OBJETIVOS ESPECÍFICOS DE APRENDIZAGEM

• Conhecer a evolução histórica da automação industrial.
• Compreender os níveis da automação e sua classificação.
• Entender os principais tipos de sensores e atuadores utilizados em uma planta industrial.

INTRODUÇÃO

Esta primeira unidade apresenta os conceitos introdutórios à automação industrial, os quais formam uma base teórica de conhecimento para as próximas unidades. Inicialmente, será abordada a história da automação industrial e a sua evolução nas últimas décadas. Na sequência, serão apresentadas as classificações da automação industrial e terminologia associada.
Como conceito básico, é importante diferenciar a automação da mecanização de processos. Enquanto a mecanização é baseada na utilização de máquinas para executar tarefas, muitas vezes em substituição do esforço humano físico, a automação do processo possibilita realizar tarefas através de máquinas, as quais são controladas de forma automática.
Na sequência, apresentar-se-á a definição de um sensor e alguns sensores importantes em processos de automação industrial. Estes conceitos serão de grande utilidade para posteriormente aprender a programar a linguagem Ladder e a programação do controlador lógico programável Siemens da série LOGO, cujo manual de programação está disponível em Siemens (2016).
Finalmente, você desenvolverá três exercícios que visam avaliar o aprendizado do aluno e o cumprimento dos objetivos da unidade.
Bom estudo!

1.1 HISTÓRIA DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

Desde os tempos da pré-história, o homem tem desenvolvido diversos mecanismos para executar tarefas do seu dia a dia, sempre visando reduzir o seu esforço físico. Existem muitos exemplos deste comportamento, como a invenção da roda para movimentar cargas ou os moinhos de vento (ROGGIA; CARDOSO, 2016).
Com o início da primeira Revolução Industrial no Século XVIII, emergiram as primeiras fases da automação industrial, produzindo mercadorias em maior escala. Naquela época, a produtividade foi aumentada utilizando máquinas modernas, as quais tinham uma maior produção que o trabalho manual, e novas fontes de energia, como a máquina a vapor, que substituiu a energia muscular e a energia hidráulica (ROGGIA, CARDOSO, 2016).
Dentre as primeiras invenções de dispositivos de controle em processos industriais, temos o regulador de esferas de James Watt, que foi desenvolvido no ano de 1769, visando controlar a velocidade de um motor a vapor (Figura 1).

Figura 1: Regulador de fluxo de vapor de Watt. - Fonte: Adaptado pelo autor (2024), a partir de Roggia, Cardoso (2016).

A Figura 1 mostra que existem engrenagens mecânicas no eixo da roda, as quais permitem mensurar sua velocidade. Na sequência, essa velocidade utiliza o movimento das esferas para controlar a quantidade de vapor que vai entrar no motor mediante uma válvula. Note que a saída do motor está conectada à roda. Nesse sentido, quando a velocidade do eixo de saída da roda aumenta, o movimento das esferas faz com que a válvula de vapor se feche, e o motor diminui a velocidade. O processo se repete de forma contínua (ROGGIA; CARDOSO, 2016).
Ainda de acordo com os referidos autores, depois no século XIX, a próxima revolução industrial introduz a energia elétrica, permitindo que a indústria do aço e da química elevassem sua produção. A invenção do telégrafo e do telefone permitiram os grandes avanços do setor das telecomunicações. Na área do transporte e do setor naval, houve uma grande evolução também.
Finalmente, no Século XX, a invenção dos computadores, controladores programáveis (por exemplo, os CLPs industriais) e os servomecanismos fizeram parte de uma grande evolução tecnológica e também econômica. Para atingir este nível de evolução, foram realizadas diversas descobertas, desde os primeiros semicondutores e suas diversas aplicações na indústria, além de produção em grande escala.

1.2 AUTOMAÇÃO DE PROCESSOS INDUSTRIAIS

Os processos de produção possuem várias cadeias na geração de um produto final. Em tempos antigos, estes processos eram realizados de forma manual pelos operadores, em que o primeiro operador fazia uma tarefa A, e em seguida ia para um outro operador que realizava uma segunda tarefa B, e assim por diante, até chegar ao produto finalizado (CAMARGO, 2014).
Na seção anterior, abordamos um pouco da história da automação industrial, desde a primeira revolução industrial até os tempos atuais, sendo que nos encontramos na chamada indústria 4.0. Os sistemas de produção hoje são flexíveis e trabalham a uma elevada taxa de produtividade e com perdas mínimas. O objetivo da indústria 4.0 é a completa integração dos componentes e das máquinas.
No entanto, a existência da automação ajudou a criar o mito de que tudo deveria ser automatizado. É importante ressaltar que existem muitas tarefas, as quais ainda devem ser feitas por humanos devido ao seu nível de raciocínio. Um exemplo disso é a manutenção e controle de qualidade dentro de uma empresa, em especial no setor de alimentos. Também na produção têxtil e linhas de produção onde as etiquetas de produto artesanal são consideradas um selo de qualidade (CAMARGO, 2014).
Por fim, explicada a importância da automatização de processos, elencam-se as principais razões:

• Aumento na produtividade dos colaboradores.
• Redução de custos com mão de obra.
• Eliminação de tarefas repetitivas, desgastantes e sem sentido.
• A segurança e o bem-estar dos funcionários.
• Melhora na qualidade dos produtos.

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1.3 A PIRÂMIDE DA AUTOMAÇÃO

Você já ouviu alguém dizer que automação possui apenas o objetivo de reduzir os custos de produção? Então, existem inúmeros benefícios decorrentes da automação, tais como um maior nível de qualidade, maior tolerância, maior flexibilidade de modelos de mercado, maior segurança pública e dos operários, menores perdas materiais e de energia, maior qualidade da informação sobre o processo e melhor planejamento e controle de produção (PRUDENTE, 2020).
Segundo Filho (2014), é sabido que dirigir uma organização, neste caso uma empresa que possui produção industrial, é um grande desafio. É por este motivo que estas empresas estruturam seus sistemas utilizando a pirâmide da automação (Figura 2), a qual representa os níveis de automação que podem ser encontrados em qualquer planta industrial.
De forma geral, na base da pirâmide, encontra-se o controlador programável, que atua a partir de alguns elementos que nós conhecemos na engenharia elétrica, tais como inversores, conversores, sistemas de partida suave etc. Na parte superior da pirâmide, encontra-se a equipe que representa o setor corporativo da empresa (PRUDENTE, 2020).
A partir da Figura 2, cada nível pode ser descrito da seguinte forma:

• Nível 1: também conhecido como o chão da fábrica, onde estão presentes as máquinas, os dispositivos e os componentes.
• Nível 2: dedicado aos equipamentos que executam o controle automático das atividades da planta. Este controle é feito por meio de controladores digitais, dinâmicos e lógicos, tendo uma supervisão do processo, a qual é conhecida como interfaces homem-máquina (IHM).
• Nível 3: é executado o controle do processo produtivo da planta. É constituído por bancos de dados que contêm informações de qualidade da produção, relatórios e características de processo, índice de produtividade e algoritmos de otimização da operação produtiva.
• Nível 4: são realizados o controle e a logística, isto é, o setor responsável pela programação e pelo planejamento de produção.
• Nível 5: finalmente, neste nível, são tomadas as decisões e o gerenciamento de todo o sistema, ou seja, setor responsável pela administração da empresa (FILHO, 2014; PRUDENTE, 2020).

1.4 CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS AUTOMATIZADOS

Há diversas classificações sobre os sistemas automatizados. Por exemplo, Roggia e Cardoso (2016) fazem menção ao processo de manufatura e processo contínuo. Exemplo clássico de manufatura é a indústria automobilística, na qual são empregados: linha de montagem, robôs soldadores, esteiras transportadoras etc. Por outro lado, no processo contínuo, existe pouca movimentação mecânica de partes, por exemplo, na estação de tratamento de água. E, claro, existem muitas indústrias onde estes dois tipos de processos coexistem, por exemplo, na indústria de bebidas, em que existe um processo contínuo na produção do líquido e um processo de manufatura no envasamento e transporte do produto até o consumidor final.
Além desta classificação, dentre as mais aceitas, encontra-se aquela que é baseada no grau de flexibilidade, tendo três classificações: programação rígida, programável e flexível. Veja a Figura 3, a qual possui como variáveis o volume de produção e a variedade de produto.

1.4.1 Automação Rígida

A automação rígida, também denominada de cabeada, é um sistema no qual a sequência das operações (ou linha de operação) é projetada para a fabricação (ou configuração) do produto específico. Neste sentido, é possível dizer que apresenta altas taxas de produção, porém inflexibilidade do produto em termos de variedade de produção. É evidente que, quando o sistema estiver completamente construído, qualquer alteração torna o processo demorado, de alto custo e complexo (FILHO, 2014; ROGGIA; CARDOSO, 2016).
Ressalta-se, também, que este tipo de automação é adequado, quando se deseja produzir uma grande quantidade de determinado produto, tornando-o mais barato que os demais. Este tipo de automação é bastante utilizado em processo de destilação, transportadoras, oficinas de pintura etc. (FILHO, 2014; ROGGIA; CARDOSO, 2016).

