UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBACENTRO DE ENERGIAS ALTERNATIVAS E RENOVÁVEIS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
SISTEMAS DE EVENTOS DISCRETOSAvaliação 1
Thommas Kevin Sales Flores
João Soares Farias Neto
Samile Graciely Ramos Leite
João Pessoa
2018
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Imagem do sistema proposto................................................................................6
Figura 2 – Bancada da experimental da WEG.......................................................................7
Figura 3 - Esteiras didáticas..................................................................................................7
Figura 4 - Bancada didática com reservatórios, bomba, sensores, válvula e indicadores
luminosos...............................................................................................................................8
Figura 5 – Placa de condicionamento elétrico e placa de aquisição de dados......................9
Figura 6 – Diagrama de estados e eventos 1......................................................................13
Figura 7– Diagrama de estados e eventos 2.......................................................................14
Figura 8 – Código em linguagem LADDER parte 1.............................................................15
Figura 9 – Código em linguagem LADDER parte 2............................................................16
Figura 10 – Código em linguagem LADDER parte 3...........................................................17
Figura 11 – Código em linguagem LADDER parte 4...........................................................18
Figura 12 – Código em linguagem LADDER parte 5...........................................................18
Figura 13 - Visão geral da montagem em laboratório..........................................................20
Figura 14 - Bloco de programação Labview........................................................................21
Figura 15 - Sinótico do supervisório....................................................................................22
Figura 16 - Curva dos eventos e estados obtida no experimento........................................23
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Tabela de eventos..............................................................................................11
Tabela 2 – Tabela de eventos.............................................................................................12
Tabela 3 – Relação entre código LADDER e entradas físicas............................................14
Tabela 4 – Relação entre código LADDER e saídas físicas................................................15
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SUMÁRIO
1 OBJETIVO.......................................................................................................................5
2 DESCRIÇÃO DO PROBLEMA........................................................................................6
3 MATERIAIS E MÉTODOS..............................................................................................7
4 DESENVOLVIMENTO DAS QUESTÕES.......................................................................9
4.1 QUESTÃO 01...........................................................................................................9
4.2 QUESTÃO 2...........................................................................................................12
4.3 QUESTÃO 3...........................................................................................................14
4.4 QUESTÃO 4...........................................................................................................19
4.5 QUESTÃO 5...........................................................................................................20
5 CONCLUSÃO................................................................................................................23
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1 OBJETIVO
Nesta avaliação deverão ser aplicados conhecimentos sobre eventos e estados de um
sistema discreto, implementação de um sistema utilizando o controlador lógico
programável TPW03, bem como o desenvolvimento do supervisório para monitoramento
dos estados através do LABVIEW, a placa de condicionamento e o hardware de aquisição
de dados da família USB NI 6000. A performance do sistema deverá ser avaliada.
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2 DESCRIÇÃO DO PROBLEMA
O sistema proposto, visa emular um processo industrial onde há duas esteiras,
sensores do tipo fim de curso, dois reservatórios, uma bomba d’agua, sensor de nível,
válvula solenoide. lâmpadas de sinalização e botões, conforme ilustrado na Figura 1.
Figura 1 - Imagem do sistema proposto.
O sistema é composto por duas esteiras inicialmente desligadas que podem
suportar até 3 peças de forma aleatória. Ao receber um sinal pulsado, ambas começam a
funcionar simultaneamente iniciando o primeiro ciclo de operação. Cada esteira possui um
sensor para detectar a presença das peças, que quando detectadas, acionam o comando
para desligar as esteiras.
No momento em que as duas peças são retiradas das esteiras, um pulso elétrico
ativa um contator de 10 segundos que posteriormente, ativa a bomba hidráulica
transportando toda a água do tanque inferior para o tanque superior, até o instante em que
o sensor de nível é acionado desligando a bomba hidráulica. Após o sensor de nível ser
acionado e a bomba desligada, a válvula solenoide é ativada, transportando a água do
tanque superior para o tanque inferior por um período de 120 segundos.
Ao final do período de 120 segundos, uma lâmpada é ligada sinalizando o início do
próximo turno do processo por mais dois ciclos, finalizando todo o processo desligando o
sistema. Existe um botão de verificação do processo, onde é possível executar uma pausa
no sistema para eventuais manutenções e retornar o ciclo de onde foi pausado.
