Este artigo explica como implementar um circuito que permite ler até oito sinais analógicos de 4 a 20 mA na entrada digital de um CLP que não possui entradas analógicas. A solução apresentada possui excelente custo benefício.

Antes de apresentarmos o circuito, faremos algumas definições de base como segue.

O que são sinais analógicos

Um sinal analógico é qualquer sinal contínuo cuja variação no tempo representa a variação de uma grandeza física, fazendo assim uma analogia entre a grandeza e sua representação elétrica.IA2801 - Entrada analógica

Exemplo de grandezas físicas que podem ser representadas por sinais analógicos:

  • Temperatura;
  • Pressão;
  • Nível de um líquido ou reservatório.

Exemplo de sinais analógicos:

  • 0 a 10 V;
  • 4 a 20 mA.

Ou seja, podemos, por exemplo, definir que uma temperatura na faixa de 0 oC a 100 oC será representada por um sinal de 4 a 20 mA. Dessa forma, quando a temperatura for 0 oC o sinal terá 4 mA, quando a temperatura for 50 oC o sinal terá 12 mA e quando a temperatura for 100 oC o sinal analógico terá 20 mA.

IA2801 - Entrada analógica

Um exemplo de sensor de temperatura que opera nessa faixa é o PT100, e o circuito que produz o sinal de 4 a 20 mA é o transdutor de grandezas que converte o sinal do PT100 em sinal analógico.

O que é a entrada analógica do CLP

IA2801 - Entrada analógicaEntrada analógica de um CLP é a parte do circuito do CLP que lê um sinal analógico e o converte internamente em um valor binário que será armazenado em um ou mais bytes da memória do CLP. As entradas analógicas do CLP são especificadas pelo tipo de sinal (0 a 5 V, 0 a 10 V, 0 a 20 mA, 4 a 20 mA, PT100, termopar, etc.) As entradas analógicas também são especificadas pela sua resolução (8 bits, 10 bits, 12, bits, 16 bits). As entradas analógicas podem estar contidas na CPU principal ou em módulos de expansão.

Converta sinais analógicos 4 a 20 mA em pulsos para ler na entrada digital do CLP

O circuito a seguir consiste em um conversor multiplexado que permite adquirir 8 sinais analógicos de 4 a 20 mA em um sinal de pulsos para ser lido em uma entrada digital rápida de um CLP.

IA2820 - Esquemático

Descrição do funcionamento do conversor multiplexado de sinais analógicos

IA2820 - Entrada analógica

Condicionador de entrada – Cada sinal analógico de entrada é condicionado por este circuito. O termistor PTC funciona como um fusível rearmável que “abre” quando o sinal de 4 a 20 mA ultrapassa 50 mA, protegendo o circuito sensor. O diodo TVS protege contra sobre tensão. O resistor de 220 ohms é sensor de entrada e R9 e C1 funcionam como filtro passa baixa.

 

Chave analógica multiplexIA2820 - Entrada analógicaO circuito integrado CD4051 recebe os 8 sinais analógicos nas entradas X0 a X7 e repassa o sinal selecionado na saída X.

O sinal amostrado na saída X é aquele definido na seleção feita nas entradas A, B e C.

As entradas A, B e C são ligadas em saídas digitais do CLP.

 

Circuito amplificador  – Este circuito, formado por dois amplificadores operacionais do CI LM324, tem a função de amplificar e ajustar o ZERO (offset) do circuito.

IA2820 - Entrada analógicaConversor de tensão para pulsos – Esta parte do circuito tem a função de converter o sinal de 4 a 20 mA, previamente convertido em tensão, para pulsos. O ajuste de SPAN é feito no trimpot R39. O CI LM331 funciona como conversor de tensão para pulsos e o transistor BC327 converte o nível para pulsos em 24 VCC, adequado a entrada digital do CLP.

IA2820 - Entrada analógica

Lógica de funcionamento do conversor multiplex de sinais analógicos

O circuito é composto por uma chave analógica multiplex que seleciona uma entre 8 entradas analógicas. Esta seleção é feita nas três entradas SL0, SL1 e SL2. O canal selecionado fornece o sinal para o conversor de corrente para freqüência. O conversor de freqüência fornece na saída OUT um sinal pulsado de freqüência proporcional a corrente do canal selecionado. O sinal tem a amplitude da tensão de alimentação, normalmente 24V, e freqüência variando de 600Hz a 3000Hz. Na aplicação, o CLP deverá ser programado para selecionar sequencialmente os 8 canais, e contar os pulsos relativos a cada entrada analógica. Abaixo é mostrado o algoritmo sugerido.