1.4.2 Automação Programável

No caso da automação programável, a linha de operação é projetada com a capacidade de modificar as suas sequências para produzir variedades de produção. Em outras palavras, é utilizada para fabricar produtos personalizados, por exemplo uma montadora automobilística, para produzir o mesmo carro em diversas cores, diferentes tipos de revestimentos e acessórios. Esta adaptabilidade na produção é controlada por um programa, no qual diferentes programas poderão ser usados para produzir novos produtos. É importante destacar que este tipo de automação é usado para um volume de produção baixo (FILHO, 2014; ROGGIA; CARDOSO, 2016).
O investimento neste tipo de automação se justifica quando o processo pode ser alterado com alguma frequência, tornando-o um processo descontínuo com altos volumes de produção. Este é atualmente o tipo de automação mais comum na maioria das indústrias do mundo (FILHO, 2014; ROGGIA; CARDOSO, 2016).

1.4.3 Automação Flexível

Chegando a este ponto, apresenta-se a automação flexível como uma mistura entre a automação rígida e a automação programável. A automação flexível é usada em uma produção na qual há uma grande variedade de produto, e o volume de produção é médio. Citando como exemplo a indústria automobilística, a mesma linha de produção pode ser utilizada para fabricar diferentes modelos de veículos (FILHO, 2014; ROGGIA; CARDOSO, 2016).
No entanto, é importante destacar que, neste tipo de automação, o tempo entre a troca de produção de um tipo de produto para outro deve ser pequeno, ou seja, não deve ser perdido muito tempo, o qual afeta consideravelmente a viabilidade deste tipo de automação, que é utilizado em manufatura, sendo a sequência de operações variável, e elas devem ser programadas (FILHO, 2014; ROGGIA; CARDOSO, 2016).

1.5 ELEMENTOS BÁSICOS DA AUTOMAÇÃO

Em um sistema de controle, existe interesse de controlar uma variável do processo. Você provavelmente deve estar se questionando, o que significa isso e como funciona? Neste subitem, abordaremos os conceitos necessários para entender o funcionamento de um sistema de controle.
Em um sistema de controle, é preciso comparar o valor da variável a ser controlada com um ponto de referência ou também chamado de setpoint. Em outras palavras, você deve comparar o que você tem (o valor da variável) com o que você quer (o valor do setpoint). Tendo explicado isso previamente, a Figura 4 mostra o diagrama de blocos de um sistema de controle, composto dos seguintes elementos:

• 1) Planta: ou processo, cuja variável precisa ser controlada.
• 2) Sensor: este dispositivo converte a grandeza física da planta que você quer controlar em tensão ou corrente.
• 3) Controlador: este dispositivo compara o valor do setpoint com o valor atual obtido pelo sensor e aplica uma determinada ação, cujo objetivo será diminuir a diferença dos valores desejados e atual ao longo do tempo.
• 4) Atuador: este dispositivo converte a tensão ou corrente vinda do controlador para a grandeza física que controla a entrada da planta. Em geral, sensores e atuadores são necessários quando a planta ou processo não é de tipo elétrico (OGATA, 2015). É importante destacar que, no caso do Controlador Lógico Programável (CLP), este dispositivo trabalha utilizando um conjunto de operações lógicas, aritméticas, temporizadores, contagem etc., visando realizar uma tarefa automatizada através de uma linguagem de programação, como, por exemplo, a linguagem Ladder.

Figura 4: Diagrama de Blocos de Um Sistema de Controle. - Fonte: Elaborada pelo autor (2022).

SUGESTÃO DE LEITURA

Para uma melhor compreensão do sistema de controle e da sua importância, colocaram-se duas leituras complementares no material da disciplina. Trata-se dos trabalhos de Herrera-Aristizábal (2022) e Rodrigues Junior (2022).

1.6 SENSORES E ATUADORES

Os sensores são dispositivos bastante utilizados na automação industrial. Estes dispositivos são capazes de transformar uma variável física em uma variável elétrica. Por exemplo, sensores de posição, velocidade, temperatura, vazão etc. (MARTELLI, 2012; ROGGIA. CARDOSO, 2016).
Existem muitos tipos de sensores que podem ser estudados, porém, ao longo do presente caderno de estudos, focaremos na seguinte classificação, de acordo com a natureza do sinal de saída: sensores analógicos e sensores digitais, segundo Roggia e Cardoso (2016).

Sensores Analógicos: estes sensores monitoram grandezas físicas em uma faixa de valores contínuos, mas que apresentam uma faixa de trabalho na forma de tensão ou corrente proporcional à grandeza física desejada (ROGGIA; CARDOSO, 2016).

Sensores Digitais: estes sensores possuem apenas dois estados: ligado (on) ou desligado (off), os quais são utilizados para monitorar a presença ou ausência de um evento, determinado por uma grandeza física (ROGGIA; CARDOSO, 2016).

No caso dos sensores analógicos, existem duas características altamente desejáveis. Você, engenheiro, deve observar estas características para desenvolver projetos de automação industrial, ou que envolvam sensores em geral. Dentre as características desejáveis, temos (Martelli, 2012):

Linearidade: a leitura do sensor deve ser proporcional à grandeza física desejada, portanto é altamente desejável que o sensor seja linear. No entanto, a maioria dos sistemas físicos são de natureza não linear, portanto o sensor trabalha em uma faixa de trabalho considerada linear para o tipo de aplicação desejado.

Faixa de Trabalho: é o intervalo de valores, no qual o sensor pode ser utilizado para mensurar a grandeza física desejada, evitando imprecisões.

1.6.1 Sensor de Acionamento Mecânico

Este tipo de sensor trata de uma chave elétrica acionada pelo movimento dos seus elementos de trabalho através do dispositivo atuador localizado no sensor (ver Figura 5). O sensor de contato mecânico apresenta três terminais acessíveis, sendo: Comum (C), Normalmente Aberto (NA) e Normalmente Fechado (NF). É importante destacar que, quando o número de comutações necessárias é muito grande, a sua utilização não é aconselhável, devido ao desgaste mecânico do dispositivo (BONACORSO, NOLL, 2013).

Figura 5: Sensor de Contato com Acionamento Mecânico. - Fonte: Adaptada pelo autor (2024), a partir de Bonacorso e Noll (2013).

1.6.2 Sensor de Proximidade

Este tipo de sensor trata de um circuito eletrônico capaz de detectar a aproximação de diversos materiais, tais como: peças, fluidos, componentes etc. É importante destacar que o acionamento do sensor ocorre, sem que haja contato direto com o sensor. Este aspecto é relevante em termos de segurança do acionador e a vida útil do sensor. Veja, na Figura 6, as configurações elétricas dos sensores de proximidade. Note que o estágio de saída do sensor é um transistor bipolar de junção de tipo PNP ou NPN, e que existem as seguintes configurações: função NA de três terminais, função NF de três terminais e saída complementar que possui quatro terminais (BONACORSO, NOLL, 2013).

Figura 5: Configurações elétricas dos sensores de proximidade. - Fonte:Adaptada pelo autor (2024), a partir de Bonacorso e Noll (2013).

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SUGESTÃO DE LEITURA

Prezado aluno, para mais informações sobre os transistores bipolares de jun ção NPN e PNP que são utilizados aqui, consulte as Unidades 3 e 4 do seu caderno EAD de Eletrônica Analógica.

1.6.2.1 Sensor de Proximidade Indutivo

Este sensor de proximidade é capaz de detectar metais. O princípio de funcionamento (ver Figura 7) deste sensor é baseado na detecção da variação do campo magnético de alta frequência, devido à aproximação de um objeto metálico (BONARCORSO; NOLL, 2013).

Figura 7: Princípio de funcionamento do sensor indutivo. - Fonte:Adaptada pelo autor (2024), a partir de Bonacorso e Noll (2013).

1.6.2.2 Sensor de Proximidade Capacitivo

Este sensor de aproximação é capaz de detectar materiais orgânicos, plásticos, líquidos, madeiras, papéis, metais etc. Diferente do sensor indutivo, o princípio de funcionamento deste dispositivo (ver Figura 8) é baseado na detecção da variação de campo elétrico de alta frequência, devido à aproximação do objeto (BONARCORSO; NOLL, 2013)

Figura 8: Princípio de Funcionamento do Sensor Capacitivo. - Fonte:Adaptada pelo autor (2024), a partir de Bonacorso e Noll (2013).

CONSIDERAÇÕES FINAIS

A Unidade 1 teve como objetivo abordar os aspectos introdutórios à automação industrial, visando construir uma base teórica para as próximas unidades. Ao longo da unidade, explicamos o processo de evolução da automação industrial, visando aumentar a produtividade. Na sequência, estudaram-se os 5 níveis de automação (ilustrados de forma piramidal) que existem na indústria, desde os componentes (nível 1) até as decisões administrativas da empresa (nível 5). Dentro da classificação dos sistemas automatizados, vimos a automação rígida, flexível e programável, visando entender as vantagens e desvantagens de cada uma delas, por meio de alguns exemplos. Finalmente, realizou-se uma introdução a sensores e atuadores, de contato e proximidade, os quais serão de grande utilidade nas Unidades 2 e 3, nas quais vamos projetar uma linha de produção que utiliza botoeiras (sensores de contato) e bobinas, para realizar pequenas tarefas de porte industrial.

EXERCÍCIOS DE APRENDIZAGEM

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OBJETIVOS ESPECÍFICOS DE APRENDIZAGEM

• Capacitar o aluno na compreensão das principais partes do controlador lógico programável e seus recursos internos.
• Compreender a utilização de contatos e selos.
• Entender a utilização de temporizadores de estado ativo e inativo.
• Estudar a utilização de contadores ascendentes e descendentes.