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3 MATERIAIS E MÉTODOS
Para a realização deste experimento, foi usado a bancada didática da WEG, a qual
contém um Controlador Lógico Programável (CLP) do modelo TPW03 40HR-A (Figura 3),
duas esteiras didáticas (Figura 4), bancada didática que contém: reservatório de água,
sensor de nível, válvula solenoide e indicadores luminosos.
Figura 2 – Bancada da experimental da WEG.
Figura 3 - Esteiras didáticas.
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Figura 4 - Bancada didática com reservatórios, bomba, sensores, válvula e indicadores
luminosos.
Para fazer a aquisição de dados da planta, usou-se um computador, uma placa de
aquisição de dados da National Instruments do modelo NI USB-6009 e uma placa de
condicionamento elétrico, onde os sinais advindos do CLP de 24V são reduzidos para 5V,
ou seja, compatível com a placa de aquisição de dados. Estes equipamentos estão
ilustrados na Figura 5, onde o objeto a esquerda é a placa de condicionamento elétrico e a
direita a placa de aquisição de dados.
Figura 5 – Placa de condicionamento elétrico e placa de aquisição de dados.
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4 DESENVOLVIMENTO DAS QUESTÕES
Nesta seção, serão explicitados as questões propostas e o modo com o qual foi
chegado aos resultados.
4.1 QUESTÃO 01
Definir os eventos e estados do sistema, justificando suas definições.
Pode-se definir como evento tudo aquilo que seja capaz de mudar o estado da
variável do processo. Dessa forma, a lista a baixo elucida a consequência de cada um
desses eventos.
Pressionar o botão iniciar (Q1): Este botão coloca todo o sistema em funcionamento, ou
seja, aciona o motor das esteiras e habilita os sensores ao longo da planta.
Ligar motor da esteira 1: muda o estado do motor da esteira de desligado para ligado,
fazendo com que as peças que são colocadas na esteira cheguem até os sensores.
Ligar motor da esteira 2: muda o estado do motor da esteira de desligado para ligado,
fazendo com que as peças que são colocadas na esteira cheguem até os sensores.
Peça detectada no sensor da esteira 1: quando este evento ocorre, o motor da esteira 1
é desligado e o contador de peça incrementa uma vez.
Peça detectada no sensor da esteira 2: quando este evento ocorre, o motor da esteira 2
é desligado e o contador de peça incrementa uma vez.
Peça retirada da esteira 1: quando a peça é retirada e houver peça na outra esteira que
não foi retirada, esta voltará a funcionar, caso contrário, ela parará e iniciará uma
contagem de 10 segundos.
Peça retirada da esteira 2: quando a peça é retirada e houver peça na outra esteira que
não foi retirada, esta voltará a funcionar, caso contrário, ela parará e iniciará uma
contagem de 10 segundos.
Acionar bomba do reservatório inferior: Este evento fará com que a água armazenada
no reservatório inferior seja transportada através de um ducto para o reservatório superior.
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Nível máximo no reservatório superior: O sensor de nível localizado na parte superior
deste reservatório, detectará este evento, pois o sensor funciona como uma chave, que ela
esse sinal de ligado, quando detectado o nível máximo e desligado caso contrário.
Abrir válvula: Quando o nível máximo é detectado, mudará o estado da válvula, cujo o
estado é normalmente fechado para aberto por 120 segundos, fazendo com que o líquido
armazenado no reservatório superior seja escorrido ao reservatório inferior.
Ligar lâmpada 1: A mudança de estado deste sinalizador luminoso, indica que os 120
segundos de válvula aberta se encerraram, fechando a válvula, zerando os valores
armazenados nos contadores de peças e reinicia um novo ciclo.
Ligar lâmpada 2: A mudança de estado deste sinalizador luminoso, indica que os 120
segundos de válvula aberta se encerraram, fechando a válvula, zerando os valores
armazenados nos contadores de peças e reinicia um novo ciclo.
Ligar lâmpada 3: A mudança de estado deste sinalizador luminoso, indica que os 120
segundos de válvula aberta se encerraram, desta forma, zera-se todos os valores
armazenados dos contadores e temporizadores, espera 5 segundos e desliga todo o
sistema
Pressionar botão de pausar (Q2): Este botão pausa o sistema, ou seja, tudo que estava
sendo executado muda seu estado para o estado em que o sistema se encontraria
desligado, por exemplo: bomba ligada para bomba desligada, válvula aberta para válvula
fechada.
Pressionar botão de zerar todo o sistema (Q6): Este botão muda o estado de todos os
elementos presentes no sistema para o estado inicial, ele também zera todos os valores de
contadores e temporizadores.