  1. Canal = 0
  2. Aguarda 0,25 segundos
  3. Contador = 0
  4. Aguarda 0,25 segundos
  5. Leitura da Entrada (Canal) = (Contador – 250)
  6. Canal=Canal+1
  7. Se Canal > 7, então Canal = 0
  8. Volta para 2

Com o algoritmo acima, para cada entrada digital será lido um valor na faixa de 0 a 999, proporcional a corrente da entrada. E o ciclo total de varredura fica em 4 segundos.

Calibração do circuito

Siga o seguinte procedimento:

  1. Desligar as entradas SL0, SL1 e SL2
  2. Ligar a alimentação
  3. Ligar uma fonte de corrente à entrada EA0
  4. Ajustar a fonte de corrente para 20 mA
  5. Ajustar o trimpot SPAN para obter 3000 Hz na saída OUT
  6. Ajustar a fonte de corrente para 4 mA
  7. Ajustar o trimpot ZERO para obter 600 Hz na saída OUT
  8. Repetir os passos de 4 a 7 até completar a calibração

conversor analógico IA2820 constitui um conversor multiplexado de sinais. Tem a capacidade de converter até 8 sinais analógicos de corrente de 4 a 20mA gerando uma saída em pulsos, de frequência proporcional à entrada selecionada. Sua utilização destina-se às configurações de CLP que possuem entrada de contagem rápida, viabilizando aquisição de até 8 sinais analógicos por módulo IA2820 a um preço extremamente competitivo. Para cada entrada analógica, o módulo é dotado de conexão destacável com: 24V, Sinal e GND. Dessa forma, o módulo funciona também como borneira economizando espaço e tempo de montagem.

 


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Solução Elipse E3 monitora, em tempo real, um total de 31 estações remotas de saneamento, entre poços de captação, elevatórias de água tratada, captações, reservatórios e boosters no SAAE de Marechal Cândido Rondon (PR).

Necessidade do SAAE

O SAAE (Serviço Autônomo de Água e Esgoto) é uma autarquia municipal responsável por executar e explorar os serviços de água e esgoto no município de Marechal Cândido Rondon no Paraná. Para automatizar o sistema de abastecimento de água do município o SAAE decidiu utilizar o Elipse E3.

A grande facilidade com que permite realizar ajustes, melhorias e expansões foi o fator determinante para a escolha da solução desenvolvida pela Alfacomp utilizando o Elipse E3.

SAAE MCR - Telas do supervisório

Figura 1. Tela inicial da aplicação do E3 no SAAE

Solução buscada pelo SAAE

O E3 permite monitorar e executar comandos sobre as 31 unidades do sistema de abastecimento de água de Marechal Cândido Rondon. Para isto, disponibiliza uma tela destinada a cada unidade, na qual é possível supervisionar os níveis, vazões, pressões, tensões e correntes medidos e registrados pelos CLPs dos painéis de telemetria instalados em cada estação remota.

SAAE MCR - Telas do supervisórioFigura 2. Controle de uma das unidades que compõem a rede de abastecimento do SAAE

Na mesma tela, o E3 permite também acompanhar a condição de operação das moto bombas, informando, por exemplo, se há algum equipamento com defeito ou sob manutenção ou se a unidade já se encontra em operação naquele instante. Além disso, o software permite acompanhar ou resetar o período, em horas, de funcionamento das moto bombas.

Ainda relacionado às moto bombas, o E3 permite visualizar e ajustar as configurações padrões definidas para as suas tensões e correntes. As configurações padrões determinadas para as pressões com que as moto bombas bombeiam a água em cada unidade também podem ser monitoradas e ajustadas pelo software.

SAAE MCR - Telas do supervisório

Figura 3. Controle do funcionamento manual ou automático do poço de captação

O mesmo controle vale para as configurações dos níveis de água nos reservatórios, as quais podem ser ajustadas de forma que o sistema ligue ou desligue as moto bombas conforme seja necessário, contribuindo assim para garantir o abastecimento e redução de desperdícios. Neste contexto voltado ao uso mais racional de água e energia, o E3 também permite selecionar quais estações entrarão em funcionamento nos horários de ponta conforme a demanda.