INTRODUÇÃO

Nesta segunda unidade, serão apresentados os conceitos teóricos e práticos relacionados ao Controlador Lógico Programável (CLP). Estudar-se-ão suas partes, seu fluxo de dados e as vantagens da sua utilização. Na sequência, serão abordadas as principais linguagens de programação usadas, principalmente o diagrama Ladder. Apresentaremos os conceitos de contato normalmente aberto e normalmente fechado, e as principais operações lógicas usadas, isto é, as operações OR, AND e NOT. Como comentado desde a primeira unidade, o presente caderno de estudos visa trazer uma visão prática de cada conceito apresentado. Neste sentido, ao longo da segunda unidade, você perceberá a grande quantidade de exercícios de simulação, os quais visam aplicar os conceitos apresentados sobre selos (também chamados de memórias), do temporizador de estado ativo e de estado inativo e de contadores de tipo ascendente e descendente.
Prezado aluno, desenvolva todos os exercícios apresentados nesta unidade, pois, fazendo isto, você será capaz de automatizar linhas de produção simples e poderá ser capaz de automatizar projetos mais complexos, usando o Controlador Lógico Programável Siemens LOGO, o qual estudaremos na próxima unidade.
No final da Unidade 2, você desenvolverá três exercícios que visam avaliar o aprendizado do aluno e o cumprimento dos objetivos da unidade.
Bom estudo!

2.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

O Controlador Lógico Programável (CLP) é um equipamento eletrônico amplamente usado para aplicações industriais. Devido à sua natureza eletrônica, é programado para executar operações lógicas, temporização, contagem, operações aritméticas etc. (ROGGIA; CARDOSO, 2016). A Figura 9 mostra a estrutura interna de um CLP e sua integração modular com as entradas e saídas. Listam-se as seguintes partes:

Fonte de Alimentação: converte a tensão alternada de entrada, de 220Vrms no Brasil para tensão de alimentação das entradas e saídas do CLP (12Vcc ou 24Vcc) e dos circuitos eletrônicos internos (5Vcc a 12Vcc). Unidade Central de Processamento (CPU): é responsável pelas operações lógicas realizadas pelos circuitos eletrônicos, isto é: as operações lógicas, de aritmética e de temporização. Memória de Programa: é armazenado o programa que foi escrito e gravado pelo usuário. De igual forma que em outros microcontroladores, o programa é armazenado em memórias de tipo RAM, EPROM ou EEPROM. Memória de Dados: são armazenados os estados dos selos, os valores dos temporizadores, dos contadores etc. (ROGGIA; CARDOSO, 2016).

Observe, na Figura 9, que o CLP interage com vários dispositivos de entrada, tais como: sensores, botoeiras, chaves seletoras etc.; e dispositivos de saída: motores, válvulas, lâmpadas etc.
Dentre as principais vantagens do uso de um CLP na automação industrial, listam se: a) alta praticidade de programação; b) localização de falhas e uso de ferramentas de compilação; c) uso de operações complexas e modulares; d) alta flexibilidade para realizar mudanças no projeto; e) rápido tempo de processamento; e f) interação com outros dispositivos como computadores, sensores, atuadores e interfaces etc. (MARTELLI, 2012).

2.2 CONTATO NA E NF

Como foi mencionado na unidade anterior, existem dois tipos de contato: Normalmente Aberto (NA) e Normalmente Fechado (NF). O contato NA, como o nome indica, encontra-se inicialmente aberto (desligado), esperando que o usuário ative o contato, por exemplo, apertando uma botoeira aberta. No caso do contato NF, ele se encontra inicialmente fechado (ligado), esperando que seja desligado. A Figura 10 mostra uma comparação entre o contato NA (botoeira B0) e o contato NF (botoeira B1). Mostra se também uma comparação entre o seu diagrama Ladder (amplamente usado em automação industrial) e o diagrama elétrico. Além disso, a bobina de saída Y0 é capaz de acionar um motor, uma lâmpada, uma válvula etc. (ROQUE, 2014).

2.3 OPERAÇÕES LÓGICAS BÁSICAS

Ao longo desta seção, serão apresentadas as operações lógicas básicas OR, AND e NOT, e sua representação elétrica, em diagrama Ladder e de blocos funcionais.

SUGESTÃO DE LEITURA

Prezado aluno! Aproveite para ler novamente o caderno de estudos de Eletrôni ca Digital e retomar os conceitos sobre operações lógicas.

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2.3.1 Operação OR

Na operação OR, a saída é ligada, quando pelo menos uma das entradas é ligada, isto é, fechada. Na Figura 11, mostra-se o diagrama elétrico, diagrama Ladder e o diagrama de blocos funcionais da operação OR (ROQUE, 2014).

No diagrama elétrico da Figura 11, o fio superior possui uma tensão de 24V. Entretanto, não passará corrente pela bobina Y0, porque os contatos NA (botoeiras B0 e B1) se encontram inativos. Se o usuário apertar pelo menos uma das botoeiras, a corrente ativará a bobina Y0. No diagrama Ladder, a tensão de 24V se encontra no fio do lado esquerdo. Trata-se da mesma lógica, usando simbologia diferente.

2.3.2 Operação AND

Na operação AND, a saída é ligada, quando todas as entradas são ligadas, isto é, fechadas. Na Figura 12, mostra-se o diagrama elétrico, diagrama Ladder e o diagrama de blocos funcionais da operação AND (ROQUE, 2014).

2.3.3 Operação NOT

Finalmente, na operação NOT, a saída é ligada, quando a entrada é desligada (portanto, trata-se de um Contato Normalmente Fechado – NF). Na Figura 13, mostra se o diagrama elétrico, diagrama Ladder e o diagrama de blocos funcionais da operação NOT (ROQUE, 2014).

A partir daqui, vamos utilizar o simulador PLC Fiddle, o qual é livre e on-line.

Neste simulador, desenharemos o diagrama Ladder dos exercícios propostos ao longo da unidade. Nele, você poderá criar os contatos NA e NF, as bobinas de saída e usar os recursos internos do CLP.

Leia o tutorial disponível em PLC Fiddle – Basic Gate Ladder Logic .

Exercício 1: apertar a botoeira B0, a lâmpada L1 liga.

Solução: Crie uma botoeira B0 como um contato NA, e uma bobina L1 que ativará a lâmpada. No teste da Figura 14, note que, ao ligar o contato B0, a saída L1 liga. A ativação de entradas e saídas é observada com linhas de cor verde. Para todos os exercícios, será gerado o link, no qual você poderá verificar a solução proposta.

Figura 14: Diagrama Ladder do Exercício 1. - Fonte: Elaborada pelo autor (2023).

linkhttps://www.plcfiddle.com:/fiddles/fcc38747-654d-45ca-994f-352ea4a559ff

Exercício 2:Ao apertar a botoeira B0 e botoeira B1, a lâmpada L1 liga.

Solução: Note que se trata de uma operação AND. Crie as botoeiras B0 e B1 como contatos NA e uma bobina L1 que ativará a lâmpada. No teste da Figura 15, note que a saída apenas liga, quando você pressiona as botoeiras B0 e B1.

linkhttps://www.plcfiddle.com:/fiddles/cd8536d7-7913-4975-afca-f6aee0904883

Exercício 3: Ao apertar a botoeira B0 ou a botoeira B1, a lâmpada L1 liga.

Solução: Note que se trata de uma operação OR. Crie as botoeiras B0 e B1 como contatos NA e uma bobina L1 que ativará a lâmpada. No teste da Figura 16, note que a saída liga, quando você pressiona pelo menos uma das botoeiras. Os estados inativos são observados com linhas de cor cinza.

linkhttps://www.plcfiddle.com:/fiddles/cd8536d7-7913-4975-afca-f6aee0904883

Exercício 4: Ao apertar a botoeira B0, a lâmpada L1 desliga.

Solução: Note que se trata de uma operação NOT. Crie a botoeira B0 como um contato NF e uma bobina L1 que ativará a lâmpada. No teste da Figura 17, observe que a saída liga, quando você aperta a botoeira B0, a qual se encontra inicialmente fechada (NF).

linkhttps://www.plcfiddle.com:/fiddles/d85f3986-54e6-4f89-8107-6daff9793041

Exercício 5: Ao apertar a botoeira B0 e a botoeira B1, a lâmpada L1 liga. E, ao pressionar a botoeira B2, a lâmpada L1 desliga.

Solução: Note que se trata de uma operação AND de três entradas, em que as botoeiras B0 e B1 são NA e a botoeira B2 é NF. No teste da Figura 18, observe que as condições do exercício foram satisfeitas.

linkhttps://www.plcfiddle.com:/fiddles/d85f3986-54e6-4f89-8107-6daff9793041

Na maioria de aplicações industriais, uma botoeira de START deve iniciar o processo de automação. No entanto, quando você solta esta botoeira, o processo não deveria ser parado, mas uma sequência de instruções Ladder deve ser executada. Para isso, faz-se necessário que o CLP memorize que a botoeira de START já foi pressionada. Este processo é realizado utilizando selos.

