).
Figura 13 - Simulação de S1=S2=0
Simulação 02.5
Nesta situação, verifica-se que se S1=S2=1, K1 permanece desligado. Neste caso (ver Figuras 10 e 14), K1 permanece desligado porque o PLC processa o programa linha a linha, logo, a última linha processada é a linha da bobina R (Reset=Desliga), portanto, o último comando para a saída K1 é que seja desligada.
Figura 14 - Simulação de S1=S2=1Chegamos ao fim de mais um post e espero que tenha ajudado a esclarecer o princípio de operação de um PLC em um caso de uma lógica sequencial simples.
O arquivo com este programa para o CoDeSys V3 (disponível no site da 3s-software) está disponível na Solução 01 ou Solução 02.
O arquivo com este programa para o CoDeSys V3 (disponível no site da 3s-software) está disponível na Solução 01 ou Solução 02.
Exemplo de lógica combinacional
Neste post será mostrado um exemplo de programação de um PLC utilizando lógica combinacional, ou seja, aquela em que a(s) saída(s) depende(m) apenas dos estados das entradas. Para este exemplo, assim como todos os outros que serão mostrados à frente, será utilizado o software CoDeSys V3.2, disponível no site da 3S Software. Basta fazer um cadastro e em até 2 dias você receberá um usuário e senha para entrar na área de Downloads e baixar a instalação. Este software foi escolhido pelos seguintes motivos:
Figura 3 - Lógica de controle escrita na linguagem Ladder
Simulação
- É inteiramente baseado na norma IEC-61131. Vários fabricantes como ABB, IFM, Festo, Schneider, possuem softwares de programação baseado no CoDeSys;
- Possui licença livre (portanto não precisa de cracks).
- Possui simulador, o que permite criar e simular a lógica;
Uma empresa de reciclagem de papel e PETs possui uma prensa hidráulica, similar à mostrada na Figura 1, para compactação de materiais que será controlada por um PLC. O principal requisito para operação deste equipamento é a segurança do seu operador e, para isso, esta prensa possui:
02 (dois) botões de comando que devem ser pressionados simultaneamente para que o cilindro da prensa seja acionado, garantindo assim que o operador estará com as duas mãos fora da prensa.
01 (uma) porta de proteção que deve estar fechada para possibilitar o acionamento do cilindro, evitando que estilhaços de material possam ser projetados e atinjam o operador.
Figura 1 - Vista de uma prensa hidráulica
Para que o PLC possa identificar que o operador fechou a porta de proteção, foi instalado um sensor tipo chave fim-de-curso, de maneira que quando a porta da prensa for fechada, um contato será acionado.
Para acionar o cilindro, o PLC ativará uma saída que comandará uma válvula solenóide em uma unidade hidráulica, utilizando para isso, uma saída digital.
Por fim, para o correto funcionamento da prensa, o nível do óleo do reservatório da unidade hidráulica deverá ser satisfatório e a temperatura do óleo não deve ser superior a 70°C. Para identificar estas duas condições foram instalados os seguintes sensores:
01 (uma) chave de nível tipo bóia, ajustada para o nível ideal de óleo.
01 (um) termostato, ajustado para 70°C.
Para que o operador saiba que há algum problema com o nível de óleo ou com a temperatura, foram instalados dois sinalizadores luminosos no painel de operação.
O diagrama elétrico completo com a ligação de todas as entradas e saídas é mostrado na Figura 2.
