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Redes para Automação Industrial Capítulo 1: Automação Industrial Luiz Affonso Guedes DCA-CT-UFRN 2005.1.

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1 Redes para Automação Industrial Capítulo 1: Automação Industrial Luiz Affonso Guedes DCA-CT-UFRN

2 Objetivos do Capítulo Estudo sistêmico de sistemas de automação industrial. Caracterização dos elementos constituintes da automação industrial. Evolução da automação industrial. Caracterizar os requisitos demandados pelas aplicações em Automação Industrial.

3 Referências Bibliográficas Automação Industrial, André Maitelli –www.dca.ufrn.br/~maitelli/cursos/clp Referências na Internet.

4 Desafio de integração de informação Visão Geral da Automação Industrial

5 Objetivos da Automação Industrial – Aumento da segurança – Diminuição dos custos operacionais – Melhoria das condições de operação – Simplificação das instalações – Aumento dos níveis de controle – Aumento dos níveis de acompanhamento

6 Níveis de Automação Industrial Processo Computador Manual Modo off-line, coleta manual de dados Processo Computador Manual Off-line, coleta automática de dados Processo Computador Manual Modo in-line Processo Computador Manual Modo on-line, malha aberta Processo Computador Modo on-line, malha fechada

7 Níveis de Automação - Exemplo Processo não automatizado : Controle de nível local através de válvula com volante Processo semi-automatizado : Controle de nível através de válvula com atuador para acionamento remoto Processo totalmente automatizado : Controle de nível através de válvula com atuador e controlador automático

8 Áreas de Atuação da Automação – Projetos de novas unidades de operação – Modernização da planta industrial – Integração de procedimentos e equipamentos em unidades de produção já existentes

9 Disciplinas Envolvidas – Sistemas de Controle – Instrumentação – Informática – Processo – Comunicações

10 Níveis de Abstração do Problema Nível de Processos Físicos Nível de Sensores e Atuadores Nível de Controle Direto: PC, CLP Nível de Supervisão Nível de Gerência Nível de Rede de Comunicação Motores, robôs, caldeiras, etc. Eletrônica de potência, transdutores, acio. pneumático, etc Algoritmos PID, fuzzy, lógica de relé,etc Tecnologias e protocolos de comunicação Visualização, configuração e armazenamento e variáveis Geração de informação estratégica

11 Níveis de Tecnologias do Problema

12 Automação: Industrial + GerencialVENDAS PLANEJAMENTO BANCO DE DADOS CORPORATIVOS INFORMAÇÃO E SIMULAÇÃO INTEGRAÇÃO DE CAMPO OPERAÇÃO E SUPERVISÃO (OTIMIZAÇÃO) CONTROLE E SEGURANÇA CAMPO Sistema Gerencial AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Elementos Sensores e Atuadores PLCs Controladores Estações de Trabalho Servidores Estações de Trabalho

13 Estrutura da automação industrial Rede de Comunicação de Dados Local Processo Físico 1 SensoresAtuadores Condicionamento de sinais Controlador Local 1 Processo Físico n SensoresAtuadores Condicionamento de sinais Controlador Local n... Supervisor Base de Dados Gerência de Informação

14 Elementos Básicos Processos Sensores Atuadores –Calibração –Segurança –Economia de energia Condicionamento de sinais Conversão de sinais Hardware computacional Sistemas operacionais Linguagem de programação Estratégias de controle Estratégias de segurança: inter-travamento Estratégias de supervisão

15 Processos Sistemas físicos a serem monitorados, controlados, supervisionados,gerenciados Processos Contínuos –As variáveis manipuladas têm natureza contínua –Processos químicos e robótica Processos Discretos –As variáveis manipuladas têm natureza discreta –Políticas de inter-travamento e manufatura Sistemas Híbridos –Variáveis contínuas + Variáveis discretas

16 Processo Contínuo LT TT LC MISTURADOR AQUECEDOR H1 TC vapor Produto B Produto A

17 Processos contínuos: variáveis analógicasnívelmA t

18 Processo Discreto LSLL SDV VASO DE PROCESSO PSLL CLP SDV

19 Variáveis Discretas t nível Vdc alto normal 24 Vdc 0 Vdc Set- point

20 Variáveis DiscretasnívelVdc alto normal 24 Vdc 0 Vdc t

21 Sistemas de medição: Sensores Componentes transdutores de sinais Condicionamento de sinais Calibração de sensores Sistemas de proteção Valor verdadeiro Sistema de medição Processo medido SaídaEntrada Valor medido Observador

