Automação e Controlo Industrial - Indústria 4.0

17cm X 24cm

9cm X 24cm

AUTOMAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Indústria 4.0 Numa altura em que os sistemas automáticos, os sistemas inteligentes, a inteligência artificial e os robôs são elementos do nosso dia a dia e ameaçam fazer uma transformação radical na forma como vivemos e trabalhamos, faz sentido estudar os fundamentos de uma das áreas mais importantes nos desenvolvimentos que permitiram a quarta revolução industrial: a Automação e o Controlo Industrial.

Este livro, que complementa e alarga um outro, do mesmo autor, que se dedica especificamente à temática da Robótica Industrial, foi preparado para ser um guia detalhado para uma disciplina de Automação e Controlo Industrial ao nível do terceiro ou do quarto anos de um curso superior, universitário ou politécnico, de Engenharia Mecânica, Industrial, de Produção, Eletrotécnica, etc. Está também particularmente adaptado para profissionais da indústria da automação e controlo industrial, como os integradores de sistema, incluindo utilizadores finais.

Os temas abordados incluem: Sistemas de produção 4.0 Fundamentos de automação e controlo industrial Guias das ferramentas Matlab e Visual Studio C# Introdução à programação em Arduino Autómatos industriais Introdução à eletrónica e aos sistemas de aquisição Sensores industriais Controladores automáticos industriais: PID Análise de sistemas de primeira e segunda ordem Aplicações industriais e muitos exemplos

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Disponível também:

Destacam-se as introduções feitas a várias tecnologias essenciais à compreensão e à implementação das matérias abordadas: Matlab, Visual Studio C# e programação em Arduino.

A obra foi organizada para poder ser acessível a leitores de várias exigências técnicas e científicas, estando redigida numa linguagem rigorosa e acessível, acompanhada de um conjunto muito alargado de exemplos práticos totalmente desenvolvidos e explicados.

ISBN 978-989-752-412-7

www.lidel.pt

9 789897 524127

www.lidel.pt

Inclui glossário de termos correspondentes entre o português europeu e o português do Brasil.

J. Norberto Pires

Além disso, todos os programas implementados para esses exemplos, assim como vídeos de demonstração, são fornecidos num pacote de software e outras ferramentas, disponíveis num site desenvolvido pelo autor.

AUTOMAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Indústria 4.0

A coleção de referência em português.

22,6 mm

O software e as aplicações informáticas apresentadas no livro estão disponíveis em www.jnorbertopires.pt até o livro se esgotar ou ser publicada uma nova edição atualizada ou com alterações.

17cm X 24cm

AUTOMAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Indústria 4.0 J. Norberto Pires

9cm X 24cm

J. Norberto Pires Licenciado em Engenharia Física, ramo de Instrumentação (1991), mestre em Física Tecnológica, também no ramo de Instrumentação (1994), e doutor em Engenharia Mecânica, especialidade de Automação e Robótica (1999).

Fez pós-doutoramento em Lund, na Suécia, em Controlo Automático (1999-2000), e esteve em várias universidades como cientista convidado. É atualmente professor associado com agregação do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Coimbra. É autor de várias centenas de artigos científicos e técnicos publicados em revistas e conferências de prestígio, três livros em inglês, editados pela Springer, quatro livros em português (um deles com cinco edições), editados pela LIDEL, vários capítulos em livros e mais de 500 artigos de divulgação técnico-científica. É diretor da revista Robótica (a única revista portuguesa de Robótica).

Foi presidente da Sociedade Portuguesa de Robótica, da Associação Portuguesa de Controlo Automático, da Comissão de Coordenação e Desenvolvimento Regional do Centro e do Comité de Investimento JESSICA Holding Fund Portugal. Foi também membro do Conselho Nacional de Ciência e Tecnologia e do Conselho Nacional de Empreendedorismo e Inovação, entre outros cargos.

Mais informação em www.jnorbertopires.pt.

22,6 mm

Índice Geral Sobre o Autor ......................................................................................................................................................... IX Introdução .............................................................................................................................................................. XI Capítulo 1 Ferramentas: Matlab, C# e Arduino ............................................................................................... 1 1.1 Introdução ........................................................................................................................................... 1 1.2 Matlab ................................................................................................................................................. 2 1.2.1 Tutorial ...................................................................................................................................... 2 1.3 Microsoft Visual C# ............................................................................................................................. 34 1.3.1 Exemplo: servidor e cliente de sockets TCP ............................................................................. 36 1.4 Arduino ............................................................................................................................................... 48 1.4.1 Apresentação ........................................................................................................................... 51 1.4.2 Bus I2C ....................................................................................................................................... 53 1.4.3 Pulse Width Modulation ........................................................................................................... 56 1.4.4 Utilização de timers .................................................................................................................. 61 1.4.5 Programação ........................................................................................................................... 66 1.4.6 Painel de controlo do Arduino UNO R3 ................................................................................... 118 Bibliografia .......................................................................................................................................... 126 Capítulo 2 Eletrónica e Instrumentação ........................................................................................................... 129 2.1 Introdução ........................................................................................................................................... 129 2.2 Definições e convenções ..................................................................................................................... 130 2.3 Elementos passivos de circuitos elétricos ........................................................................................... 131 2.3.1 Resistência ................................................................................................................................ 131 2.3.2 Condensadores ......................................................................................................................... 135 2.4 Resolução de circuitos ........................................................................................................................ 139 2.4.1 Leis de Kirchhoff ....................................................................................................................... 139 2.5 Exemplos de aplicação ....................................................................................................................... 141 2.6 Exercícios práticos ............................................................................................................................... 143 2.7 Teoremas de circuitos lineares ............................................................................................................ 146 2.7.1 Teoremas de Thévenin e de Norton ........................................................................................ 147 2.7.2 Teorema da sobreposição ........................................................................................................ 153 2.7.3 Teorema de Millman ................................................................................................................ 156

VI Automação e Controlo Industrial – Indústria 4.0

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Capítulo 3 Sensores Industriais .......................................................................................................................... 199 3.1 Introdução ........................................................................................................................................... 199 3.2 Sensibilidade ...................................................................................................................................... 202 3.2.1 Exatidão (accuracy) .................................................................................................................. 203 3.2.2 Resolução ................................................................................................................................. 207 3.3 Características dinâmicas ................................................................................................................... 207 3.3.1 Tempo antes da operação ........................................................................................................ 208 3.3.2 Resposta em frequência ........................................................................................................... 208 3.3.3 Phase shift ............................................................................................................................... 209 3.3.4 Fiabilidade .............................................................................................................................. 209 3.3.5 Incerteza .................................................................................................................................. 210 3.4 Sistemas de aquisição e interface ...................................................................................................... 210 3.4.1 Digitalização de sinais analógicos ........................................................................................... 211 3.5 Grandezas industriais: princípios ativos e exemplos ......................................................................... 216 3.5.1 Sensores de presença ............................................................................................................... 216 3.5.2 Sensores de temperatura ......................................................................................................... 222