Figura 2 - Diagrama de interligação de entradas e saídas
Para elaboração do software aplicativo do PLC, foi criada a relação de entradas e saídas mostrada na Tabela 1.
| Tipo | Símbolo | Descrição | Função |
| Entrada | BotDir | Botão para acionamento do cilindro da prensa (lado direito) | 0 = Não pressionado 1 = Pressionado |
| Entrada | BotEsq | Botão para acionamento do cilindro da prensa (lado esquerdo) | 0 = Não pressionado 1 = Pressionado |
| Entrada | SPorta | Sensor de detecção da porta de proteção | 0 = Porta Aberta 1 = Porta Fechada |
| Entrada | Noleo | Sensor do nível do óleo hidráulico | 0 = Nível Baixo 1 = Nível OK |
| Entrada | Toleo | Termostato do óleo | 0 = Temperatura >= 70°C 1 = Temperatura <> |
| Saída | HNoleo | Sinalizador luminoso de nível baixo de óleo | 0 = Apagado 1 = Aceso |
| Saída | HToleo | Sinalizador luminoso de temperatura do óleo > 70°C | 0 = Apagado 1 = Aceso |
| Saída | SolCil | Solenóide de controle do cilindro hidráulico da prensa | 0 = Recua cilindro 1 = Avança cilindro |
Tabela 1 - Relação de Entradas e Saídas
A partir das informações da Tabela 1, é possível notar que a saída SolCil será acionada se:
A partir das informações da Tabela 1, é possível notar que a saída SolCil será acionada se:
- BotDir=1, e
- BotEsq=1, e
- Sporta=1, e
- Noleo=1, e
- Toleo=1.
Também é possível observar que a saída HNoleo será acionada se:
- Noleo=0.
- Toleo=0.
Figura 3 - Lógica de controle escrita na linguagem LadderSimulação
Através do CoDeSys 3.2 é possível simular o funcionamento do programa, como se o computador estivesse conectado ao PLC, monitorando a execução do mesmo. Serão abordadas as seguintes situações:
Nesta situação, a prensa se encontra pronta para operação, ou seja, o operador poderá colocar o material, fechar a porta e pressionar os botões. A visualização da simulação é mostrada na Figura 4.
Figura 4 - Simulação da situação 1
Situação 2
Nesta condição, a prensa está em operação, ou seja, o operador já colocou o material dentro da prensa, fechou a porta e pressionou os dois botões. A visualização da simulação é mostrada na Figura 5.
Figura 5 - Simulação da situação 2
Na figura 5 é possível observar que a primeira linha do programa está com todas as suas condições satisfeitas, ou seja, BotDir=1, BotEsq=1, SPorta=1, Noleo=1 e Toleo=1. Sendo assim, a saída SolCil está ativada.
Situação 3
Nesta condição, a operação da prensa foi interrompida pela detecção do nível baixo de óleo. A visualização da simulação é mostrada na Figura 6.
Figura 6 - Simulação da situação 3
Na figura 7 é possível observar que a SolCil está desligada (recuando o cilindro da prensa) e a segunda linha ativa a saída HNoleo, sinalizando para o operador que o nível do óleo está baixo.
Situação 4
Nesta condição, a operação da prensa foi interrompida pela detecção da alta temperatura do óleo (temperatura igual ou maior a 70ºC).. A visualização da simulação é mostrada na Figura 7.
Figura 7 - Simulação da situação 4
Na figura 7 é possível observar que a SolCil está desligada (recuando o cilindro da prensa) e a terceira linha ativa a saída HNoleo, sinalizando para o operador que a temperatura do óleo está alta.
- Prensa com condições normais, porta aberta e botões de operação não pressionados.
- Prensa com condições normais, porta fechada e botões de operação pressionados.
- Prensa com baixo nível de óleo, porta fechada e botões de operação pressionados.
- Prensa com alta temperatura do óleo, porta fechada e botões de operação pressionados.
Nesta situação, a prensa se encontra pronta para operação, ou seja, o operador poderá colocar o material, fechar a porta e pressionar os botões. A visualização da simulação é mostrada na Figura 4.
Figura 4 - Simulação da situação 1Situação 2
Nesta condição, a prensa está em operação, ou seja, o operador já colocou o material dentro da prensa, fechou a porta e pressionou os dois botões. A visualização da simulação é mostrada na Figura 5.
Figura 5 - Simulação da situação 2Na figura 5 é possível observar que a primeira linha do programa está com todas as suas condições satisfeitas, ou seja, BotDir=1, BotEsq=1, SPorta=1, Noleo=1 e Toleo=1. Sendo assim, a saída SolCil está ativada.