22 Exemplo de Sensores Termopares Encoderes Barômetros Potenciômetros Fibras ópticas Ultra-som

23 Sensores de Pressão

24 Sensores para Medição de Nível Baseado em boia Baseado em radar

25 Sensores de Temperatura Termopares

26 Sensores de Pressão

27 Instrumentos de Leitura

28 Telemetria Os sistemas conforme o tipo de energia podem ser: –Transmissão pneumática (3-15PSI) –Transmissão eletrônica (4-20mA, 1-5Vcc) –Transmissão digital ( RS-485 protocolo modbus, RS-232 protocolo HART, RS-422, Foundation TM Fieldbus. –Transmissão hidráulica

29 Sistemas de Comandos: Atuadores Amplificadores de energia Transformadores de energia elétrica (sinal de controle) em outras formas de energia Saída Sistema de comando Sinal de comando Processo Atuador

30 Exemplos de Atuadores Válvulas Pistões Inversores (eletrônica de potência) Resistências

31 Válvula de controle (Fisher) Transmissor eletrônico

32

33 Simbologia TIC 103 Identificação do instrumento ou tag do instrumento T 103 Identificação da malha (malha de temperatura, número 103) TIC Identificação funcional (Controlador Indicador de temperatura) T Primeira letra (variável da malha) IC Letras subseqüentes (função do instrumento na malha

34 Simbologia TE-301sensor de temperatura TT – 301transmissor de temperatura TIC-301controlador de temperatura TCV-301válvula controladora de temperatura

35 Simbologia PIC 211 Exemplo de uma malha de controle de Pressão

36 O Problema de Controle Automático Processo Físico Sensores Atuadores A/D D/D D/A D/D Relógio Externo Controle Direto Registro De Dados Gerência de Informação Interface Homem/Máquina Base de Dados... Terminais, impressoras, etc.

37 Esquema de Controle Automático Alarmes e guias para operador Processo Sistema de controle com computador material energia produto Informação do produto Sinais de controle Informação do processo Registros e relatórios Informação de entrada Objetivos e informação de gerenciamento

38 Estrutura do Hardware de Controle Entradas Analógicas Entradas Digitais Canal de Telemetria Outros sistemas Armazenamento trabalho Elementos de controle Lógica e Arimética Memória de massa Impressoras Console Operação Interrupção CPU

39 Estrutura do Hardware do CLP UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO DISPOSITIVOS DE PROGRAMAÇÃO/ COMUNICAÇÃO MEMÓRIA PROGRAMA / DADOS FONTE DE ALIMENTAÇÃO C D I E R C E U N I T T R O A S D A ISOLAMENTO ÓPTICO ISOLAMENTO ÓPTICO I > C D I E R C S U A I Í T D O A S P X

40 Algoritmo de controle Filtragem Lógica de proteção AtuadoresSensores Variáveis do processo Multiplexador entrada Multiplexador saída Conversor D/A Display Console do Operador Carga e saída do programa Canal de Comunicação Processador com programa DDC Entrada manual de SP, limites, sintonia etc. Computador supervisório (opcional)

41 Tipos de Controles Controle continuo - variáveis analógicas - Controle PID Controle Discreto - variáveis discretas – Inter-travamento

42 Controle de Variáveis Contínuas – Estratégia PID PID Válvula Processo Sensor mA Vazão Ref Controlador + - erro variável controlada

43 Controle de Processos Discretos A mudança do Estado das variáveis de entrada provoca a mudança das variáveis de saída. Ex: Pressão alta -> abrir válvula de alívio

44 Controle de Processos Discretos Controle de processos discretos é a implementação de uma Operação Lógica e/ou Seqüência de Eventos através do qual o processo é levado a um estado desejado. Ex: nível alto -> fecha válvula e aciona alarme botoeira acionada -> liga bomba e acende lâmpada temperatura ou pressão alta -> abre válvula e desliga aquecedor

45 Estratégia de Controle Discreto –Sentenças narrativas –Tabela de Causa e Efeito –Diagrama Lógico Binário –Diagrama Ladder –Diagrama de Blocos Funcionais

46 Controlador Lógico Programável

47 PLC na estrutura de automação COMCOM COMCOM COMCOM COMCOM COMCOM COMCOM CPUCPU CPUCPU FONTEFONTE FONTEFONTE PSH REMREM REMREM REMREM ESC Manutenção SDV BOMBA MÓDULOS REMOTOS DO PLC CPUs DO PLC SALA DE CONTROLE REDE ETHERNET REDE PROPRIETÁRIA DO PLC VASO SEPARADOR CHAVE

48 Arquitetura de Automação PLC ETHERNET SALA DE RÁDIO PL C ELÉTRICA PLC ESD / FOGO&GÁS PLC CONTROLE DE PROCESSOS LASTRO ESC M M ROTEADOR REPETIDOR M SALA DE CONTROLE REDES DE CAMPO OU CABOS INDIVIDUAIS INSTRUMENTOS DE CAMPO


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