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2.8 Díodos ................................................................................................................................................. 157 2.8.1 Explicação simples sobre o modo de funcionamento ............................................................. 158 2.8.2 Díodo ideal e real ..................................................................................................................... 160 2.8.3 Circuitos com díodos ................................................................................................................ 162 2.8.4 Díodo de Zener ......................................................................................................................... 167 2.8.5 Díodo emissor de luz (Light Emission Diode – LED) ............................................................... 167 2.8.6 Exemplo de aplicação de díodos ............................................................................................. 168 2.9 Amplificadores operacionais .............................................................................................................. 170 2.9.1 Circuitos com AMPOP .............................................................................................................. 172 2.9.2 Distorção por saturação e slew­‑rate ........................................................................................ 174 2.9.3 Exercícios sobre saturação ........................................................................................................ 178 2.10 Transístores ......................................................................................................................................... 180 2.10.1 Transístores bipolares ............................................................................................................. 182 2.10.2 Circuitos com transístores ..................................................................................................... 185 2.11 Transístores de efeito de campo (FET) ............................................................................................... 191 2.12 Utilização de transístores como sensores de temperatura ................................................................ 195 Bibliografia .......................................................................................................................................... 197

Índice Geral VII

3.5.3 Sensores de força ou de pressão ............................................................................................. 223 3.5.4 Sensores de posição ............................................................................................................... 224 3.6 Sistemas de visão ................................................................................................................................. 230 Bibliografia .......................................................................................................................................... 232

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Capítulo 4 Atuadores Industriais ...................................................................................................................... 233 4.1 Introdução ........................................................................................................................................... 233 4.2 Lógica: álgebra de Boole .................................................................................................................... 233 4.3 Leis da álgebra de Boole ..................................................................................................................... 234 4.4 Sistema binário de numeração .......................................................................................................... 235 4.4.1 Outros códigos binários ........................................................................................................... 236 4.5 Circuitos lógicos .................................................................................................................................. 236 4.5.1 Exemplo ................................................................................................................................... 236 4.6 Alguns exercícios práticos ................................................................................................................... 242 4.7 Pneumática ......................................................................................................................................... 247 4.7.1 Componentes pneumáticos ..................................................................................................... 249 4.7.2 Válvulas .................................................................................................................................... 256 4.7.3 Motores pneumáticos .............................................................................................................. 261 4.7.4 Compressores de ar .................................................................................................................. 264 4.8 Motores elétricos ................................................................................................................................ 268 4.8.1 Motores de corrente alternada (CA) ........................................................................................ 270 4.8.2 Princípio de funcionamento de um motor elétrico ................................................................. 271 4.8.3 Motores mais usados na indústria ........................................................................................... 273 4.8.4 Variação eletrónica de velocidade ........................................................................................... 274 4.8.5 Função de transferência de um motor DC de magnete permanente ..................................... 296 Bibliografia .......................................................................................................................................... 301 Capítulo 5 Autómatos Programáveis e GRAFCET ............................................................................................ 303 5.1 Introdução ........................................................................................................................................... 303 5.2 Constituição de um PLC ...................................................................................................................... 304 5.2.1 A família Simatic S7­‑200 da Siemens ..................................................................................... 308 5.3 GRAFCET ............................................................................................................................................. 310 5.3.1 Etapas ....................................................................................................................................... 310 5.3.2 Transições ................................................................................................................................. 311 5.3.3 Equação geral de etapas .......................................................................................................... 312

VIII Automação e Controlo Industrial – Indústria 4.0

5.4 Exemplos práticos ............................................................................................................................... 314 5.4.1 Máquina de etiquetagem ........................................................................................................ 314 5.4.2 Sistema de corte automático de perfis de alumínio ............................................................... 326 5.4.3 Sistema automático de encaminhamento entre linha de produção e linha de acabamentos ........ 331 5.4.4 Rotunda com semáforos com sensores de velocidade ........................................................... 336 5.5 Utilização remota ................................................................................................................................ 341 5.5.1 Exemplo: painel de comando para PLC S7­‑200 ...................................................................... 341 5.5.2 Exemplo: semáforos da Rotunda Sem Nome .......................................................................... 349 5.5.3 Versões em C# do software de comando ................................................................................ 353 5.6 Placas controladoras vs. PLC ............................................................................................................... 361 Bibliografia .......................................................................................................................................... 362 Capítulo 6 Notas Práticas sobre Controladores Automáticos Industriais .................................................... 363 6.1 Introdução ........................................................................................................................................... 363 6.2 Controladores automáticos industriais ............................................................................................... 364 6.2.1 Controlador de duas posições ou liga/desliga (on/off) .......................................................... 364 6.3 Controlador proporcional, integral e diferencial ................................................................................ 367 6.3.1 Controlador proporcional ......................................................................................................... 367 6.3.2 Controlador integral ................................................................................................................. 368 6.3.3 Controlador diferencial ............................................................................................................. 368 6.3.4 Controladores PI, PD e PID ....................................................................................................... 369 6.4 Controladores PID: análise de cada um dos componentes ................................................................ 370 6.4.1 Parâmetros que caracterizam a resposta no tempo ................................................................ 372 6.4.2 Efeito das constantes kp, ki e kd usando um sistema massa­‑mola­‑amortecedor ................. 373 6.5 Resumo sobre análise de sistemas ..................................................................................................... 389 6.5.1 Sistemas de primeira ordem .................................................................................................... 390 6.5.2 Sistemas de segunda ordem ................................................................................................... 393 Bibliografia .......................................................................................................................................... 405

Índice Remissivo .................................................................................................................................................. 409

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Glossário ................................................................................................................................................................ 407

Sobre o Autor J. Norberto Pires é licenciado em Engenharia Física, ramo de Instrumentação (1991), mestre em Física Tecnológica, também no ramo de Instrumentação (1994), e doutor em Engenharia Mecânica, especialidade de Automação e Robótica (1999). Fez pós­‑doutoramento em Lund, na Suécia, em Controlo Automático (1999­‑2000), e esteve em várias universidades como cientista convidado. É autor de várias centenas de artigos científicos e técnicos publicados em revistas e conferências de prestígio, três livros em inglês, editados pela Springer, quatro livros em português (um deles com cinco edições), editados pela LIDEL, vários capítulos em livros e mais de 500 artigos de divulgação técnico­‑científica. É diretor da revista Robótica (a única revista portuguesa de Robótica).

Tem uma presença assídua na comunicação social, com colunas de opinião e programas de rádio.

Foi presidente da Sociedade Portuguesa de Robótica, da Associação Portuguesa de Controlo Automático, da Comissão de Coordenação e Desenvolvimento Regional do Centro e do Comité de Investimento JESSICA Holding Fund Portugal. Foi também membro do Conselho Nacional de Ciência e Tecnologia e do Conselho Nacional de Empreendedorismo e Inovação, entre outros cargos.

Em meados de 2007, assumiu a presidência do Conselho de Administração do iParque, Parque de Ciência e Tecnologia de Coimbra, cargo que exerceu até ao final de 2011, à frente de uma pequena mas muito dedicada equipa, com a qual planeou, obteve o financiamento e construiu esse importante espaço de localização empresarial de Coimbra. A estratégia de médio e longo prazo baseava­‑se na qualidade do espaço, nos edifícios VINCI e TESLA, na forte ligação à Universidade de Coimbra e numa muito eficaz coleção de serviços que constituísse um forte incentivo ao investimento e à localização de empresas baseadas em conhecimento. É atualmente professor associado com agregação do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Coimbra.