Situação 3
Nesta condição, a operação da prensa foi interrompida pela detecção do nível baixo de óleo. A visualização da simulação é mostrada na Figura 6.
Figura 6 - Simulação da situação 3Na figura 7 é possível observar que a SolCil está desligada (recuando o cilindro da prensa) e a segunda linha ativa a saída HNoleo, sinalizando para o operador que o nível do óleo está baixo.
Situação 4
Nesta condição, a operação da prensa foi interrompida pela detecção da alta temperatura do óleo (temperatura igual ou maior a 70ºC).. A visualização da simulação é mostrada na Figura 7.
Figura 7 - Simulação da situação 4Na figura 7 é possível observar que a SolCil está desligada (recuando o cilindro da prensa) e a terceira linha ativa a saída HNoleo, sinalizando para o operador que a temperatura do óleo está alta.
O PLC - Parte 3
Neste post finalizaremos o assunto sobre o hardware de um PLC. Como, na verdade, é impossível esgotar este assunto, outras abordagens ou explicações serão dadas posteriormente, caso necessário.
Armazenamento de valores de entradas e saídas
Quando no programa do usuário existe uma instrução para leitura de uma entrada ou escrita de uma saída (digital ou analógica), o processador não lê ou escreve os valores diretamente nos módulos de entrada ou saída, mas sim, efetua a leitura ou escrita a partir de um endereço de memória.
O fato de a memória RAM de um PLC possuir áreas reservadas para armazenamento dos valores existentes nas entradas e saídas (digitais ou analógicas) se deve ao fato de que o tempo de leitura ou escrita na memória é muito inferior (ou seja, é mais rápido), do que a leitura ou escrita em um cartão. O tempo de resposta para a leitura ou escrita de um valor na memória é da ordem de nanosegundos (1x10-9s), enquanto a leitura ou escrita diretamente em um cartão é da ordem de milisegundos (1x10e-3s).
Assim, antes do início do processamento do programa de usuário, a CPU solicita que todos os cartões de entradas atualizem os seus valores na área de memória correspondente, chamada de PII - Process Image Input, ou imagem das entradas do processo. Após esta atualização o programa é processado, de maneira que toda vez que se faze necessário avaliar o valor de uma entrada, o valor considerado é o valor presente na memória.
Ainda durante o processamento do programa, os novos valores para as saídas vão sendo armazenados em uma outra área de memória, chamada de PIO - Process Image Output, ou imagem das saídas do processo.
Existem instruções especiais em alguns PLCs que possibilitam a atualização do estado de um grupo de entradas ou saídas durante o processamento do programa. O uso destas instruções deve ser ponderado, pois impactarão diretamente nos tempos de varredura do programa.
Bits e palavras auxiliares
Durante a programação de um PLC, conforme será descrito mais à frente, pode ser necessário utilizar bits que interconectam lógicas ou usar palavras que armazenem valores intermediários de operações matemáticas, por exemplo. Assim, os PLCs já disponibilizam áreas fixas ou configuráveis para utilização de bits e palavras auxiliares, que são utilizados apenas internamente na lógica.
Figura 1 - Representação das divisões típicas da memória RAM de um PLC
Contadores e temporizadores
Em todos os PLCs estão disponíveis instruções de contagem e temporização, que podem ser utilizadas na automação de diversos processos que dependem de questões temporais ou sequenciais. Desta maneira, existem áreas de memória reservadas para o armazenamento das informações de contadores e temporizadores. Existem PLCs, entretanto, em que as instruções de contagem e temporização são armazenadas dentro da própria memória auxiliar (bits e palavras). Logo, ao ser necessário utilizar este tipo de instrução, os manuais do fabricante devem ser consultados para determinar como é realizado o endereçamento e alocação destes recursos.
A Figura 1 ilustra uma memória RAM e as divisões das áreas de programa, PII, PIO, auxiliares, contadores e temporizadores.