2.4 SELOS OU MEMÓRIAS

Na seção anterior, explicamos a necessidade de “memorizar” o fato de que a botoeira de START (ou qualquer uma) tenha sido pressionada. Este processo é bem parecido à memorização de estados lógicos usando latch ou flip-flops, no qual a saída é realimentada novamente na entrada do circuito. Prezado aluno! Convido você a realizar uma leitura da unidade de circuitos sequenciais do caderno de Eletrônica Digital, relembrando o conceito de gravar um estado dentro de um circuito lógico. Através do próximo exercício, explicaremos como memorizar este fato, a partir de agora, chamado de selo da variável.

Exercício 6: Ao apertar a botoeira B0, a lâmpada L1 liga, e ao apertar a botoeira B1, a lâmpada L1 desliga. Porém, ao desapertar a botoeira B0, a lâmpada deverá continuar

ligada.

Solução: Note que o fato de apertar a botoeira B0 deve ser memorizado. Para isso, criaremos uma bobina M1 que vai memorizar este fato, para o qual deverá ser realimentada como um contato NA no diagrama Ladder (veja a Figura 19). De forma separada, a bobina de memória M1 ativará diretamente a lâmpada L1. Note que as condições do exercício foram satisfeitas..

linkhttps://www.plcfiddle.com:/fiddles/d85f3986-54e6-4f89-8107-6daff9793041

Exercício 7: Ao apertar a botoeira B0, a lâmpada L1 liga e sela. A lâmpada L1 será desligada, se a botoeira B1 e B2 forem apertadas ao mesmo tempo.

Solução: Aqui, realizaremos o mesmo processo do exercício anterior, isto é, selar a ligação da botoeira B0 em uma memória M1. No entanto, note que, para desligar a lâmpada, as botoeiras B1 e B2 que são NF devem ser colocadas em paralelo (veja a Figura 20). Observe que as condições do exercício foram satisfeitas.

linkhttps://www.plcfiddle.com:/fiddles/d507e806-0f9e-4758-b27e-e5869a976179

Exercício 8: Ao apertar a botoeira B0, as lâmpadas L1, L2 e L3 ligam e selam. A botoeira B1 desliga só L1; B2 desliga só L2; B3 desliga só L3. Quando as botoeiras B4 e B5 forem apertadas ao mesmo tempo, todas as lâmpadas desligam.

Solução: Vamos realizar o mesmo processo para selar a botoeira B0 através da memória M1. Note que existem botoeiras NF independentes dedicadas a desligar cada uma das lâmpadas (B1, B2 e B3). Igual ao exercício anterior, para desligar todas as lâmpadas, as botoeiras B4 e B5, que são NF, devem ser colocadas em paralelo (veja a Figura 21). Observe que as condições do exercício foram satisfeitas.

linkhttps://www.plcfiddle.com:/fiddles/437065ad-1789-43ae-9cce-f295edf38a0a

2.5 TEMPORIZADORES

O temporizador é um componente essencial para automatizar processos, nos quais cada processo possua uma determinada duração. Também é usado para dar um delay à ativação de uma saída, como, por exemplo, um motor. Existem dois tipos de temporizadores explicados a seguir: o temporizador ON e OFF

2.5.1 Temporizador ON

Os temporizadores possuem comumente 2 entradas e 2 saídas. As entradas são: EN (enable – habilitador) e o PRE (preset – tempo de habilitação). As saídas são: Q (estado lógico do temporizador), e ACC (acumulador de tempo total). No caso do temporizador ON, ao ativar o habilitador EN, começa a contagem de tempo na saída ACC. Quando esta contagem ultrapassa o tempo pré-definido PRE, a saída digital Q é ativada (veja a Figura 22). Note que o temporizador ON é usado apenas para atrasar o estado ativo. No estado inativo, isto é, EN em OFF, não há atraso na saída, pois aparece imediatamente (ROQUE, 2014).

Na sequência, vamos apresentar alguns exercícios para entender como usar um temporizador ON usando o diagrama Ladder. Vamos lá!

Exercício 9: Quando a botoeira de START é pressionada, o sistema deverá esperar 10 segundos para acionar o MOTOR.

Solução: Iniciaremos o processo selando a botoeira START através da memória M1. Note que a ativação da memória M1 é usada como habilitador do temporizador ON, criado como T1. No painel de componentes, você deve definir o tempo PRE de 10 segundos. Finalmente, é possível criar o contato T1.Q, o qual se ativa após a contagem do tempo PRE (veja a Figura 23) e, portanto, ligará o MOTOR. No painel de componentes, o tempo ACC vai acumulando a contagem de forma ascendente. Observe que as condições do exercício foram satisfeitas.

Exercício 10: Quando a botoeira de START é pressionada, a lâmpada L1 será ligada durante 5 segundos. Na sequência, deve desligar L1 e ligar a lâmpada L2 durante 5 segundos. O processo se repete até apertar o botão de STOP.

Solução: Vamos iniciar o processo selando a botoeira START através da memória M0. Note que a ativação da memória M0 vai habilitar o temporizador ON chamado T1, pois T2.Q é um contato NF, e ao mesmo tempo liga a lâmpada L1. Após os 5 segundos definidos no PRE de T1, o contato NF de T1.Q abre, desligando L1. Ao mesmo tempo, ligará a lâmpada L2 e iniciará a contagem do segundo temporizador, chamado T2, o qual possui o mesmo tempo PRE, e o processo se repete, ligando L1 e L2 a cada 5 segundos de forma alternada (veja a Figura 24). Prezado aluno, verifique você mesmo que as condições do exercício foram satisfeitas.

linkhttps://www.plcfiddle.com:/fiddles/22cb10c8-cb60-4966-8e05-bae016bb4b4b

2.5.2 Temporizador OFF

No caso do temporizador OFF, a contagem do tempo na saída ACC começa ao desativar o habilitador EN. Quando esta contagem ultrapassa o tempo PRE que foi pré definido, a saída digital Q será inativada (veja a Figura 25). Note que o temporizador OFF é usado apenas para atrasar o estado inativo. No estado ativo, quando EN é ON, não há atraso na saída (ROQUE, 2014).

Exercício 11: Quando o motor é desligado, ele não poderá recomeçar ao apertar START, até esperar 10 segundos.

Solução: Começaremos o processo selando a botoeira START através da memória M0. Note que a ativação da memória M0 liga diretamente o MOTOR. Ao pressionar a botoeira de STOP, a memória M0 ficará desligada, portanto ativará o temporizador OFF chamado T1. Enquanto o tempo pré-definido PRE não for ultrapassado, você poderá pressionar a botoeira de START, mas o MOTOR não vai ligar. Isso só vai acontecer, quando T1.Q (contato NF) abrir, isto é, quando o tempo de PRE for ultrapassado (veja a Figura 26). Verifique você mesmo que todas as condições do exercício sejam satisfeitas.

linkhttps://www.plcfiddle.com:/fiddles/a9f2f594-4476-41aa-a061-1629019c0b5a

Exercício 12: Ao apertar a botoeira START, o motor deve ligar. Ao apertar STOP, o motor deve desligar após 5 segundos. Existirá também uma botoeira de emergência, na qual uma lâmpada é ativada e poderá desligar o motor imediatamente.

Solução: Vamos iniciar o processo selando a botoeira START através da memória M0. Note que a ativação da memória M0 liga diretamente o MOTOR, pois T1.Q será ativo e a botoeira EMERG é NF. Ao pressionar a botoeira de STOP, a memória M0 ficará desligada e ativará o temporizador OFF chamado T1. Quando o tempo pré-definido PRE for ultrapassado, o T1.Q desligará, fazendo desligar o MOTOR. Além disso, a botoeira EMERG desativa a memória M0 e também interrompe o fornecimento de corrente no MOTOR (veja a Figura 27). Esta botoeira liga também uma lâmpada que será o sinal de emergência. Verifique você mesmo que todas as condições do exercício sejam satisfeitas.

linkhttps://www.plcfiddle.com:/fiddles/ddf82df6-e291-4e47-8d95-153db7a0755f

2.6 CONTADORES

O contador, igualando-se ao temporizador, é um componente muito importante na automação de processos industriais, em que, por exemplo, você pode contar a quantidade de garrafas que foram preenchidas com água, ou as garrafas que faltam preencher. Outra aplicação dos contadores é usá-los junto com os temporizadores na contagem de minutos, horas, dias etc., apresentando uma organização modular. Existem dois tipos de contadores: ascendente e descendente (ROQUE, 2014).
Da mesma forma que os temporizadores, os contadores também possuem 2 entradas e 2 saídas. As entradas são: EN (enable – habilitador) e o PRE (preset – valor objetivo de contagem). As saídas são: Q (estado lógico do contador), e ACC (contagem total).

2.6.1 Contador Ascendente

No caso do Contador Ascendente CUP, cada vez que o habilitador EN é ativo, isto é, como uma borda de subida (veja a Figura 28), a contagem na saída ACC aumenta em uma unidade. Quando a contagem atinge o valor pré-definido (PRE) pelo usuário, a saída digital Q é ativada (ROQUE, 2014).

2.6.2 Contador Descendente

No contador descendente CDOWN, cada vez que o habilitador EN é ativo, isto é, como uma borda de subida (veja a Figura 29), a contagem na saída ACC diminui em uma unidade. Quando a contagem atinge o valor pré-definido pelo usuário, a saída digital Q é desativada (ROQUE, 2014).

Na sequência, apresentaremos alguns exercícios para entender como usar os contadores apresentados usando o diagrama Ladder. Vamos lá!

