Marco Antônio Ribeiro

498 Pages·2001·10.85 MB·Portuguese

by  Marco Antonio Ribeiro

Automação
Industrial

4a edição

Marco Antônio Ribeiro
Automação Industrial

4a edição

Marco Antônio Ribeiro

Dedicado a Ivan Alfredo Ivanovs, meu sócio, meu amigo e que conhece mais do que
eu este assunto

Quem pensa claramente e domina a fundo aquilo de que fala, exprime-se claramente e
de modo compreensível. Quem se exprime de modo obscuro e pretensioso mostra logo que
não entende muito bem o assunto em questão ou então, que tem razão para evitar falar
claramente (Rosa Luxemburg)

© 1997, 1998, 1999, Tek Treinamento & Consultoria Ltda
Salvador, Outono 1999
1.1
Prefácio

O presente trabalho foi escrito como suporte de um curso ministrado a engenheiros e técnicos ligados, de
algum modo à automação industrial. Ele enfoca os aspectos de equipamentos e programas associados à
automação.
O trabalho é dividido basicamente em três grandes assuntos:
Fundamentos
Tecnologias
Controle e Alarme do Processo
Na primeira parte, é apresentado o capítulo de Automação. A seguir são vistos as definições, símbolos e
características de chaves manuais e automáticas, relés e solenóides, temporizadores, contadores e dispositivos
de segurança, no capítulo Componentes Eletromecânicos. O terceiro capítulo, Símbolos Lógicos, baseia-se
na norma ISA S5.2 e são apresentados os símbolos, equações, circuitos e conceitos básicos das portas lógicas.
Encerrando esta primeira parte, são apresentados os componentes, desenvolvimento e análise da
Programação de Sistemas Digitais, baseada na norma IEC 1131-1. São vistas as duas programações
gráficas: o Diagrama Ladder, representação básica para circuitos de automação com relés e de Controlador
Lógico Programável e o Diagrama de Blocos de Função, que são atualmente aplicados em sistemas onde o
diagrama ladder é pobre e insuficiente.
Na segunda parte do trabalho e no capítulo de Tecnologias são apresentados os principais conceitos
relacionados com a Instrumentação Inteligente, incluindo controladores single loop e transmissores digitais e
mostrando as características da instrumentação virtual ou de software. No capítulo sobre Computador no
Processo, são apresentadas as aplicações comuns do computador na automação, incluindo configurações
clássicas, como a arquitetura do Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD). No próximo capítulo, são
apresentados os conceitos, diagrama de blocos, componentes do Controlador Lógico Programável (CLP),
sistema básico para realizar a automação de processos. É apresentada a filosofia do Controle Supervisório e
Aquisição de Dados (SCADA). Finalmente, é apresentado o capítulo de Integração de Sistemas, dando
ênfase aos conceitos de redes de computadores protocolos, interfaces, comunicação de dados e Base de
Dados, que é o capitulo final da seção.
Na terceira parte do trabalho, há o capítulo de Controle de Processo, onde são apresentados os conceitos
básicos do controle convencional analógico, baseado no algoritmo PID e na estratégia de realimentação
negativa e os conceitos de Controle Lógico, onde são mostradas as diferenças entre este e o controle contínuo.
É apresentado um capítulo sobre Controle Batelada, que possui conceitos próprios e onde a automação é
muito aplicada. Há ainda o capítulo de Alarme e Intertravamento de Processo e outro capítulo sobre
Anunciador de Alarme. Finalmente, há um capítulo sobre Operação de Processo.
O trabalho está continuamente sendo revisto, quando são melhorados os desenhos, editadas figuras
melhores, atribuídos os créditos a todas as fotografias usadas e alterada a terminologia para atender as revisões
de normas aplicáveis.
Sugestões e críticas destrutivas são benvidas, no endereço do autor: Rua Carmen Miranda 52, A 903, CEP
41820-230, Fone (0xx71) 452-3195 e Fax (0xx71) 452-3058, celular [phone] e ou no e-mail:
[email protected].