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Introdução Numa altura em que os sistemas automáticos, a inteligência artificial e os robôs são elementos do nosso dia a dia e ameaçam fazer uma transformação radical na forma como vivemos e trabalhamos, faz sentido estudar os fundamentos de duas das áreas mais importantes nos desenvolvimentos que permitiram a quarta revolução industrial: a Automação e Controlo Industrial e a Robótica Industrial. São áreas muito vastas e que evoluíram rapidamente desde o desenvolvimento da eletrónica digital, com a invenção do transístor de silício. Com isso apareceram os computadores – cada vez mais poderosos e rápidos –, os sensores, os robôs, o software, as redes informáticas, os sistemas embebidos, a inteligência artificial e a possibilidade de dotar as máquinas de capacidades cognitivas. E vivemos hoje o resultado de tudo isto, quando estes avanços científicos e técnicos permitiram desenvolver equipamentos capazes de substituir os humanos em muitas das tarefas relacionadas com trabalho, em qualquer área, nomeadamente nas que se conjugam na atividade de produção industrial. Muitos assuntos tornaram­‑se emergentes e foram fortemente desenvolvidos, como a colaboração homem­‑máquina, o desenvolvimento de robôs colaborativos, os robôs móveis com elevados níveis de autonomia, os sensores inteligentes, a produção aditiva – que permite imprimir componentes complexos e de dimensões diversas, usando qualquer tipo de material, incluindo várias ligas metálicas –, os sistemas embebidos inteligentes, capazes de se ligar entre si através da exploração de outros níveis de autonomia e capacidade de decisão, o software baseado em técnicas de inteligência artificial e machine­‑learning, capaz de avaliar cenários e tomar decisões em frações de segundo, etc.

Este livro aborda a vasta área da Automação e Controlo Industrial. Não pretende ser exaustivo, pois essa seria uma tarefa impossível, mas pretende abrir horizontes, fornecendo as pistas necessárias para quem procura uma introdução à área, mas também para quem pretende um complemento. Nessa perspetiva, tem capítulos mais introdutórios e capítulos mais avançados, procurando, assim, responder aos dois tipos de público. Foi desenhado para ser um guia detalhado para uma disciplina de Automação e Controlo Industrial ao nível do terceiro ou quarto anos de um curso superior, universitário ou politécnico, de Engenharia Mecânica, Industrial, de Produção ou Eletrotécnica.

Nesta obra, introduzem­‑se matérias essenciais para a área da Automação e Controlo Industrial que se encontravam dispersas por várias publicações. Nessa perspetiva, procurou­‑se introduzir o essencial sobre estes assuntos nesta publicação, como forma de promover uma revisão fundamentada e apoiada, quando necessário, em referências externas que funcionem como complemento ao que aqui é exposto.

Este manual funciona como complemento de um outro livro do mesmo autor e também publicado pela LIDEL, intitulado Robótica Industrial – Indústria 4.0, que aborda aspetos relacionados com a utilização e a programação de sistemas automáticos baseados em robôs industriais. Os dois livros partilham um conjunto de aplicações e software que foram especialmente construídos para ilustrar os conceitos e os exemplos apresentados nos referidos livros (www.jnorbertopires.pt).

Na mesma plataforma, os leitores podem encontrar todas as figuras do livro a cores, o que permitirá que certos pormenores que exploram a cor possam ser facilmente identificados.

XII Automação e Controlo Industrial – Indústria 4.0 A imagem da página seguinte apresenta um diagrama genérico de um sistema de controlo em malha fechada (ou com feedback negativo), no qual estão representados os componentes essenciais de um sistema desse tipo: ■■

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Planta ou instalação a controlar, com detalhe no processo ou processos – Representa o sistema a ser controlado, isto é, o processo ou o conjunto de processos individuais cujas variáveis queremos regular, para que, globalmente, o sistema se comporte como pretendido; Sistema de instrumentação e medida – Representa o sistema utilizado para medir e digitalizar as variáveis a controlar. Essas variáveis são as propriedades (ou características) dos processos em estudo que queremos regular, isto é, garantir, com certos parâmetros de qualidade, que atingem determinado valor, seguem um perfil definido ou estão dentro de limites preestabelecidos. Incluem­‑se neste sistema os sensores, os sistemas de acondicionamento de sinal e os sistemas de instrumentação e de medida necessários para obter a informação digitalizada dos valores das variáveis de interesse; Comparação – Consiste na tarefa de avaliação da diferença entre o valor atual das variáveis a controlar e o valor desejado para essas variáveis (o qual não precisa de ser estático, podendo perfeitamente ser um perfil no tempo), calculando a função erro(t). Esta função será o parâmetro de entrada do componente seguinte, denominado controlador.

A função de erro é calculada da seguinte forma: erro(t) = valor_desejado(t) – valor_atual(t)

Isto é, para uma determinada variável, o valor do erro é positivo (erro(t) > 0) quando o valor atual dessa variável – no instante t – for menor do que o valor desejado para o mesmo instante de tempo, é nulo (erro(t) = 0) quando o valor atual da variável for igual ao valor desejado e é negativo (e(t) < 0) quando, num determinado instante, o valor atual da variável já tiver ultrapassado o valor desejado; ■■

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Controlador automático industrial (ou lei de controlo) – Representa o sistema que calcula o sinal (ação) de controlo em função do erro observado, de acordo com uma determinada lei de controlo. Existem várias opções, que serão estudadas no Capítulo 5; Atuadores – Representam os sistemas usados para atuar na planta/processos, alterando, de forma direta ou indireta, o comportamento das variáveis que estão a ser controladas.

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Neste livro, serão abordados em detalhe todos estes componentes. De notar ainda que todos estes sistemas são, geralmente, comandados e monitorizados a partir de computadores remotos. Nessa perspetiva, faz sentido representar, no sistema de controlo em malha fechada, a possibilidade de o sistema que realiza as tarefas de intrumentação e de medida, comparação e realização da lei de controlo estar também a escutar, em permanência, o canal de comunicação e ser capaz de receber, interpretar e executar comandos remotos.

Introdução XIII

A obra está organizada, como já referido, em seis capítulos, que serão, de seguida, brevemente descritos.

No Capítulo 1 é realizada uma revisão muito extensa das ferramentas necessárias para um curso de Automação e Controlo Industrial. Na verdade, são necessários conhecimentos mínimos numa aplicação matemática e de simulação (recomendamos o Matlab), numa ferramenta de programação (recomendamos C#) e numa plataforma de hardware genérica que permita realizar o essencial das aplicações e dos exemplos estudados (recomendamos a plataforma Arduino UNO R3). O capítulo apresenta um conjunto de exemplos, completamente resolvidos, que permitem fazer uma introdução muito completa e preparar o leitor para explorar por si todas as respetivas funcionalidades.

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No Capítulo 2 são abordados conceitos elementares de eletrónica e instrumentação, o que é essencial para compreender cabalmente todo o processo de aquisição de sinal e de digitalização.

Além disso, introduzem­‑se alguns componentes eletrónicos essenciais à instrumentação moderna, como os transístores bipolares, os transístores de efeito de campo (FET), os díodos e os amplificadores operacionais. No final, explora­‑se a ideia da utilização de semicondutores para a realização de sensores, nomeadamente de sensores de temperatura.

O Capítulo 3 visa introduzir o vasto e muito diversificado mundo dos sensores industriais, apresentando, em primeiro lugar, os conceitos básicos sobre sensores, nomeadamente os parâmetros que permitem definir e classificar o respetivo comportamento estático e dinâmico.

Em seguida, identificam­‑se os vários tipos de sensores industriais, para algumas das mais importantes variáveis usadas na indústria, bem como se mostram os sistemas que permitem que estas quantidades sejam detetadas, lidas e processadas.