Áreas retentivas e não retentivas
As áreas de memória auxiliares, contadores e temporizadores, dependendo do fabricante do PLC ou mesmo da configuração, podem ter comportamentos diferentes frente a uma falha na alimentação do comportamento. Se uma determinada área de memória perde os valores armazenados quando a energia é desligada, diz-se que esta área é não retentiva. Caso os valores armazenados continuem gravados mesmo quando a energia é desligada, diz-se que esta área de memória é retentiva.
Armazenamento de valores de entradas e saídas
Quando no programa do usuário existe uma instrução para leitura de uma entrada ou escrita de uma saída (digital ou analógica), o processador não lê ou escreve os valores diretamente nos módulos de entrada ou saída, mas sim, efetua a leitura ou escrita a partir de um endereço de memória.
O fato de a memória RAM de um PLC possuir áreas reservadas para armazenamento dos valores existentes nas entradas e saídas (digitais ou analógicas) se deve ao fato de que o tempo de leitura ou escrita na memória é muito inferior (ou seja, é mais rápido), do que a leitura ou escrita em um cartão. O tempo de resposta para a leitura ou escrita de um valor na memória é da ordem de nanosegundos (1x10-9s), enquanto a leitura ou escrita diretamente em um cartão é da ordem de milisegundos (1x10e-3s).
Assim, antes do início do processamento do programa de usuário, a CPU solicita que todos os cartões de entradas atualizem os seus valores na área de memória correspondente, chamada de PII - Process Image Input, ou imagem das entradas do processo. Após esta atualização o programa é processado, de maneira que toda vez que se faze necessário avaliar o valor de uma entrada, o valor considerado é o valor presente na memória.
Ainda durante o processamento do programa, os novos valores para as saídas vão sendo armazenados em uma outra área de memória, chamada de PIO - Process Image Output, ou imagem das saídas do processo.
Existem instruções especiais em alguns PLCs que possibilitam a atualização do estado de um grupo de entradas ou saídas durante o processamento do programa. O uso destas instruções deve ser ponderado, pois impactarão diretamente nos tempos de varredura do programa.
Bits e palavras auxiliares
Durante a programação de um PLC, conforme será descrito mais à frente, pode ser necessário utilizar bits que interconectam lógicas ou usar palavras que armazenem valores intermediários de operações matemáticas, por exemplo. Assim, os PLCs já disponibilizam áreas fixas ou configuráveis para utilização de bits e palavras auxiliares, que são utilizados apenas internamente na lógica.
Figura 1 - Representação das divisões típicas da memória RAM de um PLCContadores e temporizadores
Em todos os PLCs estão disponíveis instruções de contagem e temporização, que podem ser utilizadas na automação de diversos processos que dependem de questões temporais ou sequenciais. Desta maneira, existem áreas de memória reservadas para o armazenamento das informações de contadores e temporizadores. Existem PLCs, entretanto, em que as instruções de contagem e temporização são armazenadas dentro da própria memória auxiliar (bits e palavras). Logo, ao ser necessário utilizar este tipo de instrução, os manuais do fabricante devem ser consultados para determinar como é realizado o endereçamento e alocação destes recursos.
A Figura 1 ilustra uma memória RAM e as divisões das áreas de programa, PII, PIO, auxiliares, contadores e temporizadores.
Áreas retentivas e não retentivas
As áreas de memória auxiliares, contadores e temporizadores, dependendo do fabricante do PLC ou mesmo da configuração, podem ter comportamentos diferentes frente a uma falha na alimentação do comportamento. Se uma determinada área de memória perde os valores armazenados quando a energia é desligada, diz-se que esta área é não retentiva. Caso os valores armazenados continuem gravados mesmo quando a energia é desligada, diz-se que esta área de memória é retentiva.
Sensores Analogicos
Nos últimos posts foram abordados alguns dos sensores digitais, projetados para detectar a presença (ou ausência) de determinados objetos, indicando em sua saída o valor 0 ou 1.
Neste post, serão abordados os sensores analógicos, que são basicamente destinados a transformar o valor de uma variável qualquer em uma variável elétrica, possibilitando a integração desse valor a um sistema de controle.