Marco Antônio Ribeiro
Salvador, BA, outono 2001

1.2
Autor

Marco Antônio Ribeiro nasceu em Araxá, MG, no dia 27 de maio de 1943.
Formou-se pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), em Engenharia
Eletrônica, em 1969.
Entre 1973 e 1986, trabalhou na Foxboro, onde fez vários cursos nos Estados
Unidos (Foxboro, MA e Houston, TX) e em Buenos Aires, Argentina.
*
Desde 1987, dirige a Tek ( )Treinamento e Consultoria Ltda., firma pequeníssima
voltada para treinamento na área de Instrumentação, Controle de Processo, Medição
de Vazão, Cálculo de Incerteza na Medição, Metrologia Industrial, Instalações
Elétricas em Áreas Classificadas. É certamente difícil ser um especialista
competente em numerosos assuntos tão ecléticos, porém ele se esforça
continuamente em sê-lo.
Gosta de xadrez, corrida, fotografia, música de Beethoven, leitura, trabalho, curtir
os filhos e a vida.
Já correu três maratonas, a melhor em 3 h 13 m 11 s e a pior em 3 h, 28 m 30 s.
Diariamente corre entre 8 e 12 km, às margens do oceano Atlântico. Semanalmente
participa de torneios de xadrez relâmpago e nas horas de taxa telefônica reduzida,
joga xadrez através da Internet. Possivelmente, é o melhor jogador de xadrez entre
os corredores e o melhor corredor entre os jogadores de xadrez, o que realmente
não é grande coisa e também não contribui nada para a Automação Industrial.

(*) Tekinfim (Tek) foi seu apelido no ITA, pois só conseguiu entrar lá na terceira tentativa. Mas o que conta é que
entrou e saiu engenheiro. O que foi um grande feito para um bóia fria do interior de Minas Gerais.
1.3
Automação Industrial
Conteúdo