O Capítulo 4 tem como objetivo fazer uma revisão exaustiva dos vários atuadores industriais mais utilizados, nomeadamente os penumáticos e os elétricos. A secção de motores elétricos inclui ainda uma revisão sobre os aspetos mais significativos dos sistemas de variação de velocidade, proporcionando vários exemplos completamente realizados e que utilizam

XIV Automação e Controlo Industrial – Indústria 4.0 desenvolvimentos feitos no livro Robótica Industrial – Indústria 4.0. Consequentemente, o capítulo termina com um exemplo de controlo de velocidade em que se explora, em alternativa, um autómato programável e um Arduino UNO R3.

O Capítulo 5 apresenta, de forma extensa mas muito prática e com vários exemplos de aplicação, os autómatos programáveis e o GRAFCET. Começa com a apresentação da constituição de um autómato programável, seguido de algum detalhe sobre o GRAFCET e respetiva utilização. Os conceitos apresentados são, depois, aplicados em vários exemplos práticos, os quais incluem casos em que o controlador lógico programável (PLC) é comandado e monitorizado através de aplicações remotas a correr em computadores. Muitas dessas aplicações são comuns ao livro Robótica Industrial – Indústria 4.0 e fazem parte do pacote de aplicações e outras ferramentas que integram as duas obras.

O Capítulo 6 constitui uma extensa introdução aos controladores automáticos industriais, isto é, aos sistemas que calculam o sinal de controlo a partir da diferença entre o valor de referência da variável que se pretende controlar e o respetivo valor atual (sinal de erro). São apresentados, no essencial, os controladores ON/OFF e proporcionais integrais derivativos (PID). O capítulo tem como objetivo introduzir os conceitos elementares associados à definição, sintonia e operação de controladores automáticos industriais, nomeadamente os aspetos relacionados com a sua utilização em tarefas de controlo industrial. Inclui ainda vários exemplos de ilustração, que foram preparados exatamente com o propósito de reforçar os vários cenários apresentados.

Neste caso, recorre­‑se com insistência ao Matlab como plataforma para realizar os exemplos referidos.

Tudo isto significa que o leitor beneficiaria muito em proceder a uma revisão alargada sobre Matlab e programação, usando linguagem técnica, como se faz no livro Robótica Industrial – Indústria 4.0.

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Foi pensado para funcionar em conjunto com o Robótica Industrial – Indústria 4.0. Na verdade, dada a proximidade e correlação destes assuntos, nomeadamente em termos industriais, faz todo o sentido que o leitor interessado os utilize conjuntamente, até porque muitos dos conceitos e desenvolvimentos aqui apresentados são utilizados no referido livro; Contém um conjunto muito alargado de exemplos práticos totalmente desenvolvidos e explicados. Além disso, o detalhe sobre cada exemplo, nomeadamente o código fonte do software desenvolvido, assim como vídeos de demonstração, são fornecidos num pacote de programas e outras ferramentas que fazem parte integrante do livro (www. jnorbertopires.pt); O autor tem uma vasta experiência científica, técnica e prática na área da Automação e Controlo Industrial, pelo que preparou o texto de modo a que os vários assuntos apareçam de forma lógica e na extensão considerada adequada, tendo em conta o tipo de público ao qual se dirige. Tal significa que se presta muita atenção aos conceitos e ao detalhe das

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Este manual tem vários aspetos que o tornam único e uma boa escolha para docentes, alunos, profissionais da área da automação e controlo industrial ou simples interessados neste tipo de assunto e que procuram informação avançada:

Introdução XV realizações práticas, apresentando ainda uma extensa lista de referências bibliográficas que permitem ao leitor interessado prosseguir os estudos nesta área; ■■ Além de tudo isto, o material didático (imagens, slides, etc.) que acompanha o livro pode constituir um excelente auxiliar para professores, instrutores e profissionais que pretendam atualizar ou melhorar os seus materiais de formação científica, técnica ou profissional.

Um livro sobre esta área nunca está concluído, nem totalmente atualizado, até porque os desenvolvimentos são contínuos e muito rápidos. Nessa perspetiva, o autor manterá atualizado o site do livro, adicionando regularmente novos desenvolvimentos, exemplos, referências e material multimédia, entre outros elementos, o que irá proporcionar ao leitor uma fonte de informação renovada. Tal permitirá que este livro seja dinâmico e acompanhe a velocidade de desenvovimento da área, possibilitando ainda que futuras edições possam constituir uma consequência lógica de tudo isso.

O autor gostaria de agradecer a todos os profissionais que conheceu ao longo da sua já extensa carreira académica e profissional, especialmente a todos os seus alunos de doutoramento, mestrado e licenciatura, nomeadamente os do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Coimbra, mas também a todos os engenheiros e técnicos com quem colaborou.

A experiência adquirida é, em grande parte, uma consequência desse trabalho em equipa.

J. Norberto Pires

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Coimbra, janeiro de 2019

Capítulo 1

Ferramentas: Matlab, C# e Arduino

1.1 Introdução Atualmente, os sistemas industriais de automação e controlo, como as células robotizadas, são projetados usando ferramentas digitais, nomeadamente pacotes de Computer Aided Design (CAD) e ambientes de simulação realistas (capazes de simular a cinemática e a dinâmica das infraestruturas utilizadas). Em tais condições, a simulação não é apenas geométrica ou funcional e, em muitos casos, permite simulações muito mais realistas, que utilizam, por exemplo, no caso de robôs e outros equipamentos, controladores virtuais que correm a mesma versão do software de controlo do equipamento real. Tal possibilita, inclusive, gerar código que pode ser executado imediatamente no equipamento real. Um engenheiro, mesmo não sendo um especialista neste tipo de equipamentos ou em software, está, geralmente, treinado para explorar um pacote de CAD, assim como para usar um pacote matemático e ter algum conhecimento sobre uma linguagem de programação. De facto, tendo em conta as rápidas modificações na nossa maneira de viver e trabalhar impostas pela nova revolução industrial e técnica (Indústria 4.0 ou e­‑factory), sem nos dar tempo suficiente para nos adaptarmos[1,2,3], as escolas de engenharia devem considerar que os alunos precisam de adquirir, durante a frequência dos cursos de licenciatura e de mestrado, competências avançadas em certas linguagens de programação e ferramentas, a saber: ■■ Uma boa ferramenta de CAD 3D, do tipo vetorial (como o Inventor, da Autodesk, ou o SolidWorks, da Dassault Systems, etc.); ■■ Um bom pacote de software matemático, baseado em matrizes, para cálculo, simulação, análise e resolução de equações, que seja aberto, interativo e capaz de interagir com hardware de aquisição e controlo (como o Matlab, da Mathworks, etc.); ■■ Uma linguagem de programação técnica baseada num ambiente de desenvolvimento multiplataforma (como C#, incluído no Microsoft Visual Studio, da Microsoft, C++, C, etc.).