Exercício 13: Ao apertar a botoeira START, a memória M0 é selada. A partir desse momento, é possível pressionar 10 vezes uma botoeira B0 para ligar o MOTOR.

Solução: Vamos iniciar o processo selando a botoeira START através da memória M0. Note que o contador ascendente C1 encontra-se esperando o usuário apertar a botoeira B0. Ao apertá-la, a contagem de C1.ACC vai aumentando até chegar ao valor PRE que foi definido em 10. Quando chegar ao valor desejado, o contato C1.Q é ativado, e o MOTOR é ligado (veja a Figura 30). Verifique você mesmo que todas as condições do exercício sejam satisfeitas.

linkhttps://www.plcfiddle.com:/fiddles/1433d728-a06f-4db3-8e0f-c092d5a09423

Exercício 14: Realizar a contagem ascendente de 5 segundos usando temporizador de 1 segundo e contador até 5, habilitado pelo temporizador, o qual é resetado a cada segundo. Quando a contagem chegar a 5 segundos, o MOTOR será ligado.

Solução: Vamos iniciar o processo selando a botoeira START através da memória M0. Note que, ao ativar M0, ativa-se também o temporizador TON chamado de T1. Ao finalizar o tempo PRE (de 1 segundo), o contato T1.Q ficará ativo, habilitando o contador ascendente CUP chamado de C1. Esta habilitação aumentará a contagem em uma unidade. Observe também que ao mesmo tempo o temporizador T1 é resetado, e o processo se repete. Quando o valor de C1.ACC atingir o valor de 5 (na verdade, 5 segundos), o MOTOR será ligado (veja a Figura 31). Verifique você mesmo que todas as condições do exercício sejam satisfeitas.

linkhttps://www.plcfiddle.com:/fiddles/24628452-1f67-4262-a5f6-08e971eaf898

Exercício 15: Realizar a contagem de 3 minutos utilizando um temporizador de 1 segundo, contadores de segundos e de minutos. Ao finalizar a contagem, o MOTOR deverá ser ligado.

Solução: Vamos iniciar o processo selando a botoeira START através da memória M0. Note que, ao ativar M0, ativa-se também o temporizador TON chamado de T1. Ao finalizar o tempo PRE (de 1 segundo), o contato T1.Q ficará ativo, habilitando o contador ascendente CUP chamado de C1. Esta habilitação aumentará a contagem em uma unidade, cujo PRE foi definido em 60, ou seja, quando C1.Q for ativado, terá passado 1 minuto. A ativação de C1.Q habilitará o contador ascendente C2, e o contador C1 será resetado. O PRE do contador C2 é de 3, então o diagrama Ladder da Figura 32 é capaz de contar 3 minutos. Verifique você mesmo que todas as condições do exercício sejam satisfeitas.

linkhttps://www.plcfiddle.com:/fiddles/9a8510e7-775a-4621-a4b7-fe2ae2296e68

CONSIDERAÇÕES FINAIS

O principal objetivo da Unidade 2 foi estudar os conceitos relacionados ao controlador lógico programável, visando fornecer suficientes ferramentas ao aluno para automatizar linhas industriais simples. Esta unidade serviu como uma base, para que você implemente sequências lógicas de programação no controlador Siemens logo disponível no laboratório. Ao longo da unidade, explicamos o princípio de funcionamento do controlador lógico programável, desde suas entradas, seus recursos internos e saídas. Entendem-se como entrada dispositivos tais como botoeiras e chaves. No caso dos recursos internos, abordaram-se os conceitos de Contato Normalmente Aberto (NA), Fechado (NF), selos, temporizadores TON e TOFF e contadores CUP e CDOWN. Compreendeu-se, ainda, que as saídas são comumente bobinas, lâmpadas, motores ou bombas hidráulicas. Através do simulador on-line plcfiddle realizamos diversos exercícios para validar o nosso aprendizado. Os conceitos estudados e aplicados nesta unidade serão de grande utilidade na Unidade 3, na qual vamos desenvolver pequenos projetos de linha de produção e explicaremos os passos necessários para fazer as conexões e gravação do programa no CLP através dos laboratórios virtuais Algetec, visando potencializar o aprendizado do aluno para atuar na indústria de automação da atualidade.

EXERCÍCIOS DE APRENDIZAGEM

Verificar Resultados Finais

OBJETIVOS ESPECÍFICOS DE APRENDIZAGEM

• Projetar e simular projetos de automação industrial de baixa complexidade que envolvam contatos, temporizadores e contadores.
• Compreender o funcionamento do motor trifásico, seu acionamento e controle de velocidade usando o inversor de frequência.
• Simular o acionamento e controle de velocidade do motor trifásico utilizando o CLP em bancada virtual.

INTRODUÇÃO

Na segunda unidade, abordaremos os principais recursos do controlador lógico programável, isto é, o contato normalmente aberto e normalmente fechado, selos, temporizador ON e OFF, contador ascendente CUP e descendente CDOWN, além de apresentarmos diversos exercícios e termos implementado o código Ladder de cada um deles usando o simulador on-line www.plcfiddle.com/ Nesta terceira unidade, desenvolveremos projetos de automação industrial de baixa complexidade, visando aplicar todos os conceitos que foram aprendidos na segunda unidade.
A Unidade 3 será dividida em três seções: a primeira seção tratará de três projetos: controle do sentido de giro de uma esteira, automação de uma linha de produção de enchimento de caixas, e o intertravamento do motor elétrico. Na segunda seção, serão apresentados os conceitos introdutórios ao motor de indução trifásico, formas de conexão e controle de velocidade usando o inversor de frequência. Finalmente, a terceira seção será dedicada ao uso do simulador virtual da Algetec, no qual o aluno poderá simular uma bancada contendo o CLP, inversor de frequência, botoeiras, chaves seletoras, lâmpadas, motor trifásico etc.
Finalmente, você desenvolverá três exercícios que visam avaliar o aprendizado do aluno e o cumprimento dos objetivos da unidade.
Bom estudo!

3.1 PROJETOS BÁSICOS

Esta seção será dedicada ao desenvolvimento de alguns projetos básicos de automação industrial, tais como o controle do sentido de giro de uma esteira dentro de uma linha de produção, a automação do processo de enchimento de caixas, e o processo de intertravamento do motor trifásico. Sinta-se à vontade para simular você mesmo os projetos apresentados aqui.

3.1.1 Controle de uma Esteira

A linha de automação apresentada na Figura 33 é explicada a seguir. Ao apertar a botoeira de START, o motor deve ser acionado para se movimentar no sentido horário através do contato KM1. Nesse momento, a caixa será transportada pela faixa. Quando a caixa bater no sensor de proximidade S1, o sistema deverá esperar 5 segundos (enquanto a caixa continua em movimento) e, na sequência, deve acionar o sentido de giro anti horário do motor através do contato KM2. Finalmente, a botoeira de STOP deve ser capaz de interromper o movimento.

SUGESTÃO DE LEITURA

Prezado aluno! Gostaria de mencionar que as soluções foram apresentadas a partir do ponto de vista do autor, e que você pode propor uma solução com estru tura diferente ou melhorar a robustez da solução que apresentamos aqui.

Solução: Vamos iniciar o processo selando a botoeira START através da memória M0. Note que, ao ativar M0, ativa-se também KM1, que representa o sentido horário do giro do motor. No entanto, da mesma forma que o START foi selado, será necessário selar S1, pois a caixa apenas vai passar por ele, e o sensor será solto imediatamente. Por isso, temos selado S1 através da memória M1. Na sequência, note que a ativação de M1 habilitará o temporizador T1 e começam os 5 segundos de espera (enquanto a caixa estará ainda em movimento horário). Por esse motivo, temos colocado em uma linha paralela, que a ativação de T1.Q deve ativar o sentido anti-horário do motor, isto é, KM2 (ver Figura 34).

https://www.plcfiddle.com:/fiddles/c4e49a6d-1ef5-4356-8fc2-560765da73e2

3.1.2 Automação do Enchimento de Caixas

A linha de automação apresentada nas Figuras 35, 36 e 37 corresponde ao processo de enchimento de caixas com um determinado material, por exemplo, farinha de mandioca. Cada figura representa uma parte do processo. Na primeira parte (Figura 35), a botoeira de START é pressionada, e ativa-se o MOTOR, o qual possui apenas o sentido horário. Ao ser ativado, a caixa será transportada ao longo da esteira neste sentido. Além disso, para facilitar o controle externo do processo, deve existir um painel que mostre que, a partir deste momento, a linha de produção encontra-se em estado RUN (ver Figura 35).

Na segunda parte (Figura 36), a caixa chega perto do sensor de proximidade PROX e liga o sensor. Neste momento, os seguintes processos devem ocorrer de forma sequencial (quase simultânea): o MOTOR deve ser desligado (a caixa ficará quieta), e a válvula do tanque VALVE deve ser aberta, para que o conteúdo (farinha de mandioca) comece a encher a caixa. O painel, durante o processo de enchimento da caixa, deve ficar em estado FILL (ver Figura 36).

3.4 SANEAMENTO AMBIENTAL E SAÚDE PÚBLICA

Finalmente, a terceira parte (Figura 37) ocorre quando a caixa se encontra cheia. Neste momento, o sensor de nível LEVEL é ativado, e os seguintes processos ocorrem: a válvula do tanque VALVE deve ser fechada para evitar o vazamento da farinha de mandioca, e o MOTOR deve ser ligado novamente. Nesse momento, o painel deve ficar em estado de FULL (ver Figura 37). Lembre-se novamente que a botoeira de STOP será capaz de interromper o processo de linha de produção.