Transdutor
Transdutor é o nome que se dá a um elemento capaz de transformar um tipo de energia em outro tipo de energia. Por exemplo, um alto falante é um transdutor, pois é capaz de transformar as variações da energia elétrica em energia sonora (vibrações mecânicas através do ar). Por outro lado, um microfone é também um transdutor, pois é capaz de transforma a energia sonora (vibrações mecânicas através do ar, provocadas por alguém falando ou cantando ou ainda por um instrumento musical) em energia elétrica, que poderá ser manipulada (amplificada, digitalizada e gravada).
Logo, o elemento principal na composição de um sensor analógico será o transdutor, acompanhado de um conjunto de circuitos eletrônicos para amplificar e condicionar os sinais, que em geral são sinais elétricos de corrente ou tensão.
Variáveis
Existem sensores para praticamente qualquer variável. Entretanto, as mais comuns no meio industrial são:
A seguir são apresentadas algumas imagens de sensores analógicos:
Figura 1 - Sensor de pressão para líquidos e gases. Faixa de medição: -12,4 a 250 milibar, saída 4-20mA ou 0-10V. (Referência IFM Electronic PI2698)
Figura 2 - Sensor de vazão para líquidos. Faixa de medição: 3 a 300cm/s, saída 4-20mA
(referência IFM Electronic SI5004).
Figura 3 - Sensor de distância a Laser. Faixa de medição: 0,2 a 10 metros, saída 4-20mA ou 0-10V
Relação entre grandezas
As grandezas medidas pelos sensores analógicos possuem uma relação direta com o sinal elétrico disponibilizado pelos mesmos. Por exemplo, um sensor de temperatura pode medir temperaturas de 0 a 100ºC e disponibiliza na saída uma corrente de 0 a 20mA proporcional ao valor da temperatura medida, ou seja, quando a temperatura for 0ºC, a saída estará em 4mA e quando a temperatura for 100ºC a saída será 20mA.
A relação entre a grandeza medida pelo sensor e o sinal elétrico disponibilizado por ele nem sempre é possível de se determinar por uma "regra de três". O exemplo dado no parágrafo anterior é um caso em que é possível utilizar tal regra para, por exemplo, determinar qual será a saída do sensor em mA para uma temperatura de 26ºC. O cálculo será:
Tomando um outro exemplo, onde um sensor de temperatura de 0 a 100ºC disponibiliza uma saída de 4-20mA, qual seria a saída deste sensor para uma temperatura de 65ºC? Vejamos o cálculo com "regra de três":
O valor encontrado, embora pareça, não está correto. A relação correta nesse caso (e talvez seja melhor aplicá-la em todos os casos, na dúvida) será:
Onde:
X - Valor atual na escala 1.
Xi - Valor inicial da escala 1.
Xf - Valor final da escala 1.
Y- Valor atual na escala 2.
Yi - Valor inicial da escala 2.
Yf - Valor final da escala 2.
Refazendo o exemplo do sensor de temperatura de 0 a 100ºC com a saída de 4 a 20mA, para uma temperatura de 60º, considerando X os valores de corrente e Y os valores de temperatura, temos:
Assim, sempre que se for trabalhar com sensores analógicos, é importante conhecer esta relação entre as grandezas para efetuar conversão de escalas, verificar se as medições estão corretas, etc.
Neste post, serão abordados os sensores analógicos, que são basicamente destinados a transformar o valor de uma variável qualquer em uma variável elétrica, possibilitando a integração desse valor a um sistema de controle.
Transdutor
Transdutor é o nome que se dá a um elemento capaz de transformar um tipo de energia em outro tipo de energia. Por exemplo, um alto falante é um transdutor, pois é capaz de transformar as variações da energia elétrica em energia sonora (vibrações mecânicas através do ar). Por outro lado, um microfone é também um transdutor, pois é capaz de transforma a energia sonora (vibrações mecânicas através do ar, provocadas por alguém falando ou cantando ou ainda por um instrumento musical) em energia elétrica, que poderá ser manipulada (amplificada, digitalizada e gravada).