Nesta secção, introduzem­‑se três ferramentas que consideramos muito relevantes para a formação de um engenheiro nas área de automação, robótica e controlo industrial. Uma ferramenta de CAD 3D está fora do âmbito desta área, pelo que não é aqui tratada em detalhe. No entanto, muitos dos exercícios propostos neste e noutros capítulos usam modelos e projetos desenvolvidos com recurso a ferramentas desse tipo, geralmente, o Inventor, da Autodesk. Introduz­‑se o Matlab[4] pois, além de ser uma excelente plataforma para cálculo, análise e simulação, é muito fácil de programar, apresenta um portefólio muito diversificado de livrarias de alta qualidade (toolboxes) e desenvolveu excelentes capacidades de acesso a, virtualmente, qualquer tipo de hardware (com ajuda de hardware support packages[5]), o que transforma esta ferramenta matemática num fabuloso auxiliar para engenharia. Das várias linguagens de programação disponíveis, com muito boas capacidades técnicas, escolhemos o C#, incluído no Microsoft Visual Studio[6]. Trata­‑se de uma linguagem poderosa, que constitui um excelente compromisso, dadas as excecionais capacidades gráficas e de interface com o utilizador. Além disso, apresenta um ambiente de desenvolvimento integrado (IDE) muito

Ferramentas: Matlab, C# e Arduino 27

Figura 1.16 Exemplo de execução da aplicação desenvolvida com mais de 1800 leituras (ver a cores em www.jnorbertopires.pt)

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Esta aplicação utiliza a função OpeningFcn para inicializar algumas variáveis e o gráfico usado para fazer o plot das leituras, isto é, estabelecer os limites em cada eixo e fixar uma grelha com o mínimo de definição na janela onde o plot é realizado. A função de callback ao botão de leitura dos valores de temperatura faz uma chamada à função analogreadsim3, acima referida, e apresenta os valores no gráfico, sinalizando a linha a vermelho quando os valores limite são ultrapassados.

O código associado ao botão de leitura está representado na Figura 1.17, podendo ser consultado na totalidade no pacote de software e outras ferramentas que acompanha este livro[12].

Figura 1.17 Aspeto do editor do Matlab com o script associado ao GUI desenvolvido

Capítulo 2

Eletrónica e Instrumentação

2.1 Introdução Os sistemas de controlo são essencialmente eletrónicos, baseados em sistemas embebidos[1] e geridos por software, fazendo com que muitas das suas tarefas sejam automáticas, com elevados graus de autonomia (Figura 2.1). Consequentemente, é importante fazer uma revisão[2,3,4,5,6,7] dos aspetos fundamentais de eletrónica e instrumentação, com o objetivo de acompanhar os assuntos tratados neste livro.

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Figura 2.1 Sistema embebido de instrumentação constituído por uma placa microcontroladora e sensores acoplados à placa por uma interface de comunicação de dois fios (I2C, CAN, etc.)

A estratégia seguida para a revisão tem os seguintes objetivos: ■■ Apresentar os aspetos mais relevantes de eletrónica e instrumentação, incluindo componentes, leis de resolução de circuitos e exemplos; ■■ Introduzir os sistemas eletrónicos de instrumentação, que permitem garantir a execução de medidas precisas e respetiva digitalização, utilizando todo o tipo de sensores. Ou seja, o sinal de entrada pode ser uma qualquer quantidade elétrica (geralmente, uma diferença de potencial, uma corrente ou uma carga) – este assunto será novamente abordado no Capítulo 3, sobre sensores industriais; ■■ Introduzir os métodos mais usados para fazer essas medidas; ■■ Fornecer detalhes sobre os sistemas de instrumentação e medida, nomeadamente no que se refere ao software embebido.

Uma outra regra de sinais muito usada em eletrónica consiste em considerar que o sentido positivo é igual ao sentido real, isto é, a corrente i vem positiva quando o sentido arbitrado coincide com o sentido real (cargas negativas). Nesse caso, a primeira regra seria  i  R , se a resistência fosse percorrida no sentido da corrente, e  i  R , no caso contrário. A segunda Eletrónica e Instrumentação regra seria exatamente igual. Nos exercícios seguintes não utilizaremos esta regra de141 sinais, para mantermos a coerência com o sentido convencional da corrente (cargas positivas).

Commented [ até à vírgula

Commented [

2.5 Exemplos de aplicação Exemplo 2.1

2.5 EXEMPLOS DE APLICAÇÃO

Commented [

Calcular V no circuito seguinte.

Exemplo 1:ABCalcular VAB no circuito seguinte. i R1

E0 -

+

V AB  V A  V B ?

A

AutomaçãoeeControlo ControloIndustrial Industrial Automação Automação e Controlo Industrial

R2 © LIDEL

15

Nesteexemplo, exemplo,ééfácil fácildescobrir descobrirqual qualéBéoosentido sentidopositivo positivoda dacorrente, corrente,visto vistoque queexiste existeuma uma Neste Neste exemplo, é fácil descobrir qual é o sentido positivo da corrente, visto que existe uma só malha e uma só pilha.

Aplicando a segunda lei de Kirchhoff, resulta: só malha e uma só pilha.

Aplicando a segunda lei de Kirchhoff, resulta: Neste exemplo, é fácil descobrir qual é o sentido positivo da corrente, visto que existe só malha e uma só pilha. Aplicando a segunda lei de Kirchhoff, resulta: uma só malha e uma só pilha. Aplicando a segunda lei de Kirchhoff, resulta: EE 0  i  EE0 0 ii E 0  i  E   0      R R E i R i R       R R E i R i R  00 1 1 2 2 1 1 2 2 i i RR1 01RR2 2            i R 1i Ri  R 2 E 0VV  R1  R 2   R 1  R 2   VV  EE0 0  R   VV  RR2 2  E   ABAB i  R 2 2   E0 R AB AB 2 2 VAB  i  R 2 V AB RER1 01RR2 R V AB RRR1 21RR2 E2 0 2 AB 2 AB 0   R1  R 2 R1  R 2

Noentanto, entanto,sesefosse fossearbitrado arbitradooosentido sentidocontrário contráriopara paraaacorrente, corrente,conforme conformerepresentado representado No No entanto, se fosse arbitrado o sentido contrário a corrente, conforme representado No entanto, fosse arbitrado o sentido contrário parapara a corrente, conforme representado no circuitose seguinte: no circuito seguinte: circuito seguinte: nonocircuito seguinte: i EE0 0

E0

-

ii RR1 1 R1

++ -+

A

AA

VV VV VV ??

ABAB AA BB VAB  VA  VB ?

RR2 2 R2 B

BB

resultaria, aplicando a segunda lei de Kirchhoff:

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resultaria,aplicando aplicandoaasegunda segundalei leide deKirchhoff: Kirchhoff: resultaria, resultaria, aplicando a segunda lei de Kirchhoff:

sentidoarbitrado arbitradoé é OOsentido Ocontrário sentido arbitrado é contrário sentido aoaosentido contrário ao sentido positivo. positivo.

Opositivo. sentido arbitrado é con‑

trário ao sentido positivo.

EE 0 i i   EE0 0 i E 0    i   RER01RR 2  R1 1i i R  R2 2 i  RR1 01RR2 2 EE0 0i i R 1 2   R R i       iRi 1i R E0VV 1 2 R2i 2 R 2     2 EE0 0      R 1  RRR  2 AB  2 AB   VVAB    E0  R2 2  VV  R E ABAB    R  2  VAB  i  R 2 R R2 E2 0  V AB    RER1 01RR R R 1  2 2 V   1  2 R 0 AB AB  R R    R1  R 2 1 2   

Exemplo2:2:Calcular CalcularVVABABno nocircuito circuitoseguinte. seguinte.

Exemplo Exemplo 2: Calcular VAB no circuito seguinte.