SAAE MCR - Telas do supervisório

Figura 4. Tela que permite escolher quais estações serão acionadas nos horários de ponta

O E3 exibe ainda os níveis e volumes de água verificados no total e junto a cada reservatório, permitindo acessar as configurações padrões ajustáveis da altura da água em cada reservatório. As vazões mensuradas nas moto bombas localizadas entre os poços e reservatórios, tanto a total quanto a calculada por hora, também são monitoradas, assim como o tempo de varredura do sistema de automação em cada unidade.

SAAE MCR - Telas do supervisório

Figura 5. Controle do nível de água presente nos reservatórios

Por fim, a solução da Elipse permite emitir relatórios dos eventos, históricos e alarmes assinalados no período estipulado pelo usuário. Em relação aos alarmes, caso algum valor definido na configuração padrão não esteja sendo respeitado, por exemplo, haja uma subtensão muito abaixo da indicada, o E3 alerta os operadores via um sinal visual e sonoro.

Além dos relatórios, o software permite, que esta mesma análise de desempenho das unidades, seja realizada sob a forma de gráficos. Vale salientar que, tanto os relatórios quanto os gráficos podem ser exportados para PDF ou Excel, sendo instrumentos de extrema utilidade junto às auditorias de fiscalização.

SAAE MCR - Telas do supervisório

Figura 6. Gráfico de análise do nível de um reservatório

Benefícios para o SAAE

O Elipse E3 permite ao SAAE monitorar, em tempo real, as 31 unidades do sistema de abastecimento de água em Marechal Cândido Rondon (PR). Com isto, o operador é informado caso haja qualquer ocorrência via os alarmes, podendo agir com mais agilidade para solucioná-la. Uma manobra que, hoje, é feita em fração de segundos, antes, levava horas, uma vez que o monitoramento não era remoto, mas sim realizado de forma local.

Os relatórios e informações geradas pelo E3 nos permitem diagnosticar e solucionar problemas com mais agilidade, dispensando o envio das rondas até cada unidade simplesmente para monitoramento.

Este controle lhes possibilitou também verificar a necessidade de se elevar o fator de potência das moto bombas. Um benefício que vai direto ao encontro do objetivo central desta automação, ou seja, reduzir os desperdícios com água e, neste caso em particular, energia.

Confira abaixo outros benefícios proporcionados pelo software da Elipse ao SAAE:

  • Monitoramento, em tempo real, das variáveis de pressão, vazão e nível da água nos reservatórios;
  • Possibilidade de monitorar e ajustar as configurações padrões das tensões, correntes, pressões e níveis de água nos reservatórios;
  • Sistema de alarmes que alerta os operadores caso haja qualquer espécie de problema nas unidades;
  • Possibilidade de acompanhar ou resetar o tempo de funcionamento das moto bombas;
  • Monitoramento da condição de operação das moto bombas;
  • Emissão de relatórios dos eventos, históricos e alarmes, que podem ser exportados para Excel e PDF;
  • Emissão de gráficos de análise de desempenho das unidades, que, assim como os relatórios, também podem ser exportados para Excel e PDF.

Ficha Técnica

  • Cliente: SAAE
  • Integrador: Alfacomp Automação Industrial Ltda.
  • Pacote Elipse: Elipse E3
  • Plataforma: Windows 10 PRO
  • Número de cópias: 4 (1 E3 Server + 1 E3 Viewer Control + 1 E3 Viewer Only + 1 E3 Studio )
  • Pontos de I/O: 1500
  • Drivers de comunicação: MODBUS RTU e MODBUS TCP

Solicite informações adicionais ou uma cotação

CLP – Controlador lógico programável

O Controlador Lógico Programável é um computador robusto projetado para o controle de processos industriais e, portanto, utilizado em automação industrial, em inglês: PLC – Programmable Logic Controller. Esses controladores podem automatizar processos específicos, máquinas, ou linhas de produção. O CLP monitora o estado dos dispositivos de entrada, toma decisões baseado no programa nele instalado e comanda o estado dos dispositivos por ele controlado. Exemplo de CLP: Haiwell. 

Praticamente, qualquer linha de produção, máquina ou processo podem ser grandemente melhorados pela utilização de CLPs. Dessa forma, entre os benefícios de se utilizar um CLP estão a capacidade de reprogramação, alteração de sequências, ampliação de linhas, criação de réplicas de máquinas e processos, tudo isso enquanto podemos coletar e comunicar informações vitais.