Figura 8:Projeto de Automação Industrial 02 (parte 3). - Fonte: Elaborada pelo autor (2023).

Solução: Iniciaremos o processo selando a botoeira START no estado de RUN, a qual vai atuar como memória. Note que, ao ativar o estado RUN, ativa-se também o MOTOR, que movimentará a caixa no sentido horário através da esteira até ativar o sensor de proximidade PROX. Não será necessário selar este sensor, pois depois da caixa passar pelo processo de enchimento, o sensor será desativado. Ao ativar PROX, ativa-se a válvula VALVE, e começará o processo de enchimento. Observe que, ao mesmo tempo, ativa-se a bobina do estado de enchimento FILL. Não temos uma previsão de tempo do processo de enchimento da caixa, o único aviso de que a caixa se encontra cheia é o sensor de nível LEVEL. No diagrama Ladder, quando se ativa o sensor LEVEL, ativa-se o estado de FULL e também provoca a inativação da válvula VALVE. Note, também, que, ao mesmo tempo, ativa novamente o MOTOR para continuar o transporte da caixa pela faixa (ver Figura 38).

Figura 38: Diagrama Ladder do Projeto de Automação Industrial 02. Fonte: Elaborada pelo autor (2023)..

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3.1.3 Intertravamento do Motor Trifásico

Dentre as aplicações mais clássicas em automação industrial, encontra-se o controle do sentido de giro do motor trifásico. Considere a Figura 39, a qual mostra o diagrama elétrico que controla o motor trifásico M, onde as três fases de tensão são dadas por L₁, L₂ e L₃. Note que, para cada fase, existe um fusível, sendo denotados como F₁, F₂ e F₃, que protegem o motor trifásico dos picos de corrente vindos do sistema elétrico (Camargo, 2014; Roggia; Cardoso, 2016).

Na sequência, temos os contatos M₁ e M₂, os quais controlam o sentido de giro do motor: M₁ para o sentido horário (direita) e M₂ para o sentido anti-horário (esquerda). O triângulo e a linha pontilhada entre os contatos indicam que apenas um deles pode ser ativado.

Antes de atingir o motor, existe um relé térmico para cada fase, que, em caso de sobreaquecimento, desligará a conexão elétrica do motor (Roggia; Cardoso, 2016; Prudente, 2020).

Note que os contatos M1 e M2 não podem ser ativados ao mesmo tempo, pois representam condições opostas de funcionamento que podem provocar um mau funcionamento do motor. Por isso, é necessário um circuito de intertravamento que impeça a ativação simultânea de M1 e M2, apresentado na Figura 40, através do seu diagrama elétrico para cada fase. Observe que M1 e M2 podem ser seladas e que, ao ativar M1, impede-se a ativação de M2 e vice-versa. Além disso, se o relê térmico FT1 for ativado, o fornecimento de corrente elétrica é interrompido.

SUGESTÃO DE LEITURA

Prezado aluno! Aproveite para implementar a solução proposta no software on-line https://www.plcfiddle.com/. Adicione novos elementos, como temporizadores para retardar a ligação do motor, ou algum outro componente que você considerar e que possa aumentar a segurança na utilização do motor.

3.2 MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO

Temos explicado de forma simples como funciona o sentido de giro do motor de indução trifásico. Esta seção visa trazer mais detalhes, de tal forma que você se sinta familiarizado com estes equipamentos e possa compreender os laboratórios virtuais apresentados na unidade.
Esta máquina é chamada de motor de indução trifásico, devido ao fato de que as correntes alternadas são induzidas no circuito do rotor por meio de um campo magnético rotativo vindo do estator. É amplamente utilizada na indústria, devido à sua simples construção, sua robustez e seu custo acessível (CAPELLI, 2013).
Quando uma corrente elétrica trifásica é aplicada nos enrolamentos do estator, gera-se um campo magnético giratório que, devido à atração de polos, induz ao movimento do rotor. A Figura 41 ilustra a ligação interna do estator trifásico, na qual as bobinas, neste exemplo, estão ligadas na forma de triângulo. Os três campos agirão sobre o rotor e provocarão o movimento (CAPELLI, 2013).

3.2.1 Conexão Estrela e Triângulo

Os motores trifásicos podem trabalhar nas frequências de 50 Hz e 60 Hz, nas tensões padronizadas de 220V, 380V, 440V e 760V. As bobinas do estator do motor trifásico devem ser distribuídas para formar três circuitos simétricos, chamados de fases de enrolamento (CAPELLI, 2013).
As fases de enrolamento podem ser ligadas na forma estrela (Y) ou na forma de triângulo (Δ), acoplando-se à rede trifásica. É importante explicar que os motores que possuem apenas 3 terminais podem ser alimentados com apenas um valor de tensão, enquanto nos de 6 terminais, é possível alimentar o motor com tensões de 220V e 380V, através dos fechamentos de tipo estrela ou triângulo, de acordo com a tabela mostrada na Figura 42 (CAPELLI, 2013).

Na ligação estrela (ver Figura 43), as extremidades de cada uma das fases ou enrolamentos são ligadas entre si. Esta ligação pode ser feita com três fios, ou com quatro fios, considerando o fio neutro. Por outro lado, na ligação triângulo, o início do enrolamento é ligado ao final de outro, formando um triângulo (CAPELLI, 2013).

3.2.2 Inversor de Frequência

Agora que você já entendeu um pouco mais sobre o motor de indução trifásico, vamos analisar o acionamento dele. O acionamento do motor pode ser comandado também desde um equipamento chamado de inversor de frequência, o qual controla a velocidade (ou torque) do motor. Dentre as principais vantagens do uso de inversores no acionamento de motores trifásicos, é possível citar: 1) a otimização do processo; 2) suavização de operação das máquinas; e 3) menor custo de manutenção e economia de energia (CAPELLI, 2013).
Na Figura 44, observam-se os sistemas de malha aberta (sem controle) e de malha fechada (com controle, realimentado) do uso do inversor de frequência para controlar a velocidade do motor trifásico. O elemento de atuação neste sistema é um encoder, o qual aplica as correções de forma automática (CAPELLI, 2013).

Figura 44: Atuação do inversor de frequência na velocidade de um motor trifásico. Acima: sistema de malha aberta; e abaixo: sistema de malha fechada. - Fonte: Adaptada pelo autor (2024), a partir de Capelli (2013).

Neste ponto, é importante mencionar que a velocidade de rotação de um motor depende da frequência da rede de alimentação alternada, a qual é dada pela equação a seguir (CAPELLI, 2013):

Onde: N é a velocidade mensurada em número de rotações por minuto (RPM); f é a frequência da rede em Hz; e P é o número de polos do sistema (CAPELLI, 2013).
Você deve estar se questionando, mas como a frequência é controlada pelo inversor de frequência? Na Figura 45, apresenta-se o circuito interno do inversor composto de diodos, capacitores, transistores e do circuito de controle. A primeira etapa é composta por uma fonte retificadora trifásica de onda completa e de dois capacitores de filtro, os quais formam um conversor AC/DC trifásico. De fato, note que se formou uma fonte de tensão DC simétrica, na qual há um ponto de terra como referência. A saída deste conversor é chamada de barramento de tensão DC e serve para alimentar a segunda etapa (CAPELLI, 2013).
A segunda etapa (ver Figura 45) é composta de 6 transistores IGBT que, através de uma lógica de controle, são ligados ou desligados, provocando alteração no sentido da corrente que circula pelo motor, portanto, do sentido de giro dele. A comutação dos transistores produz as tensões AC que alimentam o motor trifásico, as quais foram obtidas a partir das tensões DC do barramento da etapa anterior. Note que a velocidade de comutação dos transistores é comandada pela lógica de controle, a qual produzirá uma determinada frequência nos sinais AC que alimentam o motor, variando sua velocidade de rotação (CAPELLI, 2013).

Figura 45: Circuito principal de um inversor composto de retificador de onda completa trifásico AC/DC, e do conversor DC/AC comandado por uma lógica de controle. Fonte:Adaptada pelo autor (2024), a partir de Capelli (2013).

3.3 LABORATÓRIOS VIRTUAIS DA ALGETEC

Prezado aluno! Solicite seu login e senha na plataforma Blackboard, a qual contém as práticas de laboratório. Os laboratórios possuem resenhas bibliográficas que servem como uma revisão teórica dos conceitos estudados que serão aplicados. Existe também um roteiro de experimentos que serão desenvolvidos e um pré-teste simples de resolver.
Acesse em “Disciplinas” e clique em Práticas Específicas de Engenharia Elétrica. Selecionei aqui três laboratórios virtuais que você vai adorar resolver, e são os seguintes: controlador lógico programável e acionamento de motores elétricos. O aluno poderá visualizar a bancada virtual como mostra a Figura 46 e realizar as conexões solicitadas no roteiro de experimentos.

Figura 45: Interface virtual do laboratório ALGETEC que possui experimentos relacionados ao acionamento do controlador lógico programável, ao controle do motor trifásico e ao inversor de frequência, usando os diagramas Ladder contidos no notebook da bancada. Fonte:Algetec (2023).