Considerandoi,i,i1i1eei2i2(arbitradas) (arbitradas)eeasascirculações circulações(percursos) (percursos)11ee2,2,podemos podemosescrever: escrever: Considerando Considerando i, i1 e i2 (arbitradas) e as circulações (percursos) 1 e 2, podemos escrever: Prmeiralei leide deKirchhoff: Kirchhoff: Prmeira Prmeira lei de Kirchhoff:

Commented[ Commented pedirao aoauto au Commented [P3 pedir está apon pedir ao autor está aaapont está a apontar

3. SENSORES NDUSTRIAIS Capítulo 3 ISensores Industriais 3.1 Introdução 3.1 INTRODUÇÃO

Commented [P1]: Sub

Os sensores são indispensáveis em qualquer instalação automática. São eles que permitem obter Os sensores indispensáveis em São eles que informação sobre osão funcionamento dosqualquer vários instalação sistemas automática. e sobre a evolução dopermitem processo a ser obter informação sobre o funcionamento dos vários sistemas e sobre a evolução do controlado. Estão, por isso, associados a missões de monitorização, supervisão e controlo. Existem processo a ser controlado. Estão, por isso, associados a missões de monitorização, vários tipos de sensores, adaptados a várias e grandezas a medir.

Em atividades termos industriais, supervisão e controlo.

Existem vários atividades tipos de sensores, adaptados a várias e utilizam­‑grandezas se praticamente o tipoindustriais, de sensores, mas existem algumas mais comuns. a medir. todo Em termos utilizam-se praticamente todograndezas o tipo de sensores, mas existem algumas grandezas mais comuns.

Nesteascapítulo será dada atenção Neste capítulo será dada atenção aos sensores usados para medir, nomeadamente aosaos principais sensores para nos as medir, nomeadamente principais ativos utilizados princípios ativosusados utilizados respetivos sensores,aos bem como àsprincípios aplicações mais comuns. Faz­ nos respetivos sensores, bem como às aplicações mais comuns. Faz-se ainda uma breve ‑se aindaintrodução uma breve introdução sobre caracterização de sensores. O leitor interessado deverá sobre caracterização de sensores. O leitor interessado deverá consultar a consultarbibliografia a bibliografia um tratamento mais aprofundado, quedo está fora do âmbito para para um tratamento mais aprofundado, que está fora âmbito deste texto. deste texto.

Um sensor é um dispositivo que recebe um sinal ou estímulo e responde com um sinal elétrico, é um dispositivo recebe um sinal 3.1). ou estímulo responde com um sinal ativo que podeUm sersensor correlacionado com oque estímulo (Figura Isto é, ebaseia­ ‑se num princípio que pode ser correlacionado com o estímulo (Figura 3.1). Isto é, baseia-se num definidoelétrico, para converter uma determinada quantidade, propriedade ou estado em algo passível de princípio ativo definido para converter uma determinada quantidade, propriedade ou estado tratamento (ou mecânico). em elétrico algo passível de tratamento elétrico (ou mecânico).

Quantidade Propriedade Estado

Sensor

Corrente Tensão Carga

Figura Diagramadedeum umsensor sensor Figura3.1 3.1– Diagrama

Commented [P2]: Ima parte

O sinal de entrada pode ser uma quantidade, uma propriedade ou um estado, que o sensor

O sinal de entradanuma podequantidade ser uma quantidade, uma propriedade ou um estado,serque o sensor converte converte elétrica (carga, tensão ou corrente), podendo amplificada e modificada elétrica por circuitos eletrónicos de corrente), aquisição. Os sensores fundamentais em numa quantidade (carga, tensão ou podendo sersão amplificada e modificada qualquer operação de de aquisição Qualquer processo pode ser por por circuitos eletrónicos aquisição.e controlo.

Os sensores são fundamentais emcaracterizado qualquer operação de quantidades, propriedades ou estados (as denominadas variáveis do processo) que podem aquisição e controlo.

Qualquer processo pode ser caracterizado por quantidades, propriedades ou ser medidos1. estados (as denominadas variáveis do processo) que podem ser medidos1.

O processo de medição utiliza sensores acoplados a sistemas de aquisição. Esses sistemas convertem o sinal do sensor num formato digital tratável por um computador, o qual pode gerar, 1 Interessam-nos aqui as variáveis que podem ser medidas diretamente (pressão, temperatura, humidade, etc.). de acordo com o programa de controlo adotado, os sinais para os dispositivos que atuam no Existem outras, igualmente importantes, que não o podem ser, como são os casos da fiabilidade ou da processoqualidade, (atuadores), no sentido de fazer com que este siga um determinado comportamento. por exemplo.

No sistema da Figura 3.2 estão representados vários tipos de sensores num diagrama de um1sistema © LIDEL de aquisição e controlo genérico (regressaremos a este assunto no fim do capítulo), em que se incluem circuitos de acondicionamento de sinais (destinados a receber os sinais dos sensores e a colocá­‑los nas gamas e nos formatos admitidos pelos componentes seguintes), multiplexadores (para agrupamento e seleção de sinais), conversores analógico­‑digital (ADC) e conversores digital­ ‑analógico (DAC), assim como circuitos de ganho e de potência para atuadores e periféricos.

1

Interessam­‑nos aqui as variáveis que podem ser medidas diretamente (pressão, temperatura, humidade, etc.). Existem outras, igualmente importantes, que não o podem ser, como são os casos da fiabilidade ou da qualidade, por exemplo.

Capítulo 4

Atuadores Industriais

4.1 Introdução Os atuadores são fundamentais em qualquer sistema de controlo industrial. Representam a saída do sistema, isto é, a possibilidade de controlar o processo ou o equipamento a que estão associados. Existe uma enorme variedade de atuadores, baseados nas tecnologias pneumática, hidráulica ou elétrica. Neste capítulo comparam­‑se as diferentes tecnologias, abordando em particular os atuadores pneumáticos e os motores elétricos, dada a sua importância industrial.

Na maioria das aplicações, estes atuadores são usados apenas em dois estados: ligado e desligado (on/off). Comutando uma válvula, um cilindro avança ou recua; comutando um relé ou contactor, um motor elétrico arranca ou para (mesmo quando associado a um variador de velocidade), etc. Por essa razão, o capítulo começa por introduzir as bases dos circuitos lógicos de dois estados (digitais), ou seja, as leis e a álgebra de Boole.

4.2 Lógica: álgebra de Boole Quando associamos ao um e ao zero do código binário os estados lógicos verdadeiro e falso [1 (um) = verdadeiro/ligado e 0 (zero) = falso/desligado], ficamos em condições de realizar Automação Controlo operações lógicas ecom essesIndustrial números. As operações lógicas fundamentais são apresentadas na Figura 4.1.

PRODUTO LÓGICO (AND)

A

INVERSÃO (NOT)

A

SOMA LÓGICA (OR)

B

X=AB

B

A

A

X=A+B

Figura 4.1 - Operações lógicas fundamentais

Commented [P3]: Imagem n

Figura 4.1 Operações lógicas fundamentais

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As operações ou equações lógicas podem descrever-se também pela respetiva tabela de verdade, que é um quadro no qual estão todas as combinações possíveis das entradas e

As operações ou equações lógicas podem descrever­‑se também pela respetiva tabela de verdade, respetivos valores da saída ou saídas. Aos três casos referidos na Figura 4.1 correspondem que é umasquadro noverdade qual estão todasnaasFigura combinações possíveis das entradas e respetivos valores tabelas de constantes 4.2. da saída ou saídas. Aos três casos referidos na Figura 4.1 correspondem as tabelas de verdade constantes na Figura 4.2.

