Redes para Automação Industrial
Capítulo 1: Automação Industrial
Luiz Affonso Guedes
DCA-CT-UFRN
2005.1
Objetivos do Capítulo
• Estudo sistêmico de sistemas de
automação industrial.
• Caracterização
dos
elementos
constituintes da automação industrial.
• Evolução da automação industrial.
• Caracterizar os requisitos demandados
pelas aplicações em Automação
Industrial.
Referências Bibliográficas
• Automação Industrial, André Maitelli
– www.dca.ufrn.br/~maitelli/cursos/clp
• Referências na Internet.
Visão Geral da Automação Industrial
Desafio de integração
de informação
Objetivos da Automação Industrial
Aumento da segurança
– Diminuição dos custos operacionais
– Melhoria das condições de operação
– Simplificação das instalações
– Aumento dos níveis de controle
– Aumento dos níveis de
acompanhamento
–
Níveis de Automação Industrial
Manual
Manual
Computador
Processo
Computador
Processo
Manual
Manual
Modo off-line, coleta manual de dados
Off-line, coleta automática de dados
Manual
Computador
Processo
Manual
Manual
Modo on-line, malha aberta
Modo in-line
Processo
Computador
Processo
Computador
Modo on-line, malha fechada
Níveis de Automação - Exemplo
• Processo não automatizado :
Controle de nível local através de válvula
com volante
• Processo semi-automatizado :
Controle de nível através de válvula com
atuador para acionamento remoto
• Processo totalmente automatizado :
Controle de nível através de válvula com
atuador e controlador automático
Áreas de Atuação da Automação
–
–
–
Projetos de novas unidades de operação
Modernização da planta industrial
Integração de procedimentos e
equipamentos em unidades de produção
já existentes
Disciplinas Envolvidas
–
–
–
–
–
Sistemas de Controle
Instrumentação
Informática
Processo
Comunicações
Níveis de Abstração do Problema
Nível de
Gerência
Nível de
Supervisão
Nível de Rede
de Comunicação
Nível de Controle
Direto: PC, CLP
Nível de Sensores
e Atuadores
Nível de
Processos Físicos
Geração de informação estratégica
Visualização, configuração e
armazenamento e variáveis
Tecnologias e protocolos de comunicação
Algoritmos PID, fuzzy, lógica de relé,etc
Eletrônica de potência,
transdutores, acio. pneumático, etc
Motores, robôs, caldeiras, etc.
Níveis de Tecnologias do Problema
Automação: Industrial + Gerencial
Sistema Gerencial
VENDAS
PLANEJAMENTO
BANCO DE DADOS CORPORATIVOS
Estações de
Trabalho
INFORMAÇÃO E SIMULAÇÃO
INTEGRAÇÃO DE CAMPO
Servidores
OPERAÇÃO E SUPERVISÃO
(OTIMIZAÇÃO)
CONTROLE E SEGURANÇA
Estações de Trabalho
PLC’s
Controladores
Elementos Sensores e Atuadores
CAMPO
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
Estrutura da
automação industrial
Supervisor
Gerência de
Informação
Base de
Dados
Rede de Comunicação de Dados Local
Controlador Local 1
Condicionamento
de sinais
Sensores
Atuadores
Processo Físico 1
Controlador Local n
...
Condicionamento
de sinais
Sensores
Atuadores
Processo Físico n
Elementos Básicos
• Processos
• Sensores
• Atuadores
– Calibração
– Segurança
– Economia de energia
•
•
•
•
•
•
•
•
Condicionamento de sinais
Conversão de sinais
Hardware computacional
Sistemas operacionais
Linguagem de programação
Estratégias de controle
Estratégias de segurança: inter-travamento
Estratégias de supervisão
Processos
• Sistemas físicos a serem monitorados,
controlados, supervisionados,gerenciados
• Processos Contínuos
– As variáveis manipuladas têm natureza contínua
– Processos químicos e robótica
• Processos Discretos
– As variáveis manipuladas têm natureza discreta
– Políticas de inter-travamento e manufatura
• Sistemas Híbridos
– Variáveis contínuas + Variáveis discretas
Processo Contínuo
Produto A
MISTURADOR
Produto B
LT
TT
TC
AQUECEDOR
vapor
H1
LC
Processos contínuos: variáveis
analógicas
nível
mA
t
Processo Discreto
SDV
VASO DE PROCESSO
PSLL
CLP
LSLL
SDV
Variáveis Discretas
nível
alto
Setpoint
24 Vdc
normal
Vdc
0 Vdc
t
Variáveis Discretas
nível
alto
normal
Vdc
24 Vdc
0 Vdc
t
Sistemas de medição: Sensores
•
•
•
•
Componentes transdutores de sinais
Condicionamento de sinais
Calibração de sensores
Sistemas de proteção
Entrada
Saída
Sistema de
medição
Processo
medido
Valor verdadeiro
Valor medido
Observador
Exemplo de Sensores
•
•
•
•
•
•
Termopares
Encoderes
Barômetros
Potenciômetros
Fibras ópticas
Ultra-som
Sensores de Pressão
Sensores para Medição de Nível
Baseado em boia
Baseado em radar
Sensores de Temperatura
Termopares
Sensores de Pressão
Instrumentos de Leitura
Telemetria
• Os sistemas conforme o tipo de energia
podem ser:
– Transmissão pneumática (3-15PSI)
– Transmissão eletrônica (4-20mA, 1-5Vcc)
– Transmissão digital ( RS-485 protocolo
modbus, RS-232 protocolo HART, RS-422,
“FoundationTM Fieldbus”.