Logo, o elemento principal na composição de um sensor analógico será o transdutor, acompanhado de um conjunto de circuitos eletrônicos para amplificar e condicionar os sinais, que em geral são sinais elétricos de corrente ou tensão.
Variáveis
Existem sensores para praticamente qualquer variável. Entretanto, as mais comuns no meio industrial são:
- Distância (ou posição);
- Inclinação;
- Nível;
- pH;
- Pressão;
- Temperatura;
- Velocidade (linear e angular);
- Vazão;
A seguir são apresentadas algumas imagens de sensores analógicos:
Figura 1 - Sensor de pressão para líquidos e gases. Faixa de medição: -12,4 a 250 milibar, saída 4-20mA ou 0-10V. (Referência IFM Electronic PI2698)
Figura 2 - Sensor de vazão para líquidos. Faixa de medição: 3 a 300cm/s, saída 4-20mA(referência IFM Electronic SI5004).
Figura 3 - Sensor de distância a Laser. Faixa de medição: 0,2 a 10 metros, saída 4-20mA ou 0-10V (referência IFM Electronic O1D100). Veja uma animação deste sensor aqui.
Relação entre grandezas
As grandezas medidas pelos sensores analógicos possuem uma relação direta com o sinal elétrico disponibilizado pelos mesmos. Por exemplo, um sensor de temperatura pode medir temperaturas de 0 a 100ºC e disponibiliza na saída uma corrente de 0 a 20mA proporcional ao valor da temperatura medida, ou seja, quando a temperatura for 0ºC, a saída estará em 4mA e quando a temperatura for 100ºC a saída será 20mA.
A relação entre a grandeza medida pelo sensor e o sinal elétrico disponibilizado por ele nem sempre é possível de se determinar por uma "regra de três". O exemplo dado no parágrafo anterior é um caso em que é possível utilizar tal regra para, por exemplo, determinar qual será a saída do sensor em mA para uma temperatura de 26ºC. O cálculo será:
Tomando um outro exemplo, onde um sensor de temperatura de 0 a 100ºC disponibiliza uma saída de 4-20mA, qual seria a saída deste sensor para uma temperatura de 65ºC? Vejamos o cálculo com "regra de três":
Onde:X - Valor atual na escala 1.
Xi - Valor inicial da escala 1.
Xf - Valor final da escala 1.
Y- Valor atual na escala 2.
Yi - Valor inicial da escala 2.
Yf - Valor final da escala 2.
Refazendo o exemplo do sensor de temperatura de 0 a 100ºC com a saída de 4 a 20mA, para uma temperatura de 60º, considerando X os valores de corrente e Y os valores de temperatura, temos:
Assim, sempre que se for trabalhar com sensores analógicos, é importante conhecer esta relação entre as grandezas para efetuar conversão de escalas, verificar se as medições estão corretas, etc.
Sensores Digitais - Óticos e Ultra-sônicos
Sensores Óticos
Os sensores óticos utilizam algum tipo de luz para detectar a presença (ou ausência) ou passagem de objetos. O tipo de luz utilizada pode ser o infravermelho, o laser ou ainda a luz convencional (mais raros).
O princípio básico de funcionamento dos sensores ópticos está em emitir uma luz e monitorar se essa luz é recebida recebê-la de volta.
Para diferenciar a luz refletida da luz ambiente, a luz emitida pelo sensor é modulada, ou seja, são pulsos de luz em uma determinada frequência. Assim, a luz recebida passa por um filtro, de maneira que o sensor só será atuado se a luz recebida estiver na mesma faixa de frequência da luz emitida.
Os sensores óticos se dividem em três categorias, que são:
Difusos
Retro-reflexivos
Emissor-receptor
Sensores óticos difusos
Nesta configuração, o transmissor e o receptor são montados na mesma unidade, sendo que o acionamento da saída ocorre quando o objeto a ser detectado entra na região de sensibilidade e reflete para o receptor o feixe de luz emitido pelo transmissor (ver Figura 1).