A 0 1

NOT

X 1 0

AND

A 0 0 1 1 OR

B 0 1 0 1

X 0 0 0 1

A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

X 0 1 1 1

Figura 4.2 - Tabelas de verdade para as operações lógicas NOT, AND e OR (A e B representam entradas e X representa a saída) Os operadores lógicos fundamentais podem combinar-se para formar funções de maior

Commented [P4]: Imagem n

280 Automação e Controlo Industrial – Indústria 4.0 Neste trabalho, foi decidido usar a segunda opção. As razões são simples: ■■

■■

■■

A maioria das aplicações não dispõe de interface para redes de campo, apesar de estas serem cada vez mais comuns em equipamentos recentes; Pretendia­‑se usar um PLC, por razões didáticas, mas também porque, normalmente, os variadores de velocidade e os PLC aparecem associados nas aplicações industriais; É possível obter um nível de detalhe superior na realização, o que reforça os objetivos didáticos.

Nessa perspetiva, o exercício tem a configuração que se resume na Figura 4.45, na qual fica claro o objetivo de utilizar, em alternativa, um PLC ou um Arduino para fazer interface com o variador de velocidade. Tal permitirá explorar as diferenças entre as duas plataformas, realçando os aspetos que distinguem cada uma.

Figura 4.45 Equipamentos que constituem a instalação usada neste exercício e respetiva configuração funcional, a qual reforça os aspetos didáticos que são, também, objetivo do exercício

■■

Os PLC estão especialmente preparados para a utilização em ambiente industrial, nomeadamente no que se refere a robustez mecânica e elétrica, mas também pelo ambiente de programação, suportado por uma linguagem sequencial e gráfica (o GRAFCET)[15]. Além disso, os PLC têm décadas de engenharia dedicadas a responder de forma rápida e eficiente às exigências das aplicações industriais, tipicamente sequenciais, em que os processos seguem uma lógica muito parecida a um diagrama sequencial de fluxo; As plataformas microcontroladoras como o Arduino – baseadas num microprocessador com funções avançadas de I/O, comunicação, conversão analógico/digital (A/D) e

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■■

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Com a abordagem referida não se pretende mostrar algum tipo de paralelismo entre os dois tipos de plataformas (PLC e placas microcontroladoras como o Arduino UNO R3), pois cada uma tem o seu ambiente e a sua gama de utilização. Assim:

Capítulo 5

Autómatos Programáveis e GRAFCET

5.1 Introdução Os autómatos programáveis, vulgarmente designados por PLC (Programmable and Logic Controllers), são elementos fundamentais dos sistemas de automação industrial modernos.

Os PLC podem desempenhar, entre outras, funções de controlo local de baixo nível de vários subsistemas, coordenação geral do sistema de automação industrial, aquisição e processamento de dados, gestão de comunicações. É o que acontece atualmente. Mas nem sempre foi assim, visto que, no início, os PLC pretendiam ser uma alternativa mais flexível à lógica elétrica e baseada em timers, algo que era vulgar nos painéis de controlo. Com a sua popularidade e facilidade de programação, os PLC evoluiriam muito desde a década de 70 do século XX, altura em que apareceu o primeiro PLC. Hoje, existem vários tipos de PLC, dimensionados para aplicações diferentes, sendo os mais poderosos verdadeiros computadores industriais de elevado desempenho. De qualquer forma, todos os PLC têm capacidades elementares, como: ■■ Timers – Todos os PLC possuem vários tipos de timers, adaptados a diversas situações de utilização, permitindo rotinas temporizadas, fundamentais em qualquer aplicação industrial. Podem existir ainda interrupções temporizadas, mas tal só é comum em PLC de gama média/alta; ■■ Contadores – Este é um elemento básico de qualquer PLC. Contar eventos, sejam eles lógicos, de input/output (I/O) ou outros, é uma das atividades de rotina de um programa de PLC. Qualquer PLC disponibiliza vários tipos de contadores em número considerável.

Normalmente, existe também um conjunto de contadores de alta velocidade. O número de contadores, especialmente o número dos contadores de alta velocidade, aumenta com a gama do PLC; ■■ Registos – A utilização de registos de memória também é fundamental. Os PLC disponibilizam registos de vários formatos, com acesso flexível aos seus conteúdos, permitindo endereçar bits individualmente, bytes ou grupos de bytes; ■■ Operações lógicas elementares – Estas funções permitem manipular informação e construir sequências lógicas de instruções, máquinas de estado, condições de execução, etc.; ■■ Várias entradas e saídas digitais e analógicas, expansíveis com módulos de I/O – Os PLC são, por definição, sistemas modulares. O número de entradas/saídas depende do modelo de PLC, com os mais avançados a disponibilizarem, de uma forma geral, mais possibilidades de expansão; ■■ Possibilidade de ligação remota – No geral, todos os PLC permitem ligações série ponto­‑a­‑ponto, para monitorização e programação. Os mais avançados possibilitam ligações multiponto, vários tipos de rede de campo (como CAN, Profibus ou DeviceNet), redes Ethernet baseadas em TCP/IP, etc.; ■■ Funções matemáticas – Para álgebra de inteiros e em vírgula flutuante;

354 Automação e Controlo Industrial – Indústria 4.0

Comando para PLC

Informação visual de todo o IO do PLC

Comandos de saídas pulsadas

Envia comando para PLC

Log de Mensagens

Informação sobre o estado do IO do PLC

Figura 5.28 Diálogo de interface da aplicação S7­‑200 Panel realizada em C# (ver a imagem a cores em www.jnorbertopires.pt) O código completo desta aplicação pode ser encontrado no pacote de software e outras ferramentas que acompanha este livro[1], no entanto, aqui é apresentado o essencial do código de duas funções: a função que comanda a mudança de estado de uma saída digital e a função que comanda às saídas Q0.0, Q0.2, Q0.4 e Q0.6 um impulso regular de período definido pelo utilizador (botão Pulse@Period).

Por exemplo, para alterar a saída Q1.0, o código da função associada é o seguinte:

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if (msg[0] == 201) messages.Items.Add(string.Concat(“PC ‑­ > “, “Q1.0 is now OFF”)); if (msg[0] == 200) messages.Items.Add(string.Concat(“PC ‑­ > “, “Q1.0 is now ON”)); messages.SelectedIndex = messages.Items.Count ‑­ 1; }

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private void qb10_Click(object sender, EventArgs e) { byte[] msg; msg = new byte[10]; byte[] msg1; msg1 = new byte[6]; if (qb10.BackColor == Color.Yellow) msg[0] = 201; else msg[0] = 200; msg[1] = 130; msg[2] = 255; msg[3] = 255; msg[4] = 10; update.Stop(); try {

Capítulo 6

Notas Práticas sobre Controladores Automáticos Industriais

6.1 Introdução O objetivo deste capítulo1 é introduzir os conceitos elementares associados à definição, à sintonia e à operação de controladores automáticos industriais, nomeadamente os aspetos relacionados com a sua utilização em tarefas de controlo industrial[1,2]. A Figura 6.1 representa um sistema de controlo em malha fechada. Esse é o tipo de sistemas em que geralmente estamos interessados em termos industriais, por serem mais precisos e menos sensíveis a perturbações externas e a variação de parâmetros, apesar de poderem revelar alguma instabilidade com ganhos elevados e/ou atrasos na resposta do sistema.