– Transmissão hidráulica
Sistemas de Comandos: Atuadores
• Amplificadores de energia
• Transformadores de energia elétrica (sinal
de controle) em outras formas de energia
Sistema de
comando
Sinal de
comando
Saída
Processo
Atuador
Exemplos de Atuadores
•
•
•
•
Válvulas
Pistões
Inversores (eletrônica de potência)
Resistências
Válvula de controle (Fisher)
Transmissor eletrônico
Simbologia
TIC 103
Identificação do instrumento ou tag do
instrumento
T
Identificação da malha (malha de
temperatura, número 103)
103
TIC
Identificação funcional (Controlador
Indicador de temperatura)
T
Primeira letra (variável da malha)
IC
Letras subseqüentes (função do
instrumento na malha
Simbologia
TE-301
TT – 301
TIC-301
TCV-301
temperatura
sensor de temperatura
transmissor de temperatura
controlador de temperatura
válvula
controladora
de
Simbologia
Exemplo de uma malha de controle de Pressão
PIC
211
O Problema de Controle
Automático
Relógio Externo
Controle
Direto
Registro
De Dados
A/D
D/D
D/A
D/D
Sensores
Processo Físico
Atuadores
Gerência de
Informação
Interface
Homem/Máquina
...
Terminais, impressoras, etc.
Base de
Dados
Esquema de Controle Automático
material
Processo
produto
energia
Informação
de entrada
Informação do
processo
Sinais de
controle
Sistema de controle
com computador
Objetivos e informação
de gerenciamento
Registros e
relatórios
Alarmes e
guias para
operador
Informação do
produto
Estrutura do Hardware de Controle
Entradas
Analógicas
Outros
sistemas
Memória de
massa
Entradas
Digitais
Canal de
Telemetria
Interrupção
Armazenamento
trabalho
Elementos de
controle
Lógica e
Arimética
CPU
Impressoras
Console
Operação
Estrutura do Hardware do CLP
DISPOSITIVOS DE PROGRAMAÇÃO/
COMUNICAÇÃO
C
I
R
C
U
I
T
O
S
P
D
E
E
N
T
R
A
D
A
UNIDADE
CENTRAL
DE
PROCESSAMENTO
MEMÓRIA
PROGRAMA / DADOS
ISOLAMENTO
ÓPTICO
FONTE DE ALIMENTAÇÃO
C
I
R
C
U
I
T
O
S
D
E
X
S
A
Í
D
A
I >
ISOLAMENTO
ÓPTICO
Atuadores
Sensores
Variáveis do
processo
Multiplexador
entrada
Multiplexador
saída
Conversor
D/A
Conversor
D/A
Algoritmo
de
controle
Filtragem
Lógica de proteção
Processador com
programa DDC
Canal de
Comunicação
Computador
supervisório
(opcional)
Carga e saída do
programa
Console do
Operador
Display
Entrada manual de SP, limites,
sintonia etc.
Tipos de Controles
• Controle continuo - variáveis
analógicas - Controle PID
• Controle Discreto - variáveis
discretas – Inter-travamento
Controle de Variáveis Contínuas –
Estratégia PID
Controlador
+
mA
Válvula
PID
Ref
Vazão
mA
Processo
erro
mA
variável controlada
Sensor
Controle de Processos Discretos
A mudança do Estado das variáveis de
entrada provoca a mudança das variáveis
de saída.
Ex: Pressão alta -> abrir válvula de alívio
Controle de Processos Discretos
Controle de processos discretos é a
implementação de uma Operação Lógica
e/ou Seqüência de Eventos através do
qual o processo é levado a um estado
desejado.
Ex: nível alto -> fecha válvula e aciona alarme
botoeira acionada -> liga bomba e acende lâmpada
temperatura ou pressão alta -> abre válvula e desliga
aquecedor
Estratégia de Controle Discreto
– Sentenças narrativas
– Tabela de Causa e Efeito
– Diagrama Lógico Binário
– Diagrama Ladder
– Diagrama de Blocos Funcionais
Controlador Lógico Programável
PLC na estrutura de automação
Manutenção
ESC
ESC
REDE ETHERNET
F
O
N
T
E
C C C C
P O O O
U M M M
CPU’s DO PLC
SALA DE CONTROLE
F
O
N
T
E
VASO SEPARADOR
C C C C
P O O O
U M M M
REDE PROPRIETÁRIA DO PLC
CHAVE
R
E
M
R
E
M
PSH
SDV
R
E
M
BOMBA
MÓDULOS REMOTOS DO PLC
Arquitetura de Automação
ESC
ESC
ESC
ESC
ESC
ESC
M
M
SALA DE CONTROLE
ETHERNET
REPETIDOR
PLC
PLC
ESD /
FOGO&GÁS
PLC
PLC
CONTROLE DE
PROCESSOS
PL
C
PL
C
PLC
PLC
ROTEADOR
LASTRO
ELÉTRICA
REDES DE CAMPO OU
CABOS INDIVIDUAIS
INSTRUMENTOS
DE CAMPO
SALA DE RÁDIO