Seja a seguinte situação de planta de processo: a planta possui uma bomba química que é ligada por uma botoeira. A bomba requer o suprimento de óleo lubrificante antes de partir. O suprimento de óleo pode ser ligado manualmente mas, por confiabilidade, ele é ligado automaticamente. A bomba do óleo lubrificante é ligada quando se aperta a
botoeira da bomba química e a pressão do óleo deve se estabelecer dentro de 6 segundos.
A seqüência lógica de operação é a seguinte:
1. Se a pressão de óleo é normal, ou seja, não é baixa, após 6 segundos a bomba química opera. Quando isso não acontece, a partida é cancelada automaticamente.
2. O operador pode parar a operação em qualquer momento apertando o botão STOP. Independente do operador, a operação para quando a pressão de óleo cai de um determinado valor de
referência.
3. Quando a bomba química é comandada para parar, sua alimentação é cortada imediatamente e ela para mas a bomba de óleo continua a operar por 10
segundos e depois para. O atraso de 10 segundos garante que a bomba química continua sendo lubrificada enquanto estiver se desacelerando.
4. Enquanto a bomba química é solicitada para operar, um alarme PAL-64 é atuado se a pressão de óleo se torna baixa. Fig. 7.3 (a) esquematiza a lógica de partir e parar a bomba química normalmente e para proteger a bomba contra baixa pressão do óleo durante a operação. No diagrama, as linhas de operação na figura representam sinais lógicos e não sinais físicos.
Agora, seja o caso em que o sistema é desligado e não há pressão de óleo, que é a situação normal quando a bomba química não estiver operando. Um alarme de pressão de óleo baixa é acionado, que é falso porque não há nenhum problema. Mesmo assim, o alarme requer uma ação de conhecimento pelo operador e a lâmpada de alarme continua acesa porque a condição de pressão baixa de óleo persiste, parecendo uma falha.
Tal alarme falso é conhecido como alarme
nuisance, que existe aqui porque a lógica do
sistema não reconhece que o sistema está desligado. Alarmes nuisance são
inconvenientes e, pior, é uma distração para o operador.
Um alarme nuisance pode ser eliminado permitindo que o alarme seja atuado somente no caso de uma falha real ou anormalidade. No exemplo acima, a lógica do alarme deve ser a
seguinte, com a proteção contra nuisance mostrada em itálico: quando a bomba química é ligada, um alarme é atuado se a pressão de óleo estiver baixa depois de 6 segundos que o
botão de partida tenha sido apertado. Assim, a
bomba de óleo opera e há tempo para elevar a pressão antes que o alarme possa operar.
A Fig. 7.3 (b) mostra a lógica para o sistema da bomba com o alarme nuisance bloqueado.
Todas as condições e ações lógicas estabelecidas são de natureza binária:
1. a pressão de óleo está baixa ou não baixa, sinalizada pela saída de uma chave liga-desliga, PSL-64.
2. os elementos temporizadores tem ou não tem uma saída, dependendo se o tempo especificado expirou ou não,
3. a bomba química opera ou não opera. A situação é diferente quando há uma malha de controle analógico cuja ação é bloqueada em determinada circunstância. Por exemplo, a Fig. 7.4 (a) mostra uma malha de vazão modulante que controla o nível do líquido de um tanque. A saída do tanque é controlada pelo controlador de nível. Não se espera nível muito alto mas se isso ocorrer por causa de alguma falha, a vazão para o tanque deve ser desligada.
Fig.7.3. Controle analógico com um intertravamento binário S LSH 66 Falha aberta Tanque Falha fechada FC 65 LC 67 FY 65 FV 65
(a) Esquema geral
Permite controle da vazão Nível alto do tanque LSH-66 Bloqueia controle da vazão Fecha vazão FV-65
Controle Lógico
O controlador de vazão passa através de uma solenóide que atua uma válvula piloto de três vias que normalmente deixa passa o sinal para a válvula de controle convencional. Quando o nível do tanque fica anormalmente alto, a saída da chave de nível alto passa a solenóide de ON para OFF, a válvula piloto interrompe o sinal do controlador que vai para a válvula. Sem ar, a válvula de controle fecha, cortando a vazão de alimentação do tanque.
Agora, tem-se uma malha de controle binário - a chave de nível e a válvula piloto comandada pela solenóide - que sobrepõe um controlador analógico. A lógica básica é mostrada na Fig. 7.4 (b). A sobreposição, também chamada de intertravamento
(interlock), interrompe a operação do processo parando a vazão que vai para o tanque. Este sistema é análogo ao controle auto-seletor, que usa dois controladores convencionais, sendo apenas um selecionado.
Um exemplo caseiro de intertravamento de segurança é o forno de microondas que não opera até que sua porta esteja fechada.