Como funciona o CLP

O CLP funciona recebendo informações de sensores e dispositivos de entrada, processando os dados e controlando atuadores e dispositivos de saída conforme programas previamente instalados.

CLP - Como funciona

Baseado nas leituras das entradas e saídas o CLP pode registrar dados em tempo real, tais como produtividade de uma máquina ou a temperatura de operação, automaticamente iniciar ou interromper um processo, gerar alarmes no caso de mal funcionamento e muito mais.

Linguagem Ladder

A linguagem Ladder é uma linguagem de programação de CLP que representa um programa por um diagrama gráfico baseado na lógica dos relés, ou seja, parece com o diagrama esquemático de um painel de relés. O nome é baseado no fato de que a representação gráfica do programa lembra o formato de uma escada (ladder em inglês).

Enquanto no início da história dos CLPs a linguagem Ladder era a única linguagem disponível para a programação de CLPs, atualmente outras formas de programação estão padronizadas dentro da norma IEC-61131-3. Entre as novas opções estão a lista de instruções e o diagrama de blocos.

Entradas do CLP

CLP - Controlador lógico programável

Entradas de um CLP são os pontos de conexão onde são ligados os sensores. Podem ser localizados em módulos, no caso de CLPs modulares, ou estar incorporados no gabinete único, no caso de CLPs compactos.

Exemplos de entradas digitais

  • 24 volts CC – tipo P ou N
  • 110 volts CA (triac) ou 220 volts CA (triac)
  • encoder ou contador rápido (5Vcc, 10Vcc ou 24Vcc)

Exemplos de entradas analógicas

  • 0 a 5V ou 0 a 10V
  • 0 a 20 mA ou 4 a 20mA
  • PT100 ou Termopar

Saídas do CLP

Ciclo de varredura do CLP

Saídas de um CLP são os pontos de conexão onde são ligados os atuadores. Podem ser localizados em módulos, no caso de CLPs modulares, ou estar incorporados no gabinete único, no caso de CLPs compactos.

Exemplos de saídas digitais

  • 24 VCC (transistor) – tipo P ou N
  • 110 VCA ou 220 VCA (triac)
  • Relé

Exemplos de saídas analógicas

  • 0 a 5V ou 0 a 10V
  • 0 a 20 mA ou 4 a 20mA

Ciclo de varredura do CLP

O funcionamento dos CLPs é um processo contínuo chamado de varredura. Em cada ciclo de varredura, o equipamento realiza as seguintes atividades:

  • Leitura das entradas
  • Execução das instruções do programa
  • Escrita (atualização) das saídas

A ordem de grandeza do tempo de varredura está entre 1ms e 100 ms, e depende do modelo do CLP e do tamanho do programa. O tempo de varredura cresce com o programa.

Curso de programação de CLP

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Conheça o CLP Haiwell seguindo este passo a passo

Haiwell – O CLP com melhor custo-benefício do mercado

O CLP Haiwell apresenta versatilidade e alto desempenho para as mais diversas aplicações industriais como injeção de plástico, empacotamento, tecelagem, fabricação de medicamentos assim como para aplicações em processos médico-hospitalares, meio-ambiente, saneamento, serviços municipais, gráficas, construção civil, automação predial, sistemas de condicionamento de ar, máquinas CNC, e outros campos do controle e automação. O CLP Haiwell tem sua capacidade expandida através de diversas interfaces que ampliam suas entradas digitais, saídas digitais, entradas analógicas, saídas analógicas, entradas de contagem rápida, saídas digitais de pulso de alta velocidade e portas de comunicação.

CLP Haiwell para automação industrialDiferenciais do CLP Haiwell

  • Suporte técnico Alfacomp
  • Ferramenta gratuita de programação com capacidade de simulação do programa sem necessidade de conectar ao CLP
  • Processador ARM de alto desempenho e relógio de tempo real
  • Portas RS232 e RS485 nativas com MODBUS mestre e escravo
  • Porta Ethernet opcional com MODBUS TCP
  • Bornes de conexão removíveis para facilidade de manutenção
  • Entradas e saídas digitais rápidas (200 KHz)

Características gerais

Ethernet

O CLP mestre e os módulos remotos suportam comunicação Ethernet e até 5 portas RS232 ou RS485 comunicando simultaneamente. Pela rede é possível comunicar, programar, monitorar e trocar dados com os CLPs. A porta Ethernet pode ser utilizada para intercomunicar CLPs, IHMs e computadores.