Figura 1 – Princípio de operação do sensor ótico difuso
Os sensores óticos difusos possuem um alcance menor em relação aos outros sensores óticos (reflexivo e emissor-receptor). Um exemplo são os sensores da IFM Electronic que possuem um alcance máximo de 4 metros.
Sensores óticos retro-reflexivos
O sensor ótico reflexivo, também conhecido como retro-reflexivo, assim como o difuso, tem o transmissor e o receptor montados em uma única unidade. O feixe de luz chega ao receptor após a incidência em um espelho e o acionamento da saída ocorre quando o objeto interrompe o feixe (Figura 2).
Figura 2 – Princípio de operação do sensor ótico retro-reflexivo
Este tipo de sensor pode ser utilizado em segurança de áreas, conforme pode ser visto na Figura 3. Neste exemplo, um robô é cercado por um feixe luminoso que, após reflexões sucessivas, atinge o receptor. Caso um objeto interrompa esse feixe, o sensor será atuado, paralisando o trabalho do robô ou, no caso, indicando que uma peça de trabalho está ao alcance do robô.
Figura 3 – Exemplo de aplicação de um sensor óptico retro-reflexivo
Um cuidado a ser tomado com um sistema como este, é quanto a limpeza dos sensores e espelhos. A sujeira pode gerar acionamentos indevidos. Caso o ambiente seja muito rico em poeira ou qualquer outra partícula em suspensão (névoa de óleo, por exemplo), talvez seja mais indicado utilizar outro tipo de sensor.
O alcance desse tipo de sensor pode chegar a algumas dezenas de metros, lembrando que as características do ambiente (nuvens de poeira ou vapor), podem influenciar nesse valor de alcance.
Emissor-receptor
Este sensor, ao contrário dos dois anteriores, é montado em duas unidades distintas: uma emissora e outra receptora. Cada unidade fica de um lado da trajetória do objeto-alvo e, uma vez que este interrompa o feixe, e o sensor é ativado. Um exemplo de aplicação são as barreiras utilizadas em elevadores para impedir o fechamento da porta caso haja algum objeto (partes do corpo de um usuário ou outros objetos).
Figura 4 – Sensor óptico tipo emissor-receptor
Sensor ultra-sônico
O sensor ultra-sônico emite pulsos cíclicos de som em alta frequência que, quando refletidos por um objeto, retornam ao receptor, acionando a saída do sensor.
Tanto o emissor como o receptor estão montados na mesma unidade, portanto, é necessário que haja uma reflexâo (eco) do ultra-som de modo que este ative o receptor.
Figura 5 – Inclinações máximas para um sensor ultra-sônico
Neste caso também se deve ter um cuidado ao utilizar um sensor deste tipo devido ao alinhamento angular. Dependendo da inclinação do alvo o eco pode desviar-se para uma direção diferente do sensor, não chegando ao receptor (localizado no mesmo componente). Geralmente este tio de sensor permite uma inclinação máxima de mais ou menos 3º (Figura 5).
Assim como o óptico, o sensor ultra-sônico pode suprimir o fundo (desprezar o eco do que não é objeto alvo de detecção). Vale reparar que o sensor ultra-sônico pode operar tal qual um óptico, no que se refere a capacidade de detecção.
Figura 6 – Aplicações do sensor ultra-sônico
Sensores Digitais - Limites e Indutivos
Os sensores mais comumente utilizados em automação industrial podem ser, conforme já mostrado anteriormente, digitais e analógicos. Basicamente, podem ser citados os seguintes sensores digitais:
Chaves fim-de-curso ou limites
Figura 3 - Ilustração do princípio de operação de um sensor indutivo
Figura 4 - Diagrama interno de um sensor indutivo
Figura 6 - Exemplos de aplicação de sensores indutivos
É importante lembrar que a figura 7 apresenta algumas distâncias recomendadas por um fabricante específico. Para utilizar um sensor, as recomendações do fabricante devem ser consultadas.
