• Sua utilização em programas extensos e com lógicas mais complexas é bastante difícil;
• Programadores não familiarizados com a operação de relés tendem a ter dificuldades com essa linguagem;
• Edição mais lenta. Sensores
O uso de sensores e transdutores são fundamentais para monitorar, regular e controlar a automação das máquinas/equipamentos dos mais diferentes tipos de processos, assim sendo utilizados para detecção dos mais variados tipos de grandezas físicas e/ou posição, presença, etc.
_____________________________________________________________________________________________ Este processo dá-se o nome de sensoriamento.
Para Rosário (2005), sensores são elementos provedores de informação para os sistemas de automação, eles podem ser utilizados no controle de processos discretos, com a medição das variáveis lógicas ou booleanas, e no controle de processos contínuos, em que normalmente se medem grandezas analógicas. Utilizados como detectores de erro, também chamados de comparadores, são dispositivos ou uma combinação de dispositivos empregados em sistemas automáticos de controle para determinar a diferença entre o valor da variável de saída e o valor desejado de entrada. Um sensor pode fornecer direta ou indiretamente um sinal que indica uma determinada grandeza física convertida em um sinal elétrico. Quando opera diretamente, sob a mesma forma de energia, é chamado de transdutor. O sensor de operação indireta altera suas propriedades, como resistência, a capacitância ou a indutância, sob a ação de uma grandeza de forma mais ou menos proporcional.
Pode-se dividir os sensores em dois tipos:
• sensores analógicos: faixa de variação continua, como por exemplo: 0 a 10Vcc, 4 a 20mA, etc.;
• sensores digitais: apresenta somente dois valores de seu estado, ou seja, 0 ou 1.
Atualmente, dispõe-se de uma grande variedade de tipos de sensores devido à existência de uma gama de necessidades de controle para processos contínuos e/ou discretos, bem como ao elevado número de soluções industriais.
Pode-se destacar dentre todos os tipos de sensores, os que mais são utilizados de proximidade: mecânicos, ópticos, indutivos, capacitivos e ultrassom; de posição e velocidade: potenciômetros, encoders absoluto; de força e pressão; analógico de temperatura (termopar); de vibração e aceleração.
Para Rosário (2005) as principais características de um sensor são:
• linearidade: grau de proporcionalidade entre o sinal gerado e a grandeza física;
• faixa de atuação: intervalo de valores da grandeza em que pode ser utilizado o sensor, sem causar sua destruição ou imprecisão na leitura;
• acurácia: razão entre o valor real e o valor medido pelo sensor;
______________________________________________________________________________ • sensibilidade: índice associado a acurácia, resolução, faixa de atuação, repetibilidade e a distância de detecção;
• tipos de sinais de entrada e saída: tipo de grandeza a ser medido (entrada) e a grandeza física necessária para se alimentar os controladores ou indicadores de processos (saída).
Sensor capacitivo
O sensor capacitivo se baseia no princípio da capacitância elétrica, seu comportamento é eletroestático, similar ao de um capacitor de placas planas. Portanto, um campo elétrico é formado entre as suas placas e ocorre uma perturbação quando qualquer material permanecer dentro do campo elétrico. Qualquer material isolante que estará entre as placas de um capacitor é denominado de dielétrico e possui um valor específico, que varia de acordo com a sua composição (Cruz (2007)).
A grande diferença entre as constantes dielétricas da água e as partículas do solo torna possível um acompanhamento contínuo do teor de água no solo através do sensor capacitivo. Isto é, ele pode monitorar a umidade do solo com base na variação do dielétrico, já que a mudança deste vai resultar na variação do campo elétrico gerado entre os eletrodos do sensor (figura 32).
Figura 32 - Sensor capacitivo da humidade do solo
_____________________________________________________________________________________________ Sensor de chuva
Irrigar uma área durante uma chuva resulta em plantas demasiadamente saturadas e água desperdiçada. O sensor de chuva disponibiliza a forma mais simples e eficaz de impedir que os aspersores funcionem durante ou após períodos de chuva (figura 33). O sensor interrompe a irrigação agendada quando detecta um nível predefinido de chuva, assim o processo automático garante que os terrenos não sejam irrigados durante o período chuvoso, assim que a chuva termina, o sensor permite que o controlador retorne à atividade normal, como o nível de umidade do solo estará alto, dependendo o sistema de irrigação, ficara inativa por um tempo. (CASARRIGA, 2014).
Figura 33 - Sensor de chuva
Fonte: Rain Bird Medidores de vazão
Medidores de vazão são sensores que tem como finalidade a medição de valores de vazão em determinados sistemas. Os medidores de vazão podem se magnéticos, ultrassónicos, com efeito doppler, eletrônicos ou hidráulicos. Através dos dados obtidos por esse instrumento é possível implementar na entrada da CLP, assim é possível o controle de motores, calibrar sensores e atuadores e válvulas além de monitorar a quantidade de água (ou outro fluido) que está sendo usada para determinada operação e o consumo da mesma, podendo até medir a vazão volumétrica (volume/tempo).
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Figura 34 - Modelo de medidor eletromagnético de vazão
Fonte: Ferreira, 2012.
Os transdutores de pressão que utilizam materiais piezoelétricos também são conhecidos como transdutores de pressão do tipo semicondutor. São utilizados numa ampla gama de aplicações que vão desde equipamentos de consumo até equipamentos médicos, aeroespaciais e para a indústria. A principal função é para medição de pressão é a partir da diferença entre a pressão de referência (normalmente o vácuo) e a pressão que se deseja medir. Pode-se observar na Figura 35 que nesse tipo de transdutor existe uma cavidade selada em que é feito o vácuo, assim servindo de referência para o sensor.
Figura 35 - Exemplo de um transdutor de pressão do tipo semicondutor
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e ixo
Encoder
Encoders são sensores digitais utilizados para fornecer a realimentação de posição em
atuadores. São compostos por discos de vidro ou plásticos que giram entre uma fonte de luz (LED) e fotodetectores, assim o disco é codificado com setores alternados de transparência e opacidade (Figura 36), gerando pulsos de luz e escuridão quando há rotação do disco.
Figura 36 - Visão construtiva de um encoder
Fonte: Adaptado de Rosário (2005).
Os encoders absolutos possuem um único sistema de codificação associado a cada posição angular, desta forma, sua principal vantagem é a ausência de necessidade de inicialização de posição, assim por sua vez a codificação de posição é realizada em código binário Gray.
Sensor de temperatura
Termopares são sensores de temperatura simples, robustos e de baixo custo, sendo amplamente utilizados nos mais variados processos de medição de temperatura, em motores eletricos, por exemplo. Um termopar é constituído de dois metais distintos que, unidos por sua extremidade formam um circuito fechado. O termopar desta maneira gera uma força eletro-motriz, que quando conectada a um instrumento de leitura (multímetro, por exemplo) consegue ler a temperatura.
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(90% Niquel e 10% Cromo), como termoelemento positivo e Alumel (95% Niquel e 5% Alumínio), como termoelemento negativo. Seu uso é adequado para medições contínuas desde -50°C até ~750°C, tendo sensibilidade de aproximadamente 41µV/°C.
O Sensor Termopar tipo k possui revestimento de tranças de fio de Amianto, material este que além de ser extremamente flexível apresenta resistência química, térmica e à tração. Além disto conta com um conector tipo flecha macho, que é o conector padrão utilizado na maioria dos multímetros vendidos no mercado, assim possibilitando ampla conexão com diversos sistemas. (conforme a figura 37).
O Termopar Tipo K é um instrumento de uso genérico, utilizado tanto por técnicos quanto profissionais no monitoramento de temperatura, seja no processo de Reballing em chips BGA, SMD ou na indústria em geral, isto pois possui excelente resistência à oxidação em altas temperaturas e à corrosão em baixas temperaturas.
Figura 37 - Sensor termopar tipo K
Fonte: Usina.Info Medidores de grandezas elétricas
Os registradores de grandezas elétricas, atuam como poderosos sistemas de monitoramento de energia elétrica, avaliando de forma contínua e em tempo real a tensão e a corrente nas três fases pelo método True RMS, permitindo o cálculo preciso de todos os itens de interesse. Os parâmetros do registrador podem ser ajustados no próprio equipamento, através de uma interface amigável ou via interface serial padrão elétrico RS-485, pelo protocolo MODBUS-RTU. Exemplo de multimedidor PM5110 MODBUS RS485 (figura 38).
_____________________________________________________________________________________________ Figura 38 - Multimedidor PM5110
Fonte: Schneider Electric.
A partir das grandezas lidas (tensão e corrente nas três fases), o PM5110 exibe, sequencialmente, as seguintes medições, sendo englobado de forma completa em cada categoria: Corrente, Tensão, Frequência, Fator de potência, Energia, Potência ativa e reativa, tempo de funcionamento, distorção harmônica total e conteúdo harmônico até a 49ª componente ímpar.
IHM
Conhecida como interface homem-máquina (ou interação homem-máquina), trata-se de uma aplicação em uma tela, que facilita e torna mais eficiente a comunicação entre pessoas e máquinas, exemplo mais simples para entender, é só pensar na forma como você se comunica com um caixa eletrônico, você escolhe a opção na tela (neste caso, a IHM), no caso se quiser sacar algum dinheiro, é possível visualizar botões na tela, clicar e solicitar o saque. Sem ela, você teria que interagir diretamente com bancos de dados, o que envolveria linguagens de programação, a fim de gerar ações. Dessa forma, a tela facilita sua comunicação com a máquina, com uma visualização prática, janelas com mensagens de fácil compreensão e animações.
A IHM deve ser pensada de maneia que qualquer usuário compreenda seu uso e seja capaz de executar funções sem muitas dificuldades. Resumindo: com a IHM, ninguém precisa ter noções de programação para operar algum sistema, ou seja, ação simples, fácil e pratica.
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Essa interface tem como objetivo a substituição de botões liga/desliga, chaves, painéis ou qualquer dispositivo que exerça as funções de controle e sinalização. A eliminação destes dispositivos gera uma tela com representações visuais de fácil compreensão de tais componentes, diminuindo espaço, otimizando funções e aumentando a capacidade de visualização de informações, além de diminuir o custo, o que é ideal para pequenas aplicações.
Sistemas Supervisórios tipo SCADA
Sistemas para monitoramento e controle de dados em automação industrial é geralmente chamado de "supervisório" ou SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition - Controle supervisório e aquisição de dados). Um exemplo de um software supervisório completo é o Supervisório SCADA Laquis (figura 39). Com este supervisório é possível desde monitorar e controlar as informações da produção industrial até gerar relatórios analíticos dos dados.
Figura 39 - Exemplo de Supervisório SCADA
Fonte: Supervisório Laquis.
Atualmente, os sistemas SCADA podem ser utilizados como interface gráfica Homem- Máquina amigável, os quais utilizam as tecnologias da computação e da comunicação que permite a supervisão e/ou controle de sistemas automatizados. Tem o objetivo de proporcionar o desenvolvimento de sistemas de controle por meio de controladores lógicos programáveis (CLP) industriais, com a visualização e o fornecimento de informações para usuários autorizados, a fim
_____________________________________________________________________________________________ de permitir a conectividade, a visualização e os níveis de controle, e ainda a hierarquia da automação, tendo como resultado custos reduzidos de desenvolvimento e manutenção.
Um sistema de supervisão, do tipo SCADA, deve possuir as principais características:
• gerar gráficos para controle de variáveis;
• permitir programação de tarefas;
• gerar relatórios;
• ter uma ou mais estação de trabalho;
• permitir o controle e monitoramento do sistema;
• permitir o monitoramento de variáveis; e
• possuir interface gráfica do sistema.
Um sistema de supervisão permite uma visão global do sistema, além de obtenção de informações em tempo real de históricos do comportamento do sistema, como também a possibilidade de um Controle Estatístico do Processo (CEP), monitoração de alarmes/eventos, valores mínimos e máximos, além de permitir um sincronismo perfeito de funcionamento e programação global de horários de funcionamento, por exemplo, para períodos noturnos com tarifas reduzidas de energia elétrica.
Os softwares SCADA contam com muitos recursos prontos que um aplicativo de supervisão em automação normalmente utiliza, como exemplo, os objetos de interface com o usuário: telas, botões, campos de entrada de valores, gráficos, browsers, objetos de recursos internos (interface de banco de dados, servidor de alarmes, drives, fórmulas) e muitas outras facilidades (ALBUQUERQUE; ALEXANDRIA).
Hoje em dia, existem diversos tipos de fabricantes e fornecedores de software para desenvolvimento de sistemas SCADA. Muitos deles são dedicados, específicos para determinados equipamentos e outros são de uso geral, flexíveis e permitem a elaboração de aplicativos para os mais diversos níveis. Entre estes softwares pode-se destacar: Elipse E3, Elipse SCADA, Elipse
Mobile, WinCC, LabView, IN TOUCH e Lintouch.
Elipse Mobile:
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com sistemas de automação (SCADA) que possibilita monitorar indicadores e comandar equipamentos do processo através de um smartphone, tablet ou navegador da web. O Elipse mobile pode sincronizar via padrão OPC com outros softwares (figura 40), caso queira ampliar o sistema, por exemplo, o Elipse E3, Elipse Power, Elipse Plant Manager, Elipse SCADA e Arduíno.
Figura 40 - Interface de conexão do elipse mobile
Fonte:Elipse Software
Monitore os indicadores mais importantes do seu negócio facilmente, podendo tomar ações mais seguras com dados fornecidos em tempo real pelos sistemas SCADA, esse processo pode ser personalizável, de acordo com o usuário (figura 41). Você também poderá receber notificações por e-mail se algum indicador chegar a um nível crítico.
Figura 41 - Interface dedicada ao usuário operar
Fonte:Elipse Software
O Elipse Mobile permite que você envie comandos para o processo monitorado, sem a necessidade de usar estações de trabalho fixas, ganhando tempo e eficiência. Ligue, desligue, apague ou acenda em qualquer lugar ou dispositivo, podendo ser usado em seu celular, tablet ou computador, sempre aproveitando o que há de melhor em cada ambiente, e está presente em uma
_____________________________________________________________________________________________ variedade de plataformas diferentes (iOS, Android, Windows, etc...).
Use o configurador para gerenciar todo o conteúdo do Elipse Mobile, desde a conexão aos sistemas SCADA até a criação de cada página e controle, tudo customizável em um único ambiente, tornando extremamente prático.
Por estar vinculado à rede de internet, sua segurança é muito importante, e por isso foi desenvolvido sistema de segurança respeitando padrões de criptografia e transferência segura de dados. No Elipse Mobile, é você quem define quem poderá acessar o sistema e enviar comandos. O sistema também permite a conexão segura via HTTPS entre o servidor e os clientes, garantindo que as informações transmitidas não sejam visualizadas por terceiros. Você também tem a opção de instalar o Elipse Mobile na rede local da sua empresa, sem necessidade de conexão com a internet.
Redes industriais
Redes Industriais são protocolos usados para que controladores, sensores e atuadores troquem dados de forma confiável e ágil para supervisionar ou controlar plantas industriais, cada uma delas conta com regras específicas que regem a transferência de dados.
Atualmente, as redes industriais realizam uma revolução comparável, assim entrando no periodo da industria 4.0, onde a Internet é percursora para a comunicação. Manufatura aditiva, Inteligência Artificial, Internet das Coisas, biologia sintética e sistemas cyber-físicos, são as principais tecnologias envolvidas no conceito de Indústria 4.0, aquela que possibilita a fusão do mundo físico com o digital. A chamada 4ª Revolução Industrial representa um salto na produtividade das empresas, já que é possível otimizar processos e aumentar a competitividade através da inovação.
A chamada Indústria 4.0 é aquela que torna os processos produtivos ainda mais autônomos, customizáveis e eficientes através de tecnologias como a Inteligência Artificial. A capacidade de tomar decisões e aperfeiçoa-las em tempo real, baseadas nos dados gerados por máquinas inteligentes, vem mudando toda a cadeia de produção e os sistemas logísticos de operações das fábricas, assim deixando todo processo de uma indústria muito mais, otimizado.
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assim possível realizar ações de forma coordenada, representando um salto qualitativo muito grande em relação à forma com que a indústria operou até a atualidade.
A adoção de novos processos impacta na redução de mão de obra e nos custos com armazenamento e distribuição, assim com essa economia de recursos, a empresa pode implementar processos de melhoria, criação de novos produtos ou investimentos em outras tecnologias. A Indústria 4.0 favorece, assim, um ciclo virtuoso que torna as corporações mais competitivas e gera retornos à economia.
Hoje, controladores lógicos programáveis, expansões, interfaces homem-máquina, inversores de frequência e medidores de grandezas, controladores de processos, sistemas supervisórios e outros elementos, formam redes complexas, assim podendo ter um ótimo nível de avanços tecnológicos, permitindo que a informação flua de forma instantânea e precisa ao longo de todas as etapas de produção, supervisão, gerenciamento e planejamento.
Classificação das Redes Industriais
A capacidade de comunicação entre dispositivos e o uso de mecanismos padronizados, abertos e transparentes são componentes indispensáveis do conceito de automação de hoje. A comunicação vem se expandindo rapidamente no sentido horizontal nos níveis inferiores, assim como no sentido vertical integrando todos os níveis hierárquicos (figura 42). De acordo com as características da aplicação e do custo máximo a ser atingido, uma combinação gradual de diferentes sistemas de comunicação oferece as condições ideais de redes abertas em processos industriais.
_____________________________________________________________________________________________ Figura 42 - Níveis da pirâmide de automação
Fonte: Instrumatic redes industriais.
Ao abordar este tema, automaticamente relacionamos aos seguintes tópicos, ou pelo menos em alguns deles:
▪ Tecnologia e inovação ▪ Indústria 4.0
▪ Conectividade
▪ Integração entre máquinas e sistema de controle ▪ Eficiência e confiabilidade no sistema produtivo ▪ Segurança de dados
▪ Agilidade
Percebe-se aqui que todas estas evoluções tecnológicas e a consolidação das redes industriais fazem com que os sistemas de automação e controle, equipamentos de campo, controladores, etc., possam assumir funções antes inimagináveis, como o controle de contínuo e discreto, tempos de varreduras menores, arquiteturas redundantes, gerenciamento e tráfego de informação, disponibilidade de informações para IHMs, Internet, geração de relatórios,
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gerenciamento de ativos, altos níveis de segurança, etc. Tudo isso, aliado à confiabilidade industrial tanto de hardware quanto de software.
Podemos ter várias classificações das redes industriais (conforme a tabela 3): Tabela 3 - Classificação Geral de Redes Industriais
Classificação Geral de Redes Industriais
Topologia Fisica Barramento Anel Estrela Arvore Mista
Modelos de Redes Origem/destino Produtor/consumidor
Metodo de Troca de Dados
Pooling Cíclica
Mudança de Estado Tipo de Conexão Ponto a Ponto
Multiplos Pontos Modo de Transmissão Serial
Paralela Sincronização de bits Síncrona
Assíncrona
Modo de Operação
Simplex Hall Duplex Full Duplex
Tipo de Comunicação Comutação de Circuitos Comutação de Pacotes
Fonte: Instrumatic redes industriais.
Visando a minimização de custos e aumentar a operacionalidade de uma aplicação introduziu-se o conceito de rede industrial para interligar os vários equipamentos de uma aplicação, então com a utilização de redes e protocolos digitais prevê um significativo avanço nas seguintes áreas:
_____________________________________________________________________________________________ • Custos de instalação, operação e manutenção
• Procedimentos de manutenção com gerenciamento de ativos • Fácil expansão e upgrades
• Informação de controle e qualidade
• Determinismo (Permite determinar com precisão o tempo necessário para a transferência de informações entre os integrantes da rede)
• Baixos tempos de ciclos • Várias topologias • Padrões abertos
• Redundância em diversos níveis
• Menor variabilidade nas medições com a melhoria das exatidões • Medições multivariáveis
• Etc.
A opção pela implementação de sistemas de controle baseados em redes requer um estudo para determinar qual o tipo de rede que possui as maiores vantagens de implementação ao usuário final, que deve buscar uma plataforma de aplicação compatível com o maior número de equipamentos possíveis. Assim tendo vários tipos de redes industriais que possam ser utilizadas de acordo com a necessidade do processo, e também com o custo.
Fieldbuses são protocolos desenvolvidos até os anos 80 obedecendo as camadas OSI, assim a maior parte possui meio físico (topologia, conectores, cabos) diferentes um do outro, como a fabricação por fabricante para diferentes aplicações. As principais são: PROFIBUS, AS-interface, DeviceNet, CANOpen e Modbus.
Tendo em vista, todos padrões de rede, neste trabalho o utilizado será o Modbus, por ser de custo baixo, e também pelo fabricante da CLP, que vou utilizar, utiliza.
Padrão ModBus
O ModBus é um padrão para barramentos de campo criado pela MODICON, empresa fabricante de produtos para automação. Atualmente, é um padrão aberto que é utilizado por
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milhares de fabricantes de dispositivos para automação, baseado no modelo mestre-escravo, ou