3.3.1 Controlador Lógico Programável

Neste primeiro laboratório, você poderá ter acesso ao Controlador Lógico Programável (CLP) que possui a tela verde ligada na Figura 47, realizar as conexões necessárias para ligar as botoeiras, chaves seletoras e lâmpadas, sempre de acordo com o diagrama Ladder disponível em cada notebook, o qual você poderá gravar diretamente no CLP através do cabo de comunicação.

3.3.2 Acionamento de Motores Elétricos

Neste segundo laboratório, você poderá montar o diagrama de força do motor trifásico e entender o circuito lógico de intertravamento, o qual permite controlar os sentidos de giro com segurança, como foi explicado na seção 3.1.3 e nas Figuras 39 e 40. As bancadas virtuais possuem os terminais que devem ser conectados, os fusíveis de proteção, os contatores, relês térmicos, temporizadores e aterramentos (ver Figura 48).

Figura 13: Interface virtual do laboratório ALGETEC que possui experimentos relacionados ao acionamento do motor trifásico e seu diagrama elétrico. - Fonte: Algetec (2023).

CONSIDERAÇÕES FINAIS

A Unidade 3 tinha como objetivo aplicar os conceitos aprendidos na segunda unidade sobre o Controlador Lógico Programável e seus recursos, visando automatizar linhas de produção industrial de baixa complexidade. Ao longo desta unidade, abordamos três projetos: a) controle de giro do motor para acionar uma esteira em uma linha de produção; b) sequência automática para o enchimento de caixas usando painel de controle; e c) intertravamento do motor trifásico. Todos os projetos contêm o diagrama Ladder e o link da simulação, no qual o aluno poderá testar o funcionamento da solução proposta e, além disso, propor melhorias no projeto Na sequência, estudamos com um pouco mais de profundidade sobre o motor trifásico, suas formas de conexão e seu acionamento usando o inversor de frequência. Finalmente, foram propostos alguns laboratórios virtuais da Algetec, a fim de que o aluno possa realizar as conexões do CLP nas bancadas virtuais e usar os experimentos propostos de automação.

EXERCÍCIOS DE APRENDIZAGEM

Verificar Resultados Finais

OBJETIVOS ESPECÍFICOS DE APRENDIZAGEM

• Compreender a importância da interface homem-máquina em aplicações de automação industrial.
• Entender os componentes principais de um robô, classificação e tipos.
• Estudar o funcionamento de uma rede industrial em aplicações relacionadas à automação industrial.
• Entender o processo de comunicação entre CLP e computador.
• Montar o setup experimental do CLP e seus dispositivos de entrada e saída.

INTRODUÇÃO

Bem-vindos à última unidade da disciplina de Automação Industrial. Nas primeiras unidades, trabalhamos bastante os recursos internos do CLP e a lógica Ladder, visando produzir sistemas automáticos para uma linha de produção de baixa complexidade. Também desenvolvemos projetos que possuem interface homem-máquina e entendemos os laboratórios virtuais da Algetec.
A quarta unidade apresenta os sistemas supervisórios, que se encontram a partir do nível 3 da pirâmide de automação, as interfaces homem-máquina (IHM), os robôs e seus principais tipos (cartesiano, cilíndrico e polar), seus componentes e a configuração de uma rede industrial usando o computador e CLP.
Na sequência, apresentar-se-á o CLP Siemens Logo e as bancadas físicas que temos na instituição, onde o aluno poderá testar fisicamente os projetos que temos desenvolvido. Este laboratório contém o CLP, inversor de frequência, motor trifásico, sensores indutivos, capacitivos, botoeiras, relês, lâmpadas etc. Explicarei aqui como fazer a conexão Ethernet e a configuração da rede entre o computador e o CLP. Finalmente, você desenvolverá três exercícios que visam avaliar o aprendizado do aluno e o cumprimento dos objetivos da unidade. Bom estudo!

4.1 SISTEMAS SUPERVISÓRIOS

De acordo com Moraes e Castrucci (2007), um sistema supervisório é um sistema dedicado à monitoração e operação da planta, gerenciando as variáveis do processo. Capelli (2013) enfatiza a importância dos sistemas supervisórios na competitividade da indústria, em que a redução do tempo de máquinas paradas e o aumento da qualidade e segurança aumentam a produtividade.
Na década de 1980, existia pouca tecnologia, sendo os computadores de grandes dimensões, e as memórias RAM eram de poucos quilobytes (KB). A partir da década de 1990, criou-se a plataforma SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition) que significa sistema de controle e aquisição de dados (CAPELLI, 2013).
A monitoração das diferentes variáveis de um processo industrial, tais como pressão, temperatura, vazão, pH etc., permite que os processos sejam executados em níveis ideais (dentro de uma faixa de valores permissível). O sistema SCADA possui alarmes em caso de os níveis ideais serem ultrapassados. É importante que o sistema possua uma interface homem-máquina (IHM), para que o operador possa intervir rapidamente no sistema, resolvendo possíveis conflitos. Além disso, o SCADA gera relatórios de alarmes e do controle das variáveis do processo. Como consequência, diminui as paradas na linha de produção, portanto aumenta muito a produtividade (CAPELLI, 2013).
Neste ponto, é importante lembrar da Figura 2 da primeira unidade, na qual foi apresentada a pirâmide de automação industrial que possui 5 níveis, sendo que a partir do nível 3 começa a supervisão e o controle dos recursos, portanto a otimização do processo. Neste nível, existe interação do operador com o processo industrial através da interface homem-máquina (IHM) (CAPELLI, 2013).

De acordo com Dutra (2018), a interface desempenha um papel crucial para facilitar a interação entre o homem (usuário) e a máquina e, em geral, na interação do usuário com as tecnologias disponíveis em nosso cotidiano. O desenvolvimento dessas interfaces foi impulsionado principalmente pelo desejo de tornar a interação mais intuitiva e eficiente, evoluindo desde linhas de comando, telas táteis e, atualmente, a realidade virtual. Nesse sentido, a interface funciona tanto como meio de entrada de dados, quanto como um canal para mostrar as respostas do sistema para o usuário. Por isso, a interface homem-máquina deve incluir os seguintes elementos:

• Dispositivos de entrada e saída de dados.
• Informação apresentada ou enviada pelo usuário.
• Retorno apresentado ao usuário.

Alguns exemplos de interfaces gráficas podem ser mencionados, tais como os terminais de atendimento bancário, os quais permitem que o usuário possa fazer saques, transferências, pagamento de contas usando leitor de código de barras. No caso do atendimento bancário, a interação com o usuário ocorre na tela LCD, nas teclas e nas opções mostradas na tela (DUTRA, 2018).
De forma similar ao computador, a interface pode ser dividida em: a) interface física (hardware): através do contato físico com cabos, fios, contatos de entrada e de saída; e b) interface lógica (software): através de aspectos funcionais e estruturais da sequência de passos a serem executadas (DUTRA, 2018).
No caso da automação industrial usando CLPs, a IHM pode ser conectada ao sistema industrial e substituir as botoeiras de comando, as chaves seletoras, sinais luminosos, motor em movimento rotacional e outros dispositivos, mediante o seu formato gráfico intuitivo (DUTRA, 2018).
A Figura 49 mostra uma IHM de um sistema de enchimento de tanques que utiliza bombas hidráulicas, válvulas e sensores de nível. Este laboratório virtual do Algetec encontra-se como Controle de processos industriais - Sintonia de PID. Teste você mesmo e veja que é possível interagir com a planta, definir o nível de água no tanque, e acompanhe o processo de controle.

4.3 ROBÔS

Um robô industrial pode ser considerado como um manipulador que possui vários eixos de movimento, o qual é programável e controlado automaticamente. No ambiente industrial, os robôs podem ser usados para realizar as seguintes tarefas:

Manuseio de materiais: como, por exemplo, carregar e descarregar materiais, empilhar e guardar materiais.

Processamento de materiais: soldagem, corte de materiais, aplicação de cola, rebitagem, polimento etc.

Montagem: manuseio de partes junto com manipulação de ferramentas.

Inspeção: manuseio de peças e de instrumentos de inspeção (FILHO, 2014).

4.3.1 Classificação

Os robôs industriais podem ser classificados em três categorias:

1ra categoria: em geral, não são programáveis, portanto, atuam sob comando direto do operador industrial.

2da categoria: estas máquinas são programáveis e são capazes de executar tarefas repetitivas ou sequências de operação. De fato, este é o tipo de robô mais utilizado na indústria.

3ra categoria: estes robôs possuem certa capacidade de decisão. Um robô de exploração espacial, diante de um obstáculo, deve decidir qual é o melhor caminho, isto é, decidir girar à esquerda ou à direita (CAPELLI, 2013).

4.3.2 Tipos

Os robôs industriais vêm em diversas formas e tamanhos, sendo que cada um é projetado para realizar tarefas específicas na indústria. Apresento aqui alguns dos tipos mais comuns:

Robô Cartesiano: este tipo de robô se move ao longo de linhas retas, usando eixos perpendiculares (X, Y, Z). Ideal para realizar tarefas que exigem movimentos lineares precisos. A Figura 50 ilustra um robô cartesiano.

Robô Cilíndrico: este robô se move ao longo de um determinado raio, ângulo e altura. Ótimo para tarefas que envolvem movimentos circulares ou em forma de cilindro, como, por exemplo, operações de perfuração ou corte em torno de uma superfície. A Figura 51 ilustra um robô cilíndrico.

Robô Polar: este robô industrial utiliza um sistema de coordenadas polares (raio e ângulos) para especificar e controlar seus movimentos e pode ser vista na Figura 52.

Outros exemplos são: robôs de soldagem, de pintura e de manipulação de materiais (CAPELLI, 2013). Esses são apenas alguns exemplos, e a diversidade continua a crescer, à medida que a tecnologia avança. Cada robô industrial é adaptado para atender a requisitos específicos da indústria.

4.3.3 Componentes

Antes de comentarmos sobre os componentes de um robô, é interessante mencionar que o robô pode ser fixado de duas formas: de modo estático ou móvel. No modo estático, o robô trabalha em uma posição fixa desde uma base; já no modo móvel, o robô pode se movimentar sobre uma guia, geralmente linear, semicircular ou circular, sendo neste caso uma base móvel (FILHO, 2014).

Um robô possui cinco (5) componentes básicos listados a seguir (FILHO, 2014):

Estrutura: a estrutura de um robô é exatamente a de um manipulador, dada pela base, as ligações ou elos e as juntas.

Atuadores: são elementos que promovem os movimentos das juntas. Estes elementos podem ser elétricos, pneumáticos ou hidráulicos. No caso de robôs industriais, os servomotores são os atuadores mais comuns. Os servomotores são silenciosos, robustos e apresentam uma boa resposta dinâmica. No caso do robô móvel, o uso de baterias é indispensável. Por outro lado, os acionadores hidráulicos são utilizados para tarefas pesadas, e os acionadores pneumáticos nas tarefas leves. Em qualquer situação, o atuador precisa de uma fonte de energia. No caso dos atuadores elétricos, é necessário um painel elétrico de alimentação; no caso dos pneumáticos, deve-se dispor de ar comprimido; e, no caso dos hidráulicos, de alguma unidade de força.

Sensores: são elementos que enviam sinais do ambiente ao controlador, portanto auxiliam no movimento do robô, sendo também importantes para proteger o robô. Dentre os principais tipos de sensores, destacam-se três categorias: sensor de tato, de proximidade, de visão e de voz.

Efetuadores: os efetuadores desempenham tarefas, nas quais podem ser usadas garras e outras ferramentas, como solda a arco, pistolas de pintura, brocas para perfuração, ferramentas de polimento etc.

Controlador: A função do controlador é dirigir e supervisionar os movimentos dos atuadores, coordenar todas as operações, captar e processar os sinais dos sensores, tomar decisões lógicas, armazenar dados, interagir com outros dispositivos e manter uma interface com o usuário.

4.4 REDES INDUSTRIAIS

Como foi explicado anteriormente, a automação industrial utiliza os CLPs para implementar sistemas industriais. Nesse sistema, é essencial estabelecer uma troca de informações entre os seus dispositivos (sensores e atuadores), controladores e os computadores (FILHO, 2014). A Figura 53 exemplifica um exemplo de comunicação entre os componentes de um sistema de automação.

De acordo com Filho (2014), o CLP realiza a troca direta de informações com um computador através do protocolo de comunicação serial RS232. Além disso, o CLP recebe informações de sensores e emite comandos para os atuadores. O computador monitora todas as atividades, pois os dispositivos estão conectados em uma rede.
O protocolo de comunicação serial RS485 é bastante utilizado em automação industrial, o qual permite a conexão de vários dispositivos em um único CLP, que é conhecido como mestre (CLP) e escravo (dispositivos).
Em aplicações de automação industrial, é essencial a troca de dados entre as unidades computadorizadas. Este propósito pode ser atingido mediante uma rede de comunicações. Estas redes precisam de hardware e software dedicado para realizar a comunicação entre seus elementos.
Por exemplo, existem as redes LAN (local area network), as quais podem ter até centenas de unidades em um raio de centenas de metros. Redes maiores são as chamadas WAN (wide area network), as quais são capazes de comunicar redes LAN a longas distâncias (FILHO, 2014).
A Figura 54 mostra as principais topologias de redes: barramento, anel e estrela. Em uma rede de barramento, todos os dispositivos são ligados diretamente a um barramento de dados por onde circulam os pacotes. Esta topologia é a mais dominante. Na topologia anel, a informação circula por todos os dispositivos da rede em sentido unidirecional, onde existe um dispositivo chamado hub que gera o fluxo de dados. Finalmente, na topologia estrela cada dispositivo está ligado a um hub por um cabo trançado (FILHO, 2014).

4.5 CLP SIEMENS LOGO

A série Logo da marca Siemens é um módulo lógico para pequenos projetos de automação. Possui grande facilidade de operação e alta funcionalidade. Estes modelos apresentam funções prontas para uso, como configuração do atraso para ligar ou para desligar, temporizador semanal, gerador de pulsos, cronômetro etc. Você poderá programar suas próprias funções, criar bibliotecas e registrar dados.

4.5.1 Estrutura do CLP Siemens Logo

A Figura 55 mostra um exemplo da estrutura e conexão física mais básica do CLP Siemens Logo, considerando as botoeiras S1 e S2, bobinas K1 e K2, e lâmpada H1. A linha de tensão L1 e neutro N são utilizados para alimentar o dispositivo. De forma geral, o CLP Logo da Siemens possui os seguintes elementos:

Entradas digitais I1 até I24;

Entradas analógicas AI1 até AI8;

Saídas digitais Q1 até Q16;

Saídas analógicas AQ1 e AQ2;

Marcador digital M1 a M24;

Marcador analógico AM1 até AM6;

Bits do registrador de deslocamento S1 até S8;

4 entradas de tecla;

16 saídas não ligadas X1 até X16.

É importante mencionar que os dados apresentados consideram os módulos de expansão do CLP, os quais permitem obter esta quantidade de entradas/saídas digitais/ analógicas (SIEMENS, 2023).

4.5.2 Laboratório Físico

Na nossa instituição de ensino, você poderá ter acesso a um laboratório físico para simular projetos de automação industrial de baixa complexidade, usando o CLP Siemens Logo. Cada bancada é composta dos seguintes dispositivos:

CLP Siemens Logo.

Interface homem-máquina (IHM) Logo TDE.

Motor de indução trifásico.

Relés de interface.

Inversor de frequência.

Minibancadas para partida de motores.

Diversos sensores para testes e simulações, sensores indutivos, capacitivos,

chaves fim de curso, sensores fotoelétricos, entre outros.

A Figura 56 mostra uma bancada do nosso laboratório físico, contendo os equipamentos e dispositivos listados acima.

4.5.3 Configuração Ethernet e Montagem

Como primeiro passo, você deverá ter instalado o software Logo!Soft Comfort, versão V7, a qual realiza a comunicação com a CPU 0BA7. Apenas esta CPU faz uma comunicação Ethernet, isto é, usando o cabo de rede. Como segundo passo, é necessário definir o endereço de IP e a sub máscara no CLP Logo através do menu interativo, clicando em Program/Network/IP address. A tela deverá mostrar algum IP do tipo 169.254.045.002. A sub máscara também é necessária e deve conter o número 255.255.255.000. Note que cada número de 3 dígitos contém, na verdade, 1 byte de representação em decimal. Parabéns! Configuramos o CLP para comunicação, no entanto também devemos configurar a rede do computador.
Verifique que, nas propriedades de rede no computador, você possa deixar o IP estático, semelhante ao IP no CLP Logo, por exemplo 169.254.045.001. Você também deverá configurar a sub máscara de rede do computador

SUGESTÃO DE LEITURA

A comunicação entre computador e CLP apenas vai funcionar, se a sub máscara de rede for a mesma para ambos os dispositivos, neste caso, configurado como 255.255.255.0, pois isso significa que os dois dispositivos se encontram na mesma rede de comunicação.

Como terceiro passo, no programa Logo!Soft Comfort, devemos realizar a transferência do programa, clicando em Tools/Transfer/PC->LOGO!. O usuário deve selecionar a forma de conexão, sendo Ethernet, e indicar o IP do LOGO. A Figura 57 mostra o software Logo!Soft Comfort e um código Ladder que será gravado. Note que o diagrama possui símbolos e estrutura bastante similar ao simulador on-line que temos utilizado ao longo dos exemplos desenvolvidos nas Unidades 2 e 3.

Prezado aluno, sinta-se à vontade para utilizar as nossas instalações físicas para desenvolver roteiros de automação no CLP Logo. Na Figura 58, apresentamos uma amostra das fotos obtidas durante os experimentos no laboratório físico realizado com os alunos de Automação Industrial do semestre 2022/02.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

A Unidade 4 tinha como objetivo explicar alguns conceitos relacionados aos sistemas supervisórios em aplicações industriais, explicar os tipos de manipuladores ou robôs e seus principais componentes e mostrar o funcionamento de uma rede industrial, as principais topologias e seus principais elementos.
Na sequência, apresentou-se o Controlador Lógico Programável (CLP) da série Logo da marca Siemens, o qual se encontra disponível em nosso laboratório físico. Elencamos os recursos deste equipamento e explicamos como realizar a conexão física com as botoeiras de entrada, as bobinas, relês ou qualquer outro tipo de saída digital, e fonte de alimentação. Também mostramos como configurar o protocolo Ethernet para estabelecer a comunicação entre o computador e o CLP. O software LogoSoft Comfort permitirá que você desenvolva o código Ladder, isto é, as instruções para o controlador. Finalmente, você poderá gravar o código no controlador e fazer os testes que demande o projeto de automação.

EXERCÍCIOS DE APRENDIZAGEM