7.3. Vantagens do Controle Lógico
A diagramação lógica apareceu em resposta a uma necessidade de planejar sistemas lógicos complexos. As partes das descrições verbais escritas ou faladas de operações de intertravamento de processo são difíceis para se ligarem mentalmente para fornecer uma visão geral. Erros ou lacunas lógicas podem passar desapercebidos.
O plano de controle lógico deve ser correto e claro antes de ser detalhado o projeto dos equipamentos para executar o plano. Deve-se fazer a coisa direito da primeira vez, com defeito zero.
Os poucos símbolos lógicos junto com algumas palavras de linguagem vernácula permitem uma descrição coerente e explícita da lógica de operação a ser esquematizada. Após alguma experiência, a natureza gráfica do diagrama torna o diagrama relativamente fácil de ler e entender e as inconsistências lógicas são facilmente percebidas. O método é simples pois ele enfoca as exigências de operação do processo e não depende dos detalhes de qualquer equipamento. Por exemplo, a lógica depende se uma vazão é baixa ou alta e não depende se os contatos elétricos da chave de vazão estão abertos ou fechados. Os detalhes mecânicos da ação da chave são deixados para o especialista técnico.
Ao mesmo tempo, o método pode
apresentar as necessidades de operação com um maior ou menor grau de detalhe,
dependendo de quem vai usar o diagrama. O nível de detalhe pode variar para o engenheiro
de projeto, engenheiro de processo, engenheiro de equipamento, operador de processo e pessoal de manutenção.
7.4. Realização do Controle Lógico
Componentes do circuito lógicoTodas funções de controle lógico podem ser executadas através de diferentes tipos de equipamentos isolados ou associados. O equipamento consiste de componentes individuais que são ligados juntos por condutores elétricos, tubos pneumáticos, circuitos impressos elétricos ou fibras ópticas para formar um sistema de controle lógico, como na Fig. 7.1. Os componentes de um sistema podem incluir os seguintes tipos: relés eletromecânicos, dispositivos elétricos a semicondutor, hidráulicos e ópticos.
Relé eletromecânico
O relé eletromecânico tradicional consiste de uma solenóide elétrica que, quando energizada ou desenergizada, move
mecanicamente um ou mais contatos elétricos para abrir ou fechar os circuitos elétricos associados.
Dispositivo elétrico a semicondutor
O dispositivo elétrico a semicondutor ou a estado sólido executa as operações de chaveamento sem movimento mecânico. Ele usa o transistor elétrico discreto ou integrado e constitui a chave estática. Atualmente, ele substitui o relé eletromecânico, embora possua uma menor capacidade de corrente.
Controlador Lógico Programável
O controlador lógico programável é
designado abreviadamente como CLP ou PLC (programmable logic controller), embora o termo não esteja incluído na norma de identificação de instrumentos ANSI/ISA S5.1. Deve-se evitar o uso de PC para não confundir com personal computer.
Um controlador lógico programável, CLP, é um instrumento eletrônico microprocessado programável que tem uma tela de vídeo e um teclado manual. Programar o instrumento é entrar as instruções nele para resolver um problema. Originalmente, o problema a ser resolvido era somente determinar e fornecer a saída binária apropriada de acordo com a lógicas das entradas binárias mas o escopo do problema foi muito aumentado, como descrito abaixo. A programação é feita através do teclado. Os resultados do programa são mostrados na tela.
Controle Lógico
Fig. 7.4. Operação lógica para uma bomba química
Operar bomba de óleo Operar bomba química Pressão baixa de óleo da bomba química PAL-64 Apertado o botão Partida HS-60A da bomba química Apertado o botão Parada HS-60B da bomba química Pressão baixa de óleo da bomba PSL-64 NOT OR OR AND AND S R DI 6 s DT 10 s Notas:
1. Cada bomba pára de operar quando a lógica não diz para ela operar. 2. Esta configuração permite o alarme falso de pressão baixa.
3. Toda informação se move para a direita e para baixo, a não ser que seja observado diferente.
(a) Lógica básica
Operar bomba de óleo Operar bomba química Pressão baixa de óleo da bomba química PAL-64 Apertado o botão Partida HS-60A da bomba química Apertado o botão Parada HS-60B da bomba química Pressão baixa de óleo da bomba PSL-64 NOT OR OR AND AND S R DI 6 s DT 10 s Notas:
1. Esta configuração elimina o alarme falso de pressão baixa.
2. A entrada para o alarme é relocada para fora da fonte mostrada em (a) (b) Lógica com alarme falso de baixa pressão eliminado
Um controlador lógico programável é realmente um controlador lógico configurável por que ele já foi programado pelo fabricante. Ele simplesmente necessita ser configurado pelo usuário que escolhe algumas entre as muitas opções do programa que o fabricante fornece. A facilidade de configuração é o maior benefício do CLP.
