SOFTWARE EDUCACIONAL DE EMULAO DE PLANTAS DE PROCESSOS INDUSTRIAIS DISCRETOS CONTROLADAS POR CLP VIA MICROCONTROLADOR Carlos Eduardo R. Batista - Carlos.petcontrole@hotmail.comMarlon J. Carmo - marloncarmo@ieee.org ngelo R. Oliveira - a.oliveira@ieee.org Lindolpho O. A. Junior - lindolph@gmail.com Centro Federal de Educao Tecnolgica de Minas Gerais, Campus III Rua Jos Peres, 558 Centro. 36700-000 Leopoldina MG Resumo:ApropostadesseartigoapresentarumAmbienteInteligente,comuma interface grfica desenvolvida no Visual C#.NET, o objetivo dessa interface ser controlada porumControladorLgicoProgramvel(CLP)real.Paraarealizaodotrabalhofoi necessrioumtrabalhomultidisciplinarunidoconceitodeLinguagemdeProgramaode AltoNvel,AutomaoeControle.Aplataformadesenvolvidaemulaprocessosindustriais comatuadoresesensoresvirtuaisqueenviamaoCLPparmetrosaseremcontroladose executados. A execuo do programa no controlador realizada a partir da superviso e da interatividade,doaluno,comainterface.Acomunicaoentreocontroladoreainterface grficasedapormeiodousodemicrocontroladorPIC18F4550viacaboUSB.Tal conceposerutilizadacomoferramentaeducacional,comafinalidadedesuprira deficincianoensinodedisciplinasdeAutomaoeControledeprocessosindustriais discretosnoscursostcnicosesuperioresdeEngenharia,auxiliandoosestudantesa absorverem melhor o conhecimento e o processo de ensino aprendizagem. Palavras-chave: CLP, Ambiente Inteligente, Software Educacional. 1.INTRODUO OControladorLgicoProgramvel(CLP)umequipamentoeletrnicodigital,que utilizaumamemriaprogramvelparaarmazenarinternamenteinstrueseparaprogramar funes especficas, tais como: lgica, seqenciamento, temporizao, contagem e operaes aritmticas. Controlando por meio de mdulos de entradas e sadas, vrios tipos de mquinas e processos.FoidesenvolvidopelaaempresaModicon(atualSchneiderElectric)em1968,como objetivodesubstituiroscomplicadospainisderelseletromecnicos.Taispainis apresentavamgrandesproblemas,comoadificuldadeparaatualizao,altocustose necessidade de uma mo de obra especializada. (JUNIOR, 2003). Aolongodosquarentaequatrosanos,autilizaodoCLPfoidifundidaemdiferentes setores industriais que exigiam plantas automatizadas, passando a ser utilizado para o controle deprocessosdiscretosemvariasreas.Nessecontextosurgedvidaserqueas universidadesatuaisestopreparandoprofissionaiscommltiplosconceitosecapazesdese adequar aos diferentes cenrios de utilizao do controlador? Muitosprofissionaisestosaindodasuniversidadesapenascominformaes introdutrias do controlador, com conhecimento especfico em uma pequena rea da atividade profissional,cabendoasgrandesempresasinvestirememtreinamentosemgrandesplantas, muitas vezes localizadas em outras cidades ou pases. O treinamento acarreta um alto custo e formaesdeprofissionaiscomconhecimentosespecficossomentenaquelalinhade produo (PEREIRA et al, 2009). DeacordocomDickMorley,inventordoCLP,osatuaisprofissionaisprecisam entenderqueatecnologiaeosmtodosdeproduoatuaissoirrelevantes,deumdiapro outro ela se torna obsoleta. Eles tm que trazer das universidades os princpios fundamentais tericos e a capacidade de se aderir a novas situaes em diferentes ambientes "(MORLEY, 2011). O mercado de trabalho atual exige um profissional multidisciplinar capaz de se adaptar as diferentessituaes.Assim,paraasuniversidadesformaremosprofissionaiscomoperfil compatvel com o contexto da sociedade atual, necessrio que elas tenham a sua disposio ferramentasdeemulaoesimulao,debaixoscustos,queassemelhamsecomprocessos discretosreais.Sendoindispensveisqueessasferramentasapresentamