Engenharia de Automação Industrial 2 ed - Moraes, Notas de estudo de Automação

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2ª EDIÇAO^ -

CÍCERO COUTO DE MORAES

PLÍNIO DE LADRO CASTRUCCI

Os autores e a editora empenharam-se para citar adequadamente e dar o devido crédito a todos os detentores dos direitos autorais de qualquer material utilizado neste livro, dispondo-se a possíveis acertos caso, inadvertidamente, a identificação de algum deles tenha sido omitida.

Não é responsabilidade da editora nem dos autores a ocorrência de eventuais perdas ou danos a pessoas ou bens que tenham origem no uso desta publicação.

Direitos exclusivos para a língua portuguesa Copyright © 2007 by Cícero Couto de Moraes e Plínio de Lauro Castrucci LTC- Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda. Uma editora integrante do GEN 1 Grupo Editorial Nacional ,,. Reservados todos os direitos. E proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na internet ou outros), sem permissão expressa da editora.

Travessa do Ouvidor, 11 Rio de Janeiro, RJ - CEP 20040- Tels.: 21-3543-0770 / 11-5080- Fax: 21-3543- ltc@grupogen.com. br www.ltceditora.com. br

Capa: Francine & Namiki Design

CIP-BRASIL. CATALOGAÇAO-NA-FONTE -

SINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ.

M819e 2.ed.

Moraes, Cícero Couto de Engenharia de automação industrial / Cícero Couto de Moraes, Plínio de Lauro Castrucci. - 2.ed. - [Reimpr.]. - Rio de Janeiro: LTC, 2010.

Anexos Inclui bibliografia ISBN 978-85-216-1532-

1. Automação industrial. 2. Controle de processo. 3. Controladores programáveis.
2. Petri, Redes de. I. Castrucci, Plínio de Lauro, 1932-. II. Título.

06-3940. CDD 629. CDU 681.

APRESENTAÇÃO

Esta é a Segunda Edição, revisada e ampliada, do livro Engenharia de Automação Industrial, publicado em 2001. Como a primeira, esta também é resultado de disciplinas ministradas no Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo e das participações em realizações de automação industrial, mediante o Convênio EPUSP Rockwell Automation do Brasil. A obra se destina a estudantes de automação e a profissionais de engenharia de automação interessados no desenvolvimento de sistemas baseados nos controladores lógicos programáveis (CLPs). A Parte I introduz os conceitos de controle dinâmico, de controle lógico e de automação. A Parte II apresenta os princípios de construção dos CLPs e dos sensores discretos pelos quais os CLPs observam os processos físicos; descreve em detalhes as rotinas de programação dos CLPs nas linguagens de programação denominadas lader, bloco de função e grafcet. Trata também das interfaces homem--máquina, dos sistemas supervisórios e dos conceitos básicos das redes de comunicação empregadas em automação. Esta parte contém também recomendações de variada natureza para auxiliar o projetista em sua comunicação com o usuário e na organização de seu trabalho técnico. Em todos os temas há abundante informação visual, bem como exercícios propostos. A Parte III dedica--se a aspectos mais conceituais do projeto de automação. Inicialmente são analisadas ferramentas para o modelamente dos sistemas industriais a serem automatizados, no intuito de abreviar e tomar seguro o trabalho do engenheiro. O modelamente preferido em engenharia de

automação, para sistemas a eventos de amplitude discreta (discrete event systems), tem sido o das

Redes de Petri. Sua análise pode ser feita por métodos gráficos ou algébricos, porém a mais eficiente é por simulação em computador. Em seguida, é dada ênfase ao método do projeto dos controladores (programas computacionais) que realizam a automação. Esse projeto é metodizado com o auxílio das Redes de Petri, partindo das especificações e chegando passo a passo à programação final dos CLPs. Também nesta parte estudam-- se configurações usuais para proteção dos processos industriais e para aumento da confiabilidade por redundância, apresentando--se também uma introdução ao diagnóstico automático pós--falha. A Parte IV discute o importante tema da gestão do processo de automação industrial do ponto de vista da empresa de engenharia. O livro pode ser utilizado de várias maneiras, em cursos de graduação e de especialização. Para cursos de Engenharia Elétrica ou Engenharia Mecânica, ou nos correspondentes cursos de atualização, as quatro partes são pertinentes, mas a ordem e a ênfase com que são apresentadas dependem do curso e das demais disciplinas antecedentes. Para Engenharia de Produção, sugerem--se as Partes III e IV. Cursos de Engenharia de Computação e de Matemática Aplicada podem utilizar a Parte III como texto de apoio ou como estímulo a pesquisas. O sinal [ ] indica referências bibliográficas. Este trabalho recebeu a colaboração preciosa de professores e profissionais ligados à Escola Politécnica e a empresas de automação. Desejamos agradecer especificamente aos engenheiros Marcos

SUMÁRIO

PARTE

f""W INTRODU...--AO

CAPÍTULO

A ENGENHARIA DE

AUTOMAÇÃO

O desenvolvimento dos estudos de engenharia de automação requer o estabelecimento de alguns conceitos pertinentes a modelos matemáticos de sistemas de processos industriais.

1 .1 SISTEMAS DINÂMICOS

Em Automação, nosso interesse focaliza--se em sistemas que são dinâmicos em um sentido especial. A palavra "dinâmico" é entendida em geral como relativa a "forças e energias produzindo movimento" [Ox]. Portanto, o termo refere--se originalmente à mecânica newtoniana: forças aplicadas a massas geram acelerações que definem os movimentos dos corpos no espaço; tais fenômenos são regidos por equações diferenciais, em que o tempo é a variável independente. Por analogia, estende--se o termo "dinâmico" a todos os fenômenos térmicos, químicos, fisiológicos, ecológicos etc. que também sejam

regidos por equações daquele tipo. São sistemas intrinsecamente dinâmicos, como que "acionados pelo

tempo" ( "time.-driven").

No entanto, um segundo significado tomou--se essencial nas últimas décadas, devido a inúmeros e importantíssimos outros tipos de sistemas, tais como os de chaveamento manual ou automático, as manufaturas, as filas de serviços, os computadores etc. Sua estrutura impõe principalmente regras lógicas, de causa e efeito, para eventos; seus sinais são números naturais representando estados lógicos

(on.-off, sim--não) ou quantidades de recursos ou de entidades. Tais sistemas não são descritos por

equações diferenciais ou de diferenças. São sistemas dinâmicos em um sentido especial, dinâmicos

latu sensu, "acionados por eventos" ( "event--driven").

Em resumo, têm--se duas grandes classes de sistemas:

Classes de Sistemas Dinâmicos

Acionados por

Tempo ("time--driven")

Eventos ("event--driven")

Descritos por

Equações diferenciais na variável tempo Equações de diferenças na variável tempo ,. A lgebra de Boole, álgebra dióide, autômatos finitos, redes de Petri, programas computacionais

Uma classificação geral dos sistemas pode ser a da Figura 1.1.

Nomes

Contínuos no tempo Discretos no tempo A eventos discretos

4 CAPÍTULO UM

Sistemas il Estáti,cos (^) Dinâmicos

Sistemas (^) Híbridos: Sistemas "acionados (^) tempo- "acionados pelo tempo" (^) ,eventos por eventos"

1 1 Contínuos (^) contínuos-Híbridos:^ !Discretos no no tempo (^) discretos tempo 1 1 1 1 Lineares Híbridos^ Não-lineares 1 1

Determinísticos Híbridos^ Estocásticos

FIGURA 1.1 Classificação geral dos sistemas.

1.1.1 Sistemas dinâmicos convencionais

Um critério importante para classificar esses sistemas decorre da observação dos seus sinais. Um sinal

x(t) pode ser de amplitude contínua (x E R, x percorre os números reais) ou de amplitude discreta (x E

E, x percorre um subconjunto enumerável de R, por exemplo, o conjunto Idos números inteiros).

Analogamente, a variável independente t pode ser contínua (t E R) ou discreta (t E E ou I). Note que

nesse contexto a palavra "contínua" nem sempre significa função contínua no sentido da Análise Matemática. Algumas das possibilidades de sinais estão indicadas na Figura 1.2.

Xc Xc

te Continuo em amplitude e no tempo

FIGURA 1.

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Contínuo em1amplitude e discreto no te,mpo

to

6 CAPÍTU LO UM

1.1.2 Sistemas dinâmicos a eventos discretos

Sistemas dinâmicos a eventos discretos SEDs são sistemas cuja evolução decorre unicamente de eventos instantâneos, repetitivos ou esporádicos. São sistemas em que: a) os sinais assumem valores num conjunto enumerável, como {on, off} {verde, amarelo, vermelho}

b) as alterações de valor, quando ocorrem, são tão rápidas que se podem modelar como instantâ, neas, em qualquer instante t E R; c) eventos instantâneos externos constituem sinais de entrada que causam eventos discretos internos e de saída.

Sistemas a eventos discretos são sistemas que respondem aos eventos discretos externos e internos com sinais também discretos, de acordo com rígidas regras de causa e efeito ou, então, com regras esta,

tísticas. No primeiro caso, as regras traduzem,se perfeitamente por meio da teoria matemática dos

conjuntos; quando os sinais são todos binários (1 ou O, ON ou OFF etc.), são sistemas lógi.cos. No

segundo caso, os sistemas incluem,se entre os chamados sistemas estocásticos.

Por exemplo, o contator da Figura 1.3 é energizável pela chave L 1 ou pelas chaves L 2 e L 3 , simul,

taneamente. Os eventos de entrada possíveis são combinações dos elementos Li, L 2 , L 3 ,,, assumindo

valores O ou 1. O estado do sistema é naturalmente o do contator, definido em {O, 1}. E, portanto,

sistema lógico. A equação C = L 1 + L 2 • L 3 exprime o funcionamento da rede por meio da álge"bra de Boole, na qual o sinal de operação + significa OU e o sinal · significa E; a equação informa, portanto, que C

= 1 (C energizado) se e somente se Li = 1 (L 1 fechada) ou L 2 = 1 (L 2 fechada) simultaneamente

com L 3 = 1 (L 3 fechada).

L FIGURA 1.

e

O sistema é não, linear. De fato, o fechamento de L 1 implica C = l; o fechamento de L 2 e L 3 implica e = l; o fechamento das três chaves, ou seja, a soma das entradas anteriores, resulta também em e = 1, valor que difere da soma dos valores das saídas anteriores.

Uma questão de nomenclatura: na linguagem comum, eventos são sucessos, acontecimentos na

vida ou na história, por natureza instantâneos ou discretos no tempo; eventos discretos contêm, além da

idéia de instantaneidade, o fato de que as amplitudes possíveis pertencem a um conjunto de números

naturais, um conjunto discreto. Em inglês é corrente o uso da sigla "DES", que significa Discrete Event

Systems; por analogia, em português devemos adotar a sigla SED.

Não se deve confundir sistemas a eventos discretos com sistemas discretos no tempo; estes são

sistemas dinâmicos do tipo time,driven em que os sinais são contínuos, amostrados periodicamente,

ou são essencialmente discretos no tempo (como acontece em Economia e Administração). Nos sistemas SED, há que considerar diferentes métodos de análise conforme circunstâncias

específicas. Se os eventos externos são raros e, portanto, de inexpressiva descrição estatística (por

A ENGENHARIA DE A UTOMAÇÃO 7

exemplo, o aperto de um botão Emergência) e se, de outro lado, o funcionamento interno desses sistemas obedece a regras lógicas rígidas e tempos de reação fixos, o método de análise deve ser

determinístico. Se os eventos externos ocorrem freqüentemente, aleatoriamente, a ferramenta ideal

de análise é a Estatística. Portanto, na realidade, tanto a análise determinística quanto a estatística são desejáveis, desde que utilizadas no momento certo.

1 .2 O CONTROLE

1.2.1 Controle dinâmico

O controle dinâmico tem por objetivo estabelecer o comportamento estático e dinâmico dos sistemas físicos, tornado-o mais obediente aos operadores e mais imune às perturbações dentro de certos limites.

Utiliza sempre medidas de variáveis internas e/ou de saída do sistema, num esquema de realimentação

ou feedback em tomo do sistema original. Este é um conceito de incalculável poder tecnológico para

o aperfeiçoamento de inúmeros processos, seja em velocidade e precisão, seja em custo.

Chama-se de realimentação negativa aquela em que, pelo menos numa faixa de freqüências, o erro

da saída do processo em relação ao seu valor ideal passa,, por uma inversão intencional de sinal algébrico, antes de ser aplicado à entrada. E sob essa forma que a realimentação serve para controle. Quando

o valor ideal é fixo, o controle é dito regulador; quando é um sinal qualquer fornecido ao sistema,

tem-se um servomecanismo, ou servocontrole.

Realimentação positiva também é muito útil, mas para realizar osciladores, não para fins de controle

dinâmico.

Outro princípio fundamental da técnica do controle dinâmico é a pré-alimentação, alimentação

avante, feedforward ou controle por antecipação: consiste em injetar na entrada do processo um sinal

proporcional a alguma perturbação externa relevante, com polaridade tal que ajude a reduzir os efeitos da perturbação. A ação da alimentação avante se antecipa e reduz os efeitos da perturbação. O ponto forte do controle por realimentação é que não se necessita conhecê-lo antecipadamente nem medir as perturbações que afetam o processo. A Figura 1.4 mostra um processo simples, de uma

só variável C de saída, sobre a qual age um sistema de controle dinâmico completo, composto de

realimentação e de alimentação avante; Ré o valor desejado para a variável C; Pé uma perturbação

relevante, que merece ser objeto de uma pré-alimentação; N representa um ruído aditivo na medida

da variável e. Por norma, essas variáveis têm nomes específicos:

C: variável controlada, de qualquer natureza física (vazão, nível, pressão, temperatura, velocidade,

posição, corrente elétrica etc.), associada a um nível significativo de energia ou potência;

P: perturbação, significativa no processo que leva a C;

R: variável de referência (set point), geralmente um sinal elétrico, analógico ou digital;

M: variável manipulada, de natureza em geral diferente da de C, mas influenciando-a fortemente

(por exemplo, a tensão elétrica de alimentação de um motor, a abertura da válvula que injeta combustível em um forno a óleo);

E: erro atuante, a diferença entre C e R que a malha de realimentação procura reduzir;

N: ruído na medida da variável de saída C.