Atualização do firmware

Através deste recurso é possível alterar e atualizar o firmware dos CLPs. Desta forma, recursos novos podem ser adicionados a equipamentos anteriores na medida que forem desenvolvidos pela fabricante.

Poderosos recursos de comunicação

Os CLPs possuem duas portas seriais nativas, uma RS232 e uma RS485, que podem ser expandidas para até 5 portas. Cada porta pode ser utilizada tanto como mestre quanto como escravo na comunicação. A comunicação em rede pode ser 1:N, N:1 e N:N e uma grande variedade de interfaces IHM de mercado são suportadas, assim como inversores, medidores e periféricos diversos.

Suporte a múltiplos protocolos de comunicação

Os CLPs possuem instalados de forma nativa os protocolos de comunicação MODBUS RTU e ASCII, Free Communication Protocol e o Haiwellbus High-Speed Communication Protocol of Xiamen Haiwell Technology Co., Ltd. A composição de arquiteturas sofisticadas e complexas são facilitadas pois basta uma única instrução para estabelecer um modo de comunicação. Desta forma, problemas como conflitos de comunicação, colisões e problemas de handshaking são minimizados e até eliminados, sendo possível a coexistência simultânea de diversos protocolos diferentes.

Função de contagem de pulsos em alta velocidade

Os CLPs suportam até 8 canais duplex de alta velocidade (200 kHz) de contagem de pulsos. São possíveis 7 modos de funcionamento com as entradas de contagem rápida (pulso / direção 1 oitava, pulso / direção 2 oitavas, pulso direto / reverso 1 oitava, pulso direta / reverso 2 oitavas, fases A / B 1 oitava, fases A / B 2 oitavas, fases A / B 4 oitavas), e três tipos de comparação (comparação de uma etapa, comparação absoluta e comparação relativa), e ainda é possível a comparação de 8 valores fixos com função de self-learning.

Medição de frequência de pulsos de alta velocidade

São possíveis até 16 canais de 200 kHz de alta velocidade para a medição de frequência.

Saída de pulsos de alta velocidade

São possíveis até 8 canais duplex de pulsos de saída em 200 kHz. Desta forma, até 8 motores de passos podem ser controlados. Os CLPs possuem funções que permitem controlar aceleração e desaceleração, envelopes de múltiplos segmentos, um sinal de saída de sincronismo facilita a sincronização precisa dos motores. Usadas de forma independente, estão disponíveis até 16 saídas rápidas para funções de PWM, podendo controlar até 16 motores de passo ou servos.

Função de controle de movimentação

Os CLPs Haiwell suportam até 8 canais de 200 kHz para controle de movimentação que permitem interpolação linear, interpolação circular, pulso de saída de referência, endereço absoluto, endereço relativo, compensação de folga, retorno ao ponto de partida e definição de ponto de partida.

Função de controle PID

Até 32 malhas de controle PID são suportadas pelos CLPs Haiwell. Estão disponíveis a auto sintonia, o controle de temperatura por lógica Fuzzy, o controle de temperatura por curva TTC, o controle de válvulas e de outros dispositivos industrias.

Captura de bordas e interrupções

Os CLPs suportam até 8 canais para detecção de bodas de subida e descida de sinais para funções de interrupção. Todas entradas permitem a aplicação de filtros para a correta detecção dos sinais. Estão disponíveis 52 níveis de interrupção em tempo real.

Funções de processamento analógico de alto desempenho

Os registros AI das entradas analógicas podem ser acessados diretamente e estão disponíveis funções para conversão de unidades de engenharia, ajuste de frequência de amostragem e correção de zero. Os registros AQ das saídas analógicas podem ser convertidos para unidades de engenharia e podem ser configurados para manter seus valores.

Proteção por senha

Existem três níveis de senhas para garantir a proteção dos CLPs e do trabalho desenvolvido em sua programação: senha de proteção de programas, senha de proteção de blocos, senha de acesso ao hardware.

Características diversas

Além das características já citadas, os CLPs Haiwell também possuem função de autodiagnóstico, função de proteção contra falha de energia, relógio de tempo real, operações matemáticas em ponto flutuante, etc.

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