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Em vista disto, para facilitar a visualização destes eventos, observe a Tabela 1, a
qual está listado cada um deles.
Tabela 1 - Tabela de eventos
EVENTOS
e1 Pressionar o botão iniciar (Q1)
e2 Ligar motor da esteira 1
e3 Ligar motor da esteira 2
e4 Peça detectada no sensor da esteira 1
e5 Peça detectada no sensor da esteira 2
e6 Peça retirada da esteira 1
e7 Peça retirada da esteira 2
e8 Acionar bomba do reservatório inferior
e9 Nível máximo no reservatório superior
e10 Abrir válvula
e11 Ligar lâmpada 1
e12 Ligar lâmpada 2
e13 Ligar lâmpada 3
e14 Pressionar botão de pausar (Q2)
e15 Pressionar botão de zerar todo o sistema (Q6)
Na teoria de Autômatos, o estado de um circuito lógico digital ou algoritmo, é um
termo técnico para todas as informações armazenadas em um determinado ponto no
tempo, para qual o circuito ou algoritmo tem acesso. Sendo assim, elementos como
motores, sensores de presença e sinalizadores luminosos podem assumir dois estados:
ligado ou desligado, já válvulas do tipo solenoide podem assumir dois estados também,
porém eles são: aberto e fechado.
Por outro lado, a capacidade de carga da esteira é um valor que pode ser
incrementado conforme a capacidade máxima, ou seja, podendo assumir valores de 0 até
o máximo comportado. Sendo assim, a Tabela 2 lista os estados de cada elemento
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presente no sistema estudado.
Tabela 2 – Tabela de eventos.
ELEMENTO ESTADO
Motor da esteira 1 s1 = {Ligado, Desligado}
Motor da esteira 2 s2 = {Ligado, Desligado}
Sensor fim de curso esteira 1 s3 = {Ligado, Desligado}
Sensor fim de curso esteira 2 s4 = {Ligado, Desligado}
Bomba s5 = {Ligado, Desligado}
Capacidade da caixa da esteira 1 s6 = {0, 1, 2 e 3}
Capacidade da caixa da esteira 2 s7 = {0, 1, 2 e 3}
Válvula s8 = {Aberta, Fechada}
Sensor de nível s9 = {Ligado, Desligado}
Lampada 1 s10 = {Ligado, Desligado}
Lampada 2 s11 = {Ligado, Desligado}
Lampada 3 s12 = {Ligado, Desligado}
4.2 QUESTÃO 2
Realizar o diagrama de estados em função dos acontecimentos dos eventos.
Neste tópico, será apresentado os diagramas de estado em função dos
acontecimentos dos eventos, este diagrama serve para mostrar o comportamento do
sistema mediante algum evento, ou seja, o efeito do evento nos diversos elementos que
compõe a planta estudada.
Na figura 7, está ilustrado a seguinte cadeia de eventos e suas devidas mudanças
de estados. Considere que no estado inicias os motores das esteiras estão desligados,
assim como a válvula 1 (V1 = 0), os sensores detectores de peças (S1 = 0 & S2 = 0), as
lâmpadas (L1 = 0 & L2 = 0 & L3 = 0), o sensor de nível (S3 = 0) e a bomba hidráulica (BH
= 0).
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Ao apertar o botão de ligar, será gerado um pulso o qual aciona o sistema e liga os
motores 1 e 2, estes só serão desligados quando os sensores fim de curso 1 e 2
detectarem algum objeto, como pode ser visualizado na figura abaixo.
Figura 6 – Diagrama de estados e eventos 1.
Na figura 8, está ilustrado a continuação da Figura 7, dessa forma, ao retirar as
peças da esteira 1 e 2, os sensores serão desligados e após 10 segundos o estado da
bomba será alterado para ligado, ficando assim até que o sensor de nível do tanque
superior seja acionado, mudando o estado para ligado.
Por conseguinte, a válvula solenoide é aberta por 120 segundos e ao final deste
tempo se fechará e ligará a primeira lâmpada, reiniciando assim o processo. Isto será
repetido 3 vezes e no ultimo todo o sistema será desligado e zerado todos os contadores e
temporizadores.
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Figura 7– Diagrama de estados e eventos 2.
4.3 QUESTÃO 3
Realizar e simular o diagrama LADDER do processo.