Prefácio

Autor

FUNDAMENTOS

Automação 3. Chaves Automáticas 5
3.1. Pressostato 5
1. Automação 1
3.2. Termostato 6
1.1. Conceito 1 3.3. Chave de Vazão 6
1.2. Automação e mão de obra 1 3.4. Chave de Nível 7
1.3. Automação e controle 2 3.5. Chave limite 7
1.4. Automação e eletrônica 2
4. Solenóide 8
2. Graus de Automação 3
4.1. Conceito 8
2.1. Ferramentas manuais 3 4.2. Seleção 8
2.2. Ferramentas acionadas 3 4.3. Tipos 9
2.3. Quantificação da energia 3
5. Relés 10
2.4. Controle programado 3
2.5. Controle realimentação negativa4 5.1. Definição e Funções 10
2.6. Controle da máquina com cálculo4 5.2. Características 10
2.7. Controle lógico da máquina 4 5.3. Aplicações 11
2.8. Controle Adaptativo 4 5.4. Tipos de Relés 11
2.9. Controle indutivo 4 5.5. Seleção de Relés 14
2.10. Máquina criativa 4
6. Temporizadores 14
2.11. Aprendendo pela máquina 5
6.1. Atraso para ligar 17
3. Sistemas de automação 5
6.2. Atraso para desligar 17
4. Conclusão 6
7. Contadores 18
Componentes Eletromecânicos 7.1. Contagem simples 19
7.2. Dois contadores 19
7.3. Número de peças . 19
Objetivos de Ensino 1
8. Proteção de Circuitos 20
1. Introdução 1
8.1. Fusível 20
2. Chave 2
8.2. Disjuntor (Circuit Breaker) 22
2.1. Conceito 2
2.2. Pólos e Terminais 3
2.3. Chave Liga-Desliga 3
2.4. Chave Botoeira 4
2.5. Chave Seletora 4
2.6. Critérios de Seleção 5
1.1
Automação Industrial
5.5. Diagrama lógico 22
Símbolos e Identificação 5.6. Aplicações das portas 23
6. Conclusão 31
1. Introdução 1
Linguagens de Programação
2. Aplicações 1
3. Roteiro da identificação 1
1. Introdução 1
3.1. Geral 1
2. Ferramentas auxiliares 2
3.2. Número de tag típico 1
3.3. Identificação funcional 2 3. Linguagens Textuais 10
3.4. Identificação da malha 2
3.1. Elementos comuns 10
4. Simbologia de Instrumentos 3 3.2. Lista de Instruções 10
3.3. Linguagem de Texto Estruturado15
4.1. Parâmetros do Símbolo 3
4.2. Alimentação dos instrumentos 3 4. Linguagens Gráficas 17
4.3. Linhas entre os Instrumentos 6
4.1. Elementos comuns 17
4.4. Balão do Instrumento 6
5. Malha de controle 13 Diagrama Ladder
6. Sistemas completos 13
1. Introdução 1
7. Referências bibliográficas 16
2. Componentes 1
Símbolos Lógicos
3. Exemplo 1 2
4. Diagrama errado 2
1. Lógica 1
5. Exemplo 2 3
1.1. Conceito 1
1.2. Lógica de relé e programas 1 6. Desenvolvimento 4
1.3. Lógica Combinatória 1
7. Análise 5
1.4. Lógica CLP 1
2. Conceituação e Execução 2 8. Exemplos de Diagrama Ladder8
2.1. Tipos de documentos 2 8.1. Circuito de Alarme de Alta Pressão8
2.2. Documentos conceituais 3 8.2. Controle de Bomba e lâmpadas 9
8.3. Controle seqüencial de 3 motores10
3. Portas Lógicas 3
8.4. Controle temporizado de motores11
8.5. Controle seqüencial temporizado12
3.1. Porta OR 3
8.6. Controle de velocidade de motores13
3.2. Porta OR Exclusivo 4
8.7. Unidade de Aquecimento de Óleo15
3.3. Porta AND 5
8.8. Enchimento e Esvaziamento 16
3.4. Porta NOT 5
8.9. Enchimento com Duas Bombas 18
3.5. Porta NAND 6
8.10. Enchimento de garrafa: 19
3.6. Porta NOR 6
8.11. Sistema de Esteira 21
4. Exemplos lógicos 7
8.12. Sistema de Elevador 23
8.13. Enchimento de tanque 26
4.1. Circuito retentivo 7
8.14. Furadeira 27
4.2. Bomba de vácuo 9
4.3. Reator Químico de Batelada9
Diagrama de Blocos de Função
5. Cartas de função 9
5.1. Desenhos e Palavras 12 1. Definições
5.2. Conceito 12 1
5.3. Documentos de execução 21
2. Conceitos Básicos 5
5.4. ANSI/ISA S5.2 21
1.2
Automação Industrial
2.1. Geral 5 TECNOLOGIAS
2.2. Combinação de elementos 5
2.3. Ordem da avaliação do circuito5
2.4. Bloco de função 5
Instrumentação Inteligente
3. Blocos Funcionais Padrão 7
1. Instrumento microprocessado 1
AIN 7
Aritmética de Adição (ADD) 7 1.1. Conceito de microprocessador 1
Aritmética de Subtração (SUB) 7
1.2. Vantagens do microprocessador 3
Aritmética de Divisão (DIV) 7 1.3. Aplicações 5
Aritmética de Multiplicação (MUL)8
1.4. Conclusões 6
Comparador Diferente de (NE) 8
2. Controlador inteligente 6
Comparador Maior ou Igual (GE) 8
Comparador Menor ou Igual (LE) 8
2.1. Conceito 6
Contador Crescente (CTU) 8
2.2. Características 7
Contador Decrescente (CTD) 8
2.3. Controladores comerciais 8
Contador Crescente e Decrescente9
3. Transmissores inteligentes 11
Conversor DINT_TO_DWORD 9
Conversor DWORD_TO_DINT 9
3.1. Introdução 11
Conversor DINT_TO_REAL 9
3.2. Transmissor smart e inteligente 11
Detector de Borda de Descida 10
3.3. Terminologia 12
Detector de Borda de Subida 10
3.4. Propriedades e características 15
Flip Flop RS (R prioritário) 10
Flip Flop SR (S prioritário) 10 4. Instrumentação virtual 19
Lógica Ou (OR) 10
4.1. Definição 19
Lógica E (AND) 11
4.2. Passado e Tendências Futuras 19
Lógica Mover (MOVE) 11
4.3. Progressão de Normas 20
Lógica Não (NOT) 11
4.4. Partes do Sistema 21
Multiplexador (MUX) 11
PACK16 11
Computador no Processo
UNPACK16 12
Seletor de Sinais (SEL) 12
1. Justificativas 1
Temporizador (TMR) 12
Temporizador TOF 12
2. Aplicações típicas 2
Temporizador TON 13
Temporizador TP 13 2.1. Lógica 2
2.2. Controle Avançado 3
4. Blocos Personalizados 14
2.3. Monitoração de Alta Velocidade3
4.1. Parâmetros dos blocos 14 2.4. Partida e desligamento 4
4.2. Formação de TAG 14 2.5. Otimização do controle 4
4.3. Alarme/Desarme de ALTA 17
3. Configurações 5
4.4. Alarme/Desarme de BAIXA 18
4.5. Alarme/Desarme com By Pass de 3.1. Computador fora da linha 5
retorno automático 20 3.2. Computador com entrada em linha5
4.6. Alarme de ALTA com Seleção de 3.3. Computador com entrada e saída em
Set Point 21 linha 6
4.7. By Pass de Set Point 23 3.4. Computador centralizado 6
4.8. Contador 24 3.5. Aquisição de dados (data logging)6
4.9. Acionamento de MOV 25 3.6. Controle do ponto de ajuste 8
4.10 Desarme de BAIXA 26 3.7. Controle digital direto (DDC) 11
4.11. Desarme de ALTA 26
4.12. Rastreador de Alta 27
4.13. Rastreador de Baixa 27
4.14. Seletor de By Pass 29
4.15. TR_CALENDAR 29
1.3
Automação Industrial
3.4. Módulos de Entrada/Saída (E/S)15
4. Sistema de controle digital
3.5. Módulos de Comunicação 22
distribuído 13
3.6. Tensão, Corrente e Isolação 23
4.1. Filosofia 13 3.7. Periféricos 24
4.2. Interface com o processo 13
4. Manutenção do CLP 25
4.3. Interface com o controle 15
4.4. Interface com o operador 15 5. Mercado do CLP 26
4.5. Gerenciamento do controle 15
4.6. Sistema de comunicação 15 Controle Supervisório e
4.7. Vantagens e limitações do SDCD16
Aquisição de Dados (SCADA)
5. Computador no Processo
1. Aquisição de Dados 1
5.1. Introdução 16
5.2. Computador Digital 16
1.1 Introdução 1
5.3. Computador Digital e Analógico 17
1.2. Sistema de Aquisição de Dados1
5.4. Controlador Digital 18
1.3. Sensores 2
5.5. Como Computadores Controlam 19
1.4. Circuitos condicionadores 2
5.6. Tipos de Computadores Digitais 19
1.5. Multiplexação 5
5.7. Uso do Computador em Controle 20
1.6. Amostragem de dados 8
5.8. Operação do Computador Digital 20
1.7. Circuito sample e hold 8
6. Computador como Controlador 23 1.8. Conversor digital -analógico 9
1.9. Conversor analógico -digital 11
6.1. Introdução 23
6.2. Informação Requerida 23 2. Telemetria 13
6.3. Informação do Processo 25
2.1. Introdução 13
6.4. Circuitos de Interface 25
2.1. Conceito 13
6.5. Endereçamento E/S 28
2.2. Telemetria e aquisição de dados14
6.6. Processamento de Dados 29
2.3. Canais de Comunicação 15
6.7. Projeto do Computador 30
2.4. Modem 16
6.8. Programação do Computador 31
2.5. Transmissão por rádio freqüência18
7. Conclusões 32
3. Controle Supervisório do Sistema
de Aquisição de Dados 19
Controlador Lógico Programável
3.1. Introdução 19
3.2. Equipamento (Hardware) 19
Objetivos de Ensino 1
3.3. Programa Aplicativo (Software) 20
1. Introdução 1
4. InTouch 20
1.1. Definição 1
4.1. Propriedades 20
1.2. Terminologia 1
4.2. Características Especiais 22
1.3. Histórico 1
4.3. Outros Benefícios 25
1.4. Evolução 2
4.5. Operação 27
2. Comparação com outros sistemas 4.6. Redes de controle 34
2.1. Lógica Fixa Eletrônica 3
Integração de Sistemas
2.2. Lógica com Relés 3
2.3. Computador Pessoal 4
2.4. Vantagens do CLP 5 1. Rede de Computadores 1
2.5. Desvantagens do CLP 7
1.1. Introdução 1
2.6. CLP versus SDCD 8
1.2. Rede e Sistema Distribuído 1
3. Componentes do CLP 11 1.3. Objetivos da Rede 3
1.4. Parâmetros da rede 5
3.1. Unidade Processamento Central 12
1.5. Arquitetura da Rede 6
3.2. Memória 13
1.7. Modelo de Referência OSI 9
3.3. Unidades de Programação 13
1.4
Automação Industrial
2. Comunicação de dados 16
CONTROLE E
2.1. Introdução 16
2.2. Tipos de sinais 16
2.3. Meio físico 16 ALARME

2.4. Número de Canais 17
2.5. Movimento de Dados 17
2.6. Tempo e transmissão 18 Controle do Processo
2.7. Multiplexagem de Sinal 19
3.Protocolos e interfaces 19 Objetivos de Ensino 1
3.1. Conceitos 19 1. Controle Contínuo 1
3.2. Ethernet (IEEE 802.3) 21
1.1. Introdução 1
3.3. Protocolo HART 21
1.2. Malha aberta ou fechada 1
3.4 Fieldbus Foundation 24
1.3. Ações de Controle 2
3.5. Profibus Trade Organization 27
1.4. Fatores do Processo 6
3.6. WorldFIP 28
1.5. Fatores do Instrumento 8
3.7. ARCnet 29
1.6. Sintonia do Controlador 8
3.8. ControlNet 30
1.7. Controle Multivariável 10
4. Base de Dados (Database) 32 1.8. Conclusão 12
4.1. Introdução 32 2. Controle Lógico 13
4.2. Bases de dados tradicionais 32
2.1. Conceito 13
4.3. Aplicações de RDBs 33
2.2. Controle de processo discreto 13
4.4. Estrutura da RDB 35
2.3. Características do sistema 14
4.5. Interação com base de dados 36
2.4. Variáveis de estado discreto 15
4.6. Partes componentes da RDB 36
2.5. Especificações do processo 16
4.7. Importância das ferramentas 37
2.6. Seqüência de eventos 17
4.8. Explosão da base de dados 38
2.7. Fluxograma da seqüência 18
5. Integração de Sistemas 42
Controle Batelada
5.1. Cenário da planta 42
5.2. Conceito de Integração 42
5.3. Pirâmide da interoperabilidade 43 Objetivos 1
5.4. Parâmetros da integração 43
1. História da Batelada 1
5.5. Como integrar 45
1.1. Origem do Controle Batelada 1
1.2. Funções de controle da batelada 3
1.3. Controle manual direto 3
1.4. Controle Regulatório 3
1.5. Intertravamentos de segurança 4
1.6. Sequenciamento 4
1.7. Gerenciamento da Batelada 4
1.8. Planejamento 5
1.9. Equipamentos 5
1.10. Conclusão 11
2. Gerenciamento da Batelada 11
2.1. Introdução 11
2.2. Exigências 11
2.3. Funções Automáticas 12
3. Controle da Batelada 19
1.5
Automação Industrial
3.1. Introdução 19 Anunciador de Alarme
3.2. Batelada seqüencial temporizado19
3.3. Controle acionado por eventos 20
Objetivos 1
4. Automação da Batelada 20
1. Conceito 1
4.1. Introdução 20
2. História e Desenvolvimento 2
4.2. Medição das variáveis 21
4.3. Instrumentação Modular 22 3. Seqüências do Anunciador 3
4.4. Controle de Batelada 23
3.1. Tipos de Seqüência 7
4.5. Característica da Instrumentação24
3.2. Condições 7
4.6. Características desejáveis 25
3.3. ISA RP 18.1 (1965) 7
4.7. Segurança 27
3.4. ISA S18.1 (1984) 7
4.8. Complicações 28
4.9. Instruções de Operação 29 4. Designação da Seqüência 9
4.1. Letra de Seqüência Básica 9
Alarme e Intertravamento
4.2. Designação do número de opção10
4.3. First out 11
1. Terminologia 1
5. Descrição da Seqüência 20
2. Segurança da Planta 8
5.1. Seqüência A, Reset Automático20
2.1. Projeto da planta 8 5.2. Seqüência M, Reset Manual 20
2.2. Medição e Controle 8 5.3. Seqüência R, Ringback 21
2.3. Alarme do processo 9 5.4. Seqüência First Out 21
2.4. Desligamento de emergência 9 5.5. Seqüência com Teste 22
2.4. Monitoração do fogo e gás 9
6. Arranjos do Anunciador 23
3. Tecnologias do Sistema 10
6.1. Anunciador com Lógica Integral23
3.1. Tecnologias disponíveis 10 6.2. Anunciador remoto 23
3.2. Escolha do Sistema 10
7. Operação 24
4. Alarme do Processo 12
7.1. Display Visual 25
4.1. Introdução 12 7.2. Dispositivos sonoros 27
4.2. Componentes 12 7.3. Botoeiras 27
4.3. Prioridade de alarmes 13 7.4. Circuitos Lógicos 28
4.4. Realização do Alarme 13 7.5. Características Opcionais 30
7.6. Saídas auxiliares 34
5. Intertravamento do Processo 16
7.7. Sistemas de Alimentação 36
5.1. Conceito 16 7.8. Testes de Fábrica 37
5.2. Tipos de Falhas 17
8. Outros Sistemas 38
5.3. Análise do Intertravamento 18
5.4. Segurança da malha de controle19 8.1. Alarme discreto 38
5.5. Projeto do Intertravamento 20 8.1. Enunciador 39
5.6. Filtrando os alarmes 24 8.2. Registrador de Eventos 39
5.7. Circuitos de Intertravamentos 25 8.3. Monitor Específico 40
5.8. Sistema de Votação 28 8.4. Alarmes por Computado 40
5.9. Falhas no Sistema 31 8.5. Painéis de alarme 42
5.10. Sistema de Falha Segura 42
9. Tendências 43
6. Alarme e Cores 44
9.1. Tecnologias rivais 43
6.1. Introdução 44 9.2. Anunciador isolado 43
6.2. Código de cores 44 9.3. Anunciador distribuído 44
6.3. Transmissão e projeção de cores45 9.4. Software baseado em PC 44
9.5. Estampando data e hora 44
1.6