Figura 7 - Distância mínimas para instalação de sensores indutivos
- Chaves fim-de-curso ou limites;
- Sensores indutivos;
- Sensores capacitivos;
- Sensores óticos; e
- Sensores ultra-sônicos;
Chaves fim-de-curso ou limites
As chaves fim-de-curso, também conhecidas como limits, são dispositivos eletromecânicos utilizados para detectar a passagem ou a posição de objetos através do contato mecânico da haste da chave com o objeto (ou dispositivo mecânico auxiliar). Esta haste aciona mecanicamente um contato elétrico, que pode ser utilizado num circuito de controle. Um exemplo desse tipo de sensor é mostrado na Figura 1 e um esquema do funcionamento é mostrado na Figura 2.
Figura 1 - Exemplo de uma chave fim-de-curso
Figura 2 - Vista da estrutura interna de uma chave fim-de-curso
Este dispositivo possui construção muito simples, sendo que pode trabalhar com um contato NA – Normalmente Aberto, ou seja, 0=Não Atuado e 1=Atuado, ou NF – Normalmente Fechado, ou seja, 0=Atuado e 1=Não Atuado. Dependendo da chave, pode haver uma combinação de vários contatos NA ou NF.
O sensor indutivo, também conhecido como sensor de proximidade, é capaz de detectar a presença de um objeto metálico quando este estiver a uma determinada distância da sua face (distância sensora). Seu princípio de funcionamento, mostrado na Figura 3, é baseado na geração de um campo eletromagnético de alta frequência, que é desenvolvido por uma bobina instalada na face sensora.
Figura 3 - Ilustração do princípio de operação de um sensor indutivoA bobina faz parte de um circuito oscilador, que em condição normal (não acionada), gera um sinal senoidal, cuja amplitude e frequência dependem do valor da indutância da bobina. Quando um metal entra na área de atuação do campo magnético (portanto, aproxima-se da bobina), ocorre uma variação da indutância da mesma e, consequentemente, redução da amplitude do sinal gerado no oscilador. Esta variação do valor original é, então, detectada e aciona o estágio de saída.
Na Figura 4 é apresentado um diagrama simplificado do circuito interno de um sensor indutivo. Geralmente, ao se falar em sensores indutivos, pode surgir a seguinte pergunta: “Qual a razão de utilizar sensores indutivos no lugar de chaves fim-de-curso convencionais?”
Várias, mas três são as principais:
Número de manobras: por não ter partes móveis (acionamento estático), a capacidade de operação de um sensor indutivo é muito maior que uma chave convencional;
Ausência de contato físico: como se trata de um sensor de proximidade, não há necessidade de contato físico com a parte em movimento. Novamente, isso contribui para o aumento significativo da vida útil do sensor;
Velocidade de atuação: ela é maior que a de uma chave mecânica, uma vez que não há inércia na sua operação.
Figura 4 - Diagrama interno de um sensor indutivoA Figura 5 ilustra um exemplo do campo de atuação, tendo como referência sua superfície ativa. Já a Figura 6 traz alguns exemplos de aplicação.
Figura 5 - Campo de atuação de um sensor indutivo
Outra designação atribuída ao sensor indutivo é de sensor "não faceado". Essa denominação origina-se do aspecto de instalação, que por razões óbvias deve ter uma "zona livre" de metal ao seu redor. Através da Figura 7, podem ser estimadas as distâncias mínimas que um sensor deste tipo deve respeitar, caso seu alojamento seja metálico, a fim de que não ocorram comutações errôneas.
No próximo post, será apresentado o sensor capacitivo, que é um sensor para materiais não metálicos que são classificados como faceados, uma vez que "faceiam" seu alojamento sem correr riscos de acionamento indevido.
Figura 6 - Exemplos de aplicação de sensores indutivosÉ importante lembrar que a figura 7 apresenta algumas distâncias recomendadas por um fabricante específico. Para utilizar um sensor, as recomendações do fabricante devem ser consultadas.
Figura 7 - Distância mínimas para instalação de sensores indutivos
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