Nesta seção, será apresentado o código desenvolvido em linguagem LADDER e os
parâmetros descritos no problema foram utilizados como entradas e saídas. Para facilitar a
compressão, observe às Tabelas 3 e 4, a qual estão relacionados a terminologia usadas
no código LADDER às entradas e saídas da planta.
Tabela 3 – Relação entre código LADDER e entradas físicas.
LADDER Entradas FísicaX001 Botão de iniciar o sistemaX002 Botão de pausar o sistemaX006 Botão de parar o sistema X003 Sensor da esteira 1
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X004 Sensor da esteira 2X005 Sensor de nível do tanque superior
Tabela 4 – Relação entre código LADDER e saídas físicas.
LADDER Saídas FísicaY001 Motor da esteira 1Y002 Motor da esteira 2Y003 Bomba d’agua Y004 Válvula solenoideY005 Lâmpada 1Y006 Lâmpada 2Y007 Lâmpada 3
Em posse das informações contidas nas tabelas anteriores, podemos elucidar cada
linha do código desenvolvido.
Ao pressionar o botão de início (X001), ativa a memória 1 (M1) e fecha o selo, isto
garante a energização do sistema. Por sua vez, M1 liga os motores 1 (Y001) e 2 (Y002), os
contatos normalmente fechados X003, C100, Y004, X004 e C101 garantem que os
motores sejam desligado caso algum destes eventos ocorram: peça chegou na esteira, ou
seja, sensor da esteira 1 e 2 ativo (X003 e X004), contador de peça chegou no valor
máximo (C100 e C101) e caso a válvula solenoide esteja ativa (Y004).
Sendo assim, o sensor da esteira 1 (X003) e o da esteira 2 (X004) estão
configurados para que na borda de subida acionem as memoria M3 e M4, as quais servem
para informar ao sistema que alguma peça chegou e incremente os contadores C001 e
C002, responsáveis por contar o número máximo de peças.
Figura 8 – Código em linguagem LADDER parte 1.
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Na figura 10, quando as peças são retiradas das esteiras e o sistema está ligado, às
memórias M2, M3 e M1 são ativas, consequentemente ativando o contator T250, o qual
conta 10 segundos, ao fim da sua contagem, o sistema aciona a bomba (Y003).
Por conseguinte, quando o tanque superior chega ao volume máximo, o sensor de
nível (X005) é ativo, zerando o contador de 10 segundos (T250), as memorias M2 e M3, as
quais dizem que foi retirada alguma peça da esteira e ativa a memoria 10 (M10), cuja à
função é habilitar à saída para ativar a válvula solenoide (Y004) e ativar o temporizador de
120 segundos (T251). Note que M1 sempre está presente em série ao longo do processo,
isso garante que os eventos só ocorreram se o sistema estiver ativo.
Figura 9 – Código em linguagem LADDER parte 2.
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Na Figura 10, temos que quando for contado os 120 segundos do temporizador
T251, este resetará a memória M10, que por conseguinte desabilitará a alimentação para a
válvula solenoide, como também incrementa os contadores C102, C103 e C104, cujo os
valores da contagem servem para indicar em qual ciclo o processo está, eles contam 1, 2 e
3, respectivamente. Por fim, é resetado o temporizador de 120 segundos (T251).
Figura 10 – Código em linguagem LADDER parte 3.
Na Figura 11, temos os acionamentos das lâmpadas 1, 2 e 3 através dos
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contadores C102, C103 e C104, respectivamente. Dessa forma, quando os contadores de
ciclo (C102, C103 e C104) chegarem ao seu valor máximo, acionará as saídas (Y005,
Y006 e Y007) e resetará os contadores de peça C100 e C101, reiniciando um novo ciclo.
Já no último ciclo, há um contador de 5 segundos (T252) que desligará todo o sistema.
Figura 11 – Código em linguagem LADDER parte 4.
Na figura 12, há em paralelo o botão de zerar todo o sistema (X006) e o
temporizador de 5 segundos citado no parágrafo anterior (T252), estes são responsáveis
em zerar todos os contadores, temporizadores e memorias que há no código desenvolvido,
ou seja, fazendo com que o sistema volte ao seu estado inicial.
Figura 12 – Código em linguagem LADDER parte 5.
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4.4 QUESTÃO 4
Usando o item (3), implementar o processo de automação baseado em estados e
eventos discretos na bancada WEG e o CLP TPW03.