Depois que a lógica de controle de
processo é definida por meio de um diagrama lógico, é necessário um diagrama de
engenharia quando se usam relés
eletromecânicos. Tal diagrama é chamado de diagrama ladder de relé, diagrama ladder ou diagrama esquemático elétrico.
O CLP pode ser considerado um computador digital que pode executar as seguintes funções: 1. lógica 2. seqüencial 3. temporização 4. contagem 5. cálculo
6. controle analógico, incluindo PID 7. operação com outros CLPs no circuito 8. operação com outros equipamentos de controle microprocessados, como Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD), controladores single loop e analisadores.
7.5. Chave
ConceitoA chave é um componente
eletromecânico usado para ligar, desligar ou direcionar a corrente elétrica, através de um acionamento mecânico manual ou
automático.
A entrada de uma chave é uma força mecânica e a saída é uma tensão elétrica. A chave estática a semicondutor possui na entrada e saída sinais elétricos. A chave é adequada para teclados e para entrada de dados em sistemas digitais.
A chave de duas posições é um componente binário de circuito simples e fundamental, com uma entrada e uma saída. A saída é alta quando a entrada for alta e a saída é baixa quando a entrada for baixa.
Os tipos mais comuns de chaves
manuais usadas em sistemas eletrônicos são os seguintes:
1. chave liga-desliga (toggle) 2. chave botoeira (push-button) 3. chave seletora
Polos e Terminais
Embora exista uma grande variedade de chaves elétricas, há vários termos que são comuns quando se descreve a construção de qualquer chave.
A haste ou parte da chave que é movida para abrir ou fechar um circuito é chamada de polo da chave. Se uma chave tem somente um polo, ela é chamada de chave de único polo (single pole switch). Se ela possui dois pólos, é chamada de chave de duplo polo. As chaves podem ter também três, quatro ou qualquer outro número de pólos, quando é chamada de triplo polo, e multipolo.
Se cada contato alternadamente abre e fecha somente um circuito, a chave é chamada de single throw. Quando o contato é de dupla ação, ou seja, abre um circuito enquanto simultaneamente fecha outro, a chave é chamada de duplo terminal.
Assim, pode haver uma combinação de pólos e terminais; há chave simples polo, simples terminal(SPST), simples polo, duplo terminal (SPDT), duplo polo, duplo terminal (DPDT). Esta nomenclatura se aplica também aos contatos de relés (relé é uma chave operada pela ação magnética).
Fig. 7.5. Arranjos de chaveamento
A chave elétrica básica é a de simples polo e simples throw, abreviada como SPST. Quando a chave estiver na posição desligada (OFF), o circuito está eletricamente aberto entre M e N. Quando a chave é mudada para a posição ligada (ON), cria-se um circuito de ligação entre os pontos M e N. Esta chave pode ser normalmente aberta (NA) ou normalmente fechada (NF). A chave NF
N M SPST NA N M SPST NF SPDT Centro off N C O M N M O M Q M R P M DPDT DPST NA N O M SPDT
SPST é um curto-circuito entre M-N quando desligada e é um circuito aberto entre M-N quando ligada. É fundamental definir o tipo, NA ou NF, quando escolher a chave para uma aplicação.
Outro tipo de chave possui polo simples, duplo throw, abreviada SPDT. O circuito de M é chaveada entre N e O, quando a chave é ligada ou desligada.
Quando se quer ligar dois circuitos separados em ON e OFF simultaneamente. Pode-se usar duas chaves SPST. Na prática, usa-se a chave DPST. Ela consiste de duas chaves SPST em um único corpo. Quando se quer duas chaves simultaneamente em duplo polo, usa-se a chave DPDT. Este arranjo de chaveamento pode ser expandido para três pólos ou mais, como necessário.
Representação dos contatos
Nos sistemas de segurança, os dispositivos detectores podem ser representados indicando-se a posição assumida por seus contatos quando o sistema está em operação normal, com as variáveis e condições críticas dentro dos limites estabelecidos ou indicando a posição destes contatos quando o sistema está parado, sem pressão, nível, temperatura e vazão. Deverá constar explicitamente nos desenhos o tipo de representação adotada.
Nos sistemas de segurança, os contatos dos relés sempre serão representados na condição de prateleira (shelf position), ou seja, indicado a posição assumida por estes contatos quando a bobina do relé estiver desenergizada.
Chave Liga-Desliga (Toggle)
A chave toggle possui uma haste ou alavanca que se move através de um pequeno arco fazendo os contatos de um circuito abrirem ou fecharem repentinamente. O fato do contato abrir ou fechar muito rapidamente reduz o arco voltaico e garante um curto-circuito seguro. O acionamento da chave toggle é retentivo, ou seja, a chave é ligada por um movimento mecânico e os contatos permanecem na posição alterada, até que a chave seja acionada no sentido contrario. A chave toggle tem uma pequena protuberância saindo do eixo. O eixo toggle é empurrado para cima ou para baixo para produzir o chaveamento.