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Figura 6.1 Sistema de controlo em malha fechada, no qual se representam todos os subsistemas envolvidos: sistema eletrónico de instrumentação, comparação (+/­‑), lei de controlo, atuadores e instalação/processo Num sistema de controlo em malha fechada, o valor atual da variável que se pretende controlar (saída) é realimentado no sistema, depois de medido e comparado com o valor que se pretende obter (valor de referência). A diferença, denominada erro, é utilizada como entrada da lei de controlo, que calcula o sinal a aplicar nos atuadores, de forma a que a variável sob controlo siga o comportamento desejado. Os objetivos de qualquer sistema de controlo são os seguintes: ■■ Modificar o comportamento da instalação ou processo, para que a saída (variável que se pretende controlar) siga um determinado comportamento (por exemplo, assuma um determinado valor, que pode ser fixo ou uma função no tempo), definido de acordo com certas especificações; 1

Muitas figuras deste capítulo têm cor e beneficiam muito dessa característica. O leitor interessado pode encontrar as versões a cores no site do livro em www.jnorbertopires.pt.

392 Automação e Controlo Industrial – Indústria 4.0 Para definir a entrada em degrau com amplitude igual a 2, poderia ter sido usada outra alternativa. No exemplo anterior, fez­‑se u = 2 e calculou­‑se a resposta com step(u*G). No entanto, criando uma estrutura de opções para a função step, poderia ter­‑se procedido da seguinte forma, que é totalmente equivalente:

>> opt = stepDataOptions(‘StepAmplitude’,2);

>> step(G); Uma outra função do Matlab, dedicada a sistemas LTI, permite ver em detalhe a resposta no tempo e a resposta em frequência. Essa função denominava­‑se ltiview até à versão 2015a do Matlab, mas agora denomina­‑se linearSystemAnalyzer[10].

Escrevendo, no command line do Matlab, o seguinte comando:

>> linearSystemAnalyzer(‘step’, G);

obtemos a resposta que já foi apresentada na Figura 6.27.

Para fazer uma análise da resposta em frequência do sistema de primeira ordem com função de transferência G(s) (Figura 6.28), o comando em Matlab é:

>> linearSystemAnalyzer(‘bode’, G);

>> linearSystemAnalyzer(‘pzmap’, G);

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Por fim, a mesma função pode ser usada para representar os polos da função de transferência de primeira ordem (Figura 6.29):

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Figura 6.28 Diagrama de Bode do sistema de primeira ordem apresentado neste exemplo. De notar que o atraso de fase de 45º ocorre para f = 1/TC = a (neste caso, igual a 1/6). É também para essa frequência que a amplitude do sistema começa a degradar­‑se de forma significativa, seguindo um trajeto que conduz a uma redução de amplitude de 20 dB por década de frequência (10x, com x = 0, 1, 2, … N)

Glossário Glossário de termos correspondentes em Português Europeu1 e Português do Brasil.

Português Europeu (PE)

Português do Brasil (B)

Calibração

Calibragem

Condensador

Capacitor

Controlo

Controle

Eletrónica

Eletrônica

Fábrica

Usina

Ferramenta

Efetor

I

Íman

Magneto

L

Lei de controlo

Lei de controle

M

Momento

Torque

PLC

CLP

Produção

Manufatura

Realimentação

Feedback

Rebarbagem

Rebarbação

Resistência

Resistor

Sensor

Transdutor

Sistema embebido

Sistema embutido

Sistema operativo

Sistema operacional

Soldadura

Soldagem

Troca de ferramenta

Trocador de ferramenta

C

E F

P

R

S

T

1

Designa-se por Português Europeu a variante da língua falada em Angola, Cabo Verde, Guiné-Bissau, Moçambique, Portugal, São Tomé e Príncipe e Timor-Leste.

17cm X 24cm

9cm X 24cm

AUTOMAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Indústria 4.0 Numa altura em que os sistemas automáticos, os sistemas inteligentes, a inteligência artificial e os robôs são elementos do nosso dia a dia e ameaçam fazer uma transformação radical na forma como vivemos e trabalhamos, faz sentido estudar os fundamentos de uma das áreas mais importantes nos desenvolvimentos que permitiram a quarta revolução industrial: a Automação e o Controlo Industrial.

Este livro, que complementa e alarga um outro, do mesmo autor, que se dedica especificamente à temática da Robótica Industrial, foi preparado para ser um guia detalhado para uma disciplina de Automação e Controlo Industrial ao nível do terceiro ou do quarto anos de um curso superior, universitário ou politécnico, de Engenharia Mecânica, Industrial, de Produção, Eletrotécnica, etc. Está também particularmente adaptado para profissionais da indústria da automação e controlo industrial, como os integradores de sistema, incluindo utilizadores finais.

Os temas abordados incluem: Sistemas de produção 4.0 Fundamentos de automação e controlo industrial Guias das ferramentas Matlab e Visual Studio C# Introdução à programação em Arduino Autómatos industriais Introdução à eletrónica e aos sistemas de aquisição Sensores industriais Controladores automáticos industriais: PID Análise de sistemas de primeira e segunda ordem Aplicações industriais e muitos exemplos

C

M

Y

CM

MY

CY

CMY

K

Disponível também:

Destacam-se as introduções feitas a várias tecnologias essenciais à compreensão e à implementação das matérias abordadas: Matlab, Visual Studio C# e programação em Arduino.

A obra foi organizada para poder ser acessível a leitores de várias exigências técnicas e científicas, estando redigida numa linguagem rigorosa e acessível, acompanhada de um conjunto muito alargado de exemplos práticos totalmente desenvolvidos e explicados.

ISBN 978-989-752-412-7

www.lidel.pt

9 789897 524127

www.lidel.pt

Inclui glossário de termos correspondentes entre o português europeu e o português do Brasil.

J. Norberto Pires

Além disso, todos os programas implementados para esses exemplos, assim como vídeos de demonstração, são fornecidos num pacote de software e outras ferramentas, disponíveis num site desenvolvido pelo autor.

AUTOMAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Indústria 4.0

A coleção de referência em português.

22,6 mm

O software e as aplicações informáticas apresentadas no livro estão disponíveis em www.jnorbertopires.pt até o livro se esgotar ou ser publicada uma nova edição atualizada ou com alterações.

17cm X 24cm

AUTOMAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Indústria 4.0 J. Norberto Pires

9cm X 24cm

J. Norberto Pires Licenciado em Engenharia Física, ramo de Instrumentação (1991), mestre em Física Tecnológica, também no ramo de Instrumentação (1994), e doutor em Engenharia Mecânica, especialidade de Automação e Robótica (1999).

Fez pós-doutoramento em Lund, na Suécia, em Controlo Automático (1999-2000), e esteve em várias universidades como cientista convidado. É atualmente professor associado com agregação do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Coimbra. É autor de várias centenas de artigos científicos e técnicos publicados em revistas e conferências de prestígio, três livros em inglês, editados pela Springer, quatro livros em português (um deles com cinco edições), editados pela LIDEL, vários capítulos em livros e mais de 500 artigos de divulgação técnico-científica. É diretor da revista Robótica (a única revista portuguesa de Robótica).

Foi presidente da Sociedade Portuguesa de Robótica, da Associação Portuguesa de Controlo Automático, da Comissão de Coordenação e Desenvolvimento Regional do Centro e do Comité de Investimento JESSICA Holding Fund Portugal. Foi também membro do Conselho Nacional de Ciência e Tecnologia e do Conselho Nacional de Empreendedorismo e Inovação, entre outros cargos.

Mais informação em www.jnorbertopires.pt.

22,6 mm