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A implementação deste processo, consiste em utilizar os elementos citados na
seção de 2, onde os diversos elementos foram conectados ao CLP presente na bancada
didática da WEG através de cabos tipo banana. Para fazer a aquisição de dados, foram
usados a placa de aquisição de dados NI USB-6009 e o circuito de condicionamento
elétrico, para reduzir as tensões do CLP para 5V.
Usando o computador presente no laboratório, foi possível transferir o código
LADDER desenvolvo vido no item 4.3 através da porta serial. Na Figura 13 está a
representação das conexões.
Figura 13 - Visão geral da montagem em laboratório.
O processo foi apresentado ao Professor Dr. Juan Moisés Maurício Villanueva na
manhã da sexta-feira (17/08/2018), este constatou que todos os requisitos exigidos nas
questões propostas foram atendidos. O sistema funcionou conforme o especificado na
seção 4.2, onde houve o estudo teórica dos eventos e estados do mesmo.
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4.5 QUESTÃO 5
Implementar o supervisório para o monitoramento dos estados usando LABVIEW, a
placa de condicionamento e a placa de aquisição de dados da família USB NI 6000.
Realizar o monitoramento no supervisório dos estados da Bomba (B1), dos Motores das
Esteiras 1 e 2 e da Válvula (V1). O monitoramento é no domínio do tempo em função dos
acontecimentos dos eventos.
Para implementar esta etapa da atividade, foi usado o software da National
Instruments, Labview, onde permite ao usuário elaborar supervisório, gerar gráficos e
sinóticos de sistemas.
Para realizar a aquisição de dados, usou-se a placa citada no item 2, cujo a
resolução de entrada é de 14 bits e a máxima taxa de amostragem é de 48 KS/s. Então,
usou-se 4 entradas analógicas com 100 S/s, configuradas com o referencial ao terra, são
elas: AI0, AI1, AI2 e AI3, as quais correspondem aos sinais advindo da placa de
condicionamento elétrico, que por conseguinte corresponde os valores do estado da
bomba, motor da esteira 1, motor da esteira 2 e válvula solenoide.
Além disso, foi usado os diversos elementos disponíveis no próprio software para
representar o sistema, como canos, tanques, barras, botões e gráficos. Na Figura 14 está
representado a programação em bloco, nota-se a presença do DAQ assistant (elemento
responsável por configurar as portas de entrada e saída), a caixa de Write to Measurement
File (bloco responsável por salvar os dados adquiridos em .xlsx).
Figura 14 - Bloco de programação Labview.
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Na Figura 15, temos a visão geral do supervisório, no canto direito está contido os
gráficos dos estados da bomba, motor da esteira 1, motor da esteira 2 e válvula solenoide.
Já no centro, está um gráfico que contém todos estes estados, dando um panorama dos
estados do sistema e por fim no canto esquerdo temos a visualização do sinótico do
sistema.
Figura 15 - Sinótico do supervisório.
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De posso do arquivo .xlsx, gerou-se o gráfico presente na Figura 16, onde nele a
está representado às mudanças de estados da bomba (curva cor azul), motor da esteira
1(curva cor rosa), motor da esteira 2 (curva cor laranja) e válvula (curva cor roxa).
Pode-se observar, que o sistema inicialmente está desligado, ou seja, os estados de
todos os elementos citados no parágrafo anterior estão desligado, após acionar o botão
iniciar, os estados do motores da esteira 1 e 2 são acionado (curvas rosa e laranja),
quando uma peça é detectada na esteira 1, esta muda o estado do motor de ligado (5V)
para desligado (0V), o mesmo ocorre com o motor da esteira 2.
Em seguida, é aguardado a contagem de 10 segundo e ao chegar ao seu final, a
bomba é ativada (curva cor azul), quando o reservatório superior chega ao limite máximo,
o sensor de nível é ativado, abrindo a válvula solenoide por 120 segundo (curva roxa). Por
fim, a válvula solenoide é fechada e os motores da esteira 1 e 2 são ligados novamente).
Figura 16 - Curva dos eventos e estados obtida no experimento
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5 CONCLUSÃO
Portanto, com a execução deste experimento, foi possível colocar em prática os
conhecimentos obtidos na disciplina e constatar o correto funcionamento daquilo que foi
proposto no item 2, pois aquilo que foi projetado nos itens 4.1 e 4.2. Sendo assim, ao
comparar às Figuras 6 e 7 com às Figuras 15 e 16, notou-se que elas possuem o mesmo
comportamento, ou seja, o sistema funcionou conforme o especificado.
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