Projetos Instrumentação Prof. Arnaldo I. I. C. A. & I. T. Tech. Consultant

Projetos Instrumentação Industrial CONTEXTOS

Instrumentação Industrial - Atuação Técnica Op. Projeto: Detalhamento Básico & Específico dos Sistemas, Máquinas, Equipamentos, Dispositivos, Instrumentos, Válvulas, Atuadores, Sensores, Mídias Op. & Acessórios ; Especificação: Definição & Descrição de Características Físicas, Funcionais & de Segurança dos Elementos Op. ; Fabricação: Construção & Produção dos Elementos ; Vendas: Marketing & Comercialização de Elementos ; Montagem, Configuração, Testes, Ajustes Op., Comissionamento, Aceitação & Certificação Técnica: Instalação Normatizada & Correta dos Elementos nos Locais de Trabalho, para que Operem Conforme Projeto ; Operação: Eventos & Tarefas de Sensoriamento, Medição, Monitoramento & Supervisão de Desempenho Op. dos Elementos, Bem Como, as Ações Corretivas Necessárias que Garantam Tecnicamente os Níveis de E.P.Q.C.D.S.C-B. Esperados para o(s) Processo(s) Op. Envolvido(s) ; Manutenção: Assistência Técnica & Reparos de Elementos com Operação Fora de Norma ou Inoperantes, Ajustes & Calibrações Op., Caso os Resultados Metrológicos Exijam ;

Instrumentação Industrial - Categorização Funcional Sensoriamento: Detecção & Identificação da Variável Op. ; Medição: Quantificação dos Valores desta Variável Op. ; Condicionamento: Adequação & Otimização Técnica das Sinalizações & Valores de Medição Já Obtidos ; Indicação: Amostragem do Valor Instantâneo da Variável ; Registro: Apresentação &/ou Armazenamento dos Valores Históricos &/ou em Tempo Real da Variável ; Controle: Técnicas Op. que Possam Garantir que Todos Valores Obtidos para Variável Serão Iguais ou os Mais Próximos Possíveis dos Valores Normatizados Desejados ; Alarme & Intertravamento: Geração de Sinalizações de Atenção &/ou Perigo, em Certas Condições &/ou Situações Técnicas Op., que Permitirão Ações de Interferência Op. Externa ( Operador &/ou Sistema Automatizado ) Visando Segurança das Pessoas, Processos &/ou Instalações ; Transcepção: Envio / Recebimento Remoto &/ou Local das Informações &/ou Dados Referentes às Medições Feitas ;

Instrumentação Industrial - Dialética Op. Real Físico ou Virtual Representativo ( Sinóptico ) Manual, Portátil, Embarcado ou Fixo Processo, Elemento, Painel, Console ou S. P. I. Mecânico, Pneumático ou Eletroeletrônico Auto-Alimentado, Alimentação Externa &/ou Sem Necessidade de Alimentação E.E. ou Outras Discreto, Analógico &/ou Digital Com Relação às Tecnologias, Grandezas Variáveis, Sinalizações, Princípios Op., Mostradores &/ou Displays Dumb, Smart, Programável ou Ubíquo Pervasivo Montagem Op. Modular ou do Tipo Integral Operação Dedicada ou Compartilhada Controle Op. Centralizado ou Distribuído

Instrumentação Industrial - Tipos de Projetos Elementos Sensores / Medidores Básicos Instrumentos de Medidas Grandezas Op. Equipamentos ou Dispositivos Medidores &/ou Monitores de Grandezas Op. ( Fixos, Manuais, Portáteis, Embarcados ) Sistemas para Sensoriamento, Medição, Tratamento, Conversão, Tx/Rx, Controle, Armazenamento, Monitoramento, Supervisão & Gerenciamento Op. de Processos Industriais Implantados com Topologias de Redes Distribuídas ( em Centros Op. Integrados ou Não )

Modos Controle Funcional

Nos Sistemas para Sensoriamento, Aquisição, Medição, Tratamento, Transdução, Transcepção, Monitoramento, Controle, Supervisão & também Gerenciamento de Processos Industriais são Empregadas Técnicas para que as Grandezas Variáveis, seus Parâmetros & Valores Envolvidos, sejam Mantidos sob Índices Referenciais Pré- Ajustados, a partir de Modelagens & Algoritmos que Implementam Seqüências Op. de Funções, Comandos, Ações & Comportamentos Técnicos capazes de Permitirem Acompanhar, Comparar, Executar, Alterar & Otimizar, em Tempos Reais ou Não, TODAS as Variações Técnicas Possíveis Envolvidas nos Contextos destes Processos ;

Sistemas de Controle em Malha Aberta Processos Produtivos Contínuos Operador ( Início ) Sistema Controle Atuadores Funcionais Ações Op. Correções Set Points Comandos Funcionais Técnicas Controle &/ou Ajustes Op. T R A N S M I O T R A N S D U O S E N O R Processos Produtivos Medição Produtos Indicação Memória Matérias Primas

Controle de Temperatura Malha Fechada para Controle de Temperatura Temperatura Desejada Set Point Termômetro Termistor NTC / PTC Termopar Pirômetro IR Contator Acionador Interruptores Digi Switches Resfriador Ventilador Válvula Técnicas de Controle Automático Elementos Finais de Controle Técnicas de Sensoriamento & Medição Feedback Loop Processo Operacional Variável Manipulada Variável Controlada Temperatura Vazão, Pressão, Nível, PH, ... em Ar, Gases, H2O, Líquidos, Metais, ... Entradas Saídas

Plantas, Sistemas, Processos &/ou Eventos Op. a serem Monitorados &/ou Controlados devem Possuir como Critérios Técnicos Importantes : Especificações de Desempenho Funcional Índices de Precisão, Exatidão & Eficiência Op. Níveis de Rejeição a Distúrbios Técnicos Op. Respostas de Regimes Estacionários & Transitórios Níveis de Intercorrências dos Regimes Funcionais Níveis de Sensibilidade às Alterações Técnicas das Grandezas, Parâmetros & Características Op. Maximização dos Índices de Custo-Benefício Facilidades para Upgrading & Otimização Op.

Características dos Projetos -- Check List ( ANÁLISE TÉCNICA INICIAL DIRECIONADA ) Escolha Adequada dos Sensores de Medição Opções Corretas dos Atuadores Funcionais Desenvolvimento Adequado das Modelagens de Controle Funcional & seus Regimes Op. Projeto &/ou Escolha do(s) Controlador(es) para as Modelagens & Critérios de Controle Op. Avaliação Correta do Projeto por Simulações & Jigas de Testes dos Sistemas Controle Op. Repetições das Simulações & Testes, no caso de Resultados Iniciais Não Satisfatórios Padronização Técnica dos Níveis de Exatidão, Precisão & dos Índices E. P. Q. C. D. C-B.

PROJETOS Hierarquia de Soluções

► Industrial Processing Systems ( Ind. PCs ) Atualmente, Existem Variadas Soluções Técnicas Hierárquicas Funcionais Oferecidas no Mercado para Projetos de Controle & Automação Op. de Processos que Usam Instrumentação Industrial, Modos Op., Calibrações, Ajustes, Certificações, Comissionamentos & Upgradings como Núcleos de Controle Técnico Funcional Produtivo : ► Industrial Processing Systems ( Ind. PCs ) ► Programmable Automation CTRL. ( PACs ) ► Programmable Logic Controllers ( PLCs ) ► Chip Set / ASIC / FPGA / CPLD I.C.s ► Microcontroller I.C.s ( M.C.U.s ou μCt’s ) ► Digital Signal Processors ( DSPs ) ► Analog Discrete Controllers ( ADCs )

Desenvolvimento & Implementação de Projetos Embarcados ou Fixos a partir de Circuitos Eletroeletrônicos SEM Projeto Específico de Dispositivos Op. de Set Hardware COM Projeto Específico de Dispositivos Op. de Set Hardware Dispositivos Projetados & Fabricados sob Encomenda ASIC ( Gate-Arrays / Std. Cells ) S . P . Info.’s ( PCs, PACs & CLPs ) Sistemas Dedicados Programáveis ( μCT’s / DSPs ) CTRL Chip Sets Dispositivos Controle Personalizáveis ( FPGAs / CPLDs ) Maior Dedicação Op., Menor Pd(W), Maior Sigilo de Projeto, Maiores Custos Diminuição da Complexidade de Projeto, Maiores Fops 15

Principais Fabricantes Mundiais de C. I.s μCT’s APM Analog Devices ARM Atmel Broadcom Cypress MicroSystems Dust Networks Freescale Semiconductor Fujitsu Holtek Infineon Intel Microchip Technology Microsemi National Semiconductor NXP NEC Nuvoton On Semiconductor Parallax Inc. Renesas Tech. Corp. Samsung Silicon Laboratories STMicroelectronics Texas Instruments Toshiba Triad Semiconductor Western Design Center ZiLOG Principais Fabricantes Mundiais de C. I.s μCT’s para Mais Diversas Soluções & Aplicações Op.

C. I.s μCT’s ATMEL© Exemplos de Encapsulamentos

Exemplos de Aplicações Funcionais Aplicações Automotivas Gerenciamento Energia Acesso Op. & Multimeios Rede Controle Op. Controle de Funções Motorização & Combustível Residências & Edifícios Vigilância & Segurança Proteção contra Incêndios Recursos para Conforto Energia Sustentável Refrigeração Cozinha Piscina & Limpeza Motorizações Internet, LANs & Multimeios Automação Industrial HMIs & Painéis Op. PACs, PLCs & Módulos I/O Sensoriamento & Medição Instrumentação & Controle Comunicação Industrial Aplicações Cirúrgicas, Médicas, Diagnósticos & Saúde Sistemas de Ignição & Controle de Iluminação Eletrônica Móvel Cell Mobiles & Smartphones Notepads, Tablets & Notebooks Camcoders, Game Consoles Portable Audio Players Net Devices & Peripherals I/O Devices Mass Storage Devices Processing Op. Accessories I. T. Net Comm. & Telecomm. Exemplos de Aplicações Funcionais Smart Energy Medidores de Energia, Água & Gás Equipamentos de Proteção & Manobra Concentradores de Funções Equipamentos & Dispositivos PoE Eletrônica Industrial & Potência

Efficient Energy Power Supply Solutions • Periféricos ( Printers, Game Consoles, ... ) • Solid State Lighting ( LEDs ) • Digital Flat TVs • PCs, Notebooks, Tablets, Pads, Smartphones, ...

Efficient Energy Power Supply Solutions

650 Wrms Power Supply ( ≥ 85% Efficient )

μCT’s Arquiteturas Funcionas

Inúmeras Opções das Arquiteturas Funcionais dos C. I.s μCT’s Ofertadas aos Mercados dos Projetos & Aplicações Baseiam-se nas Soluções “HARVARD” & “Von NEUMANN” & seus Códigos Programáveis R. I. S. C., C. I. S. C. & C.R.I.S.C., Implementando-se Diversificadas Vertentes de Melhoramentos Técnicos nas Estruturas Op. de Hardware &/ou Firmware para Processamentos Seqüenciais &/ou Paralelos das Traduções, Montagens, Compilações, Inter-Relações Op., Interpretações, Correções, Endereçamentos, Temporizações, Execuções, Otimizações, Upgradings, Configurações, Interfaceamentos, Transferências &/ou Armazenamentos dos Sinais E. E., Codificações & Bases de Dados Op.

μCT’s Von Neumann x Harvard

▲ Único Bus para Buscar de Instruções na Arquitetura Op. Von Neumann ( Princeton ) ▲ Único Bus para Buscar de Instruções na Memória de Programa & Também para Acessar, Escrever ou Ler Conteúdos Op. nas Estruturas da Memória de Dados ; ▲ Arquitetura Serial Desenvolvida para Operar Conjuntos Complexos de Códigos de Instruções com Tempos de Execução que Ocupam de 1 a Vários Ciclos de Clock ; ▲ Considerada Mais Simples, com Menor No. de Componentes de Hardware na Formação Física dos CHIPs dos C. I.s μCT’s ;

Generic Op. Arch. Von Neumann

Intel© 8-bit MCS® 51 μCT Op. Family

Arquitetura Op. Harvard ( Aiken ) ▲ Barramentos de Sinais ( Buses ) com Larguras Diversas, Diferenciadas ou Não, Separados para Transporte de Instruções & Dados, para que suas Instruções Possuam Palavras Operacionais de Comprimento Único ; ▲ No. bits do Data Bus Dependente do No. Instruções do Main Set Code & No. Registradores Disponíveis ; ▲ Arquitetura Paralela Operando Códigos com Conjuntos Simples de Instruções ( Set Instruction Codes ), para Possibilitar Execuções de Seqüências Op. de Muitas Instruções, sendo 1 Instrução por Ciclo de Clock ; ▲ Altas Taxas de Processamento Funcional ; ▲ Necessita de Muito Mais Linhas de Código para Execução de 1 Mesma Tarefa Op. quando Comparada com 1 C. I. μCT da Arquitetura Op. Von Neumann ;

Generic Op. Arch. Harvard

μCT I. C. Generic Harvard Op. Arch. Arquitetura Interna para Tráfego de Sinais Funcionais &/ou Conteúdos Lógicos

Texas© MSP430F1695  μCT

ROM MEMO. TECH.’s C. I.s FLASH EPROM OTP Mask ROM E2PROM Programming Adapters UVEPROM C. I.s FLASH EPROM

DATA MEMO --- Hierarquia Op. RAM MEMO TECH.’s DATA MEMO --- Hierarquia Op. μCT &/or μP IC’s Op. CORE(s) D A T & S I G N L S F R’s R E G.’s SDRAM 3 GB LPDDR3 L1 C A H E L2 L3 Internal RAM DRAM 256 MB DDR2 Buffers E X T E R N A L R A M TECH. A P P L I C A T I O N S M E M O T E C H.’s SDRAM 4 GB LPDDR4 RAM 1 MB

NOR & NAND FLASH MEMO. TECH.’s NOR FLASH NAND FLASH e·MMC NAND Flash

C. P. U.s M. C. U.s Functional Set Coeis

S. I. S. C. Specific Instruction Set Code R. I. S. C. Reduced Instruction Set Code C. I. S. C. Complex Instruction Set Code C. R. I. S. C. Complex - Reduced Instruction Set Code

R. I. S. C. C. I. S. C. Múltiplos Conjuntos de Registradores ( Grande No. de Registradores ) Conjunto Simples de Registradores ( No. Reduzido de Registradores ) Até 3 Operandos de Registradores por Instrução Op. Executada 1 ou 2 Operandos de Registradores por Instrução Op. Executada Instruções de 1 Ciclo Op. Instruções de Múltiplos Ciclos Op. Controle Op. Embutido no Hardware Controle Op. Pré-Programado Alto Processamento Paralelizado Baixo Processamento Paralelizado Menos Instruções Op. Simplificadas Códigos Básicos para Aplicações Mais Instruções Op. Complexas Códigos de Aplicações + Sofisticados Instruções Op. com Dimensões Fixas Instruções Op. de Várias Dimensões Compiladores Mais Complexos Códigos Op. Mais Complexos Apenas 2 Tipos de Instruções Op. para Acessar Memórias Vários Tipos de Instruções Op. para Acessar Memórias Poucos Modos de Endereçamento Op. Vários Modos de Endereçamento Op. Instruções Op. com Espaçamentos Fixos, Executadas em Tempos Iguais Instruções Op. com Espaçamentos Variáveis, Executadas em Tempos ≠

C. I.s μCT’s Também São Implementados com Conjuntos Híbridos de I-Set Codes ( C.R.I.S.C. ) Formados por Bases Op. de Instruções C.I.S.C. Tecnicamente Reforçadas por Determinadas Instruções Adicionais R.I.S.C. para Execução de Seqüências Op. de Eventos Conjugados, em Modos Paralelos &/ou Seriais, Visando Atender Consultas, Acessos, Leituras & Processos das Estruturas de Memória, Caches & Pipelines Provindas de seus Modos de Transferência & Armazenamento de Sinais E. E. & Dados para Atendimento Adequado das Tarefas Propostas por Aplicações Técnicas a Serem Executadas ;

C. P. U.s M. C. U.s Op. Tech. Overview

Tipos Funcionais Arquiteturas Físicas Op. Conjuntos Instruções μP / μCT / Sys-on-CHIP / SmartCell Arquiteturas Físicas Op. Harvard - Harvard Modificado Von Neumann - Dataflow Comparativa Funcional Conjuntos Instruções SISC - CISC - EDGE - EPIC – MISC - OISC - RISC - VLIW - CRISC – ZISC Dimensões Técnicas Palavras Op. 1-bit ; 4 ; 8 ; 9 ; 10 ; 12 ; 15 ; 16 ; 18 ; 22 ; 24 ; 25 ; 26 ; 27 ; 31 ; 32 ; 33 ; 34 ; 36 ; 39 ; 40 ; 48 ; 50 ; 60 ; 64 ; 128 ; 256-bits & Tamanhos Variáveis Estágios Funcionais Pipelining Instruction Pipelining In-Order & Out-of-Order Execution Branch Predictor Níveis Técnicos Paralelismo Op. Bit Level Instruction (Scalar & Superescalar) Data (Vetor) & Task Mode

I – Threads Tipos Operacionais Principais Taxonomia Flynn Componentes Multi-Threading Simultaneous Multi-Threading Hyper-Threading Super-Threading Taxonomia Flynn SISD - SIMD - MISD - MIMD - SPMD Principais Componentes Técnicos Funcionais U.L.A. - I. U. - F.P.U. - Barrel Shifter F.S.B. – B.S.B. – L.S.B. - Mux / Demux Registradores ( I-Reg.’s & F-Reg.’s) M.C.M.U. – Cache Levels Translation Lookaside Buffer - TLB Unidade de Controle Op. Clock Fop Generator &/ou P.L.L. Microcodes & Op. Firmware Gerenciamento de Energia APM – ACPI – EnergyStar – 80Plus Dynamic V &/ou Fop Scaling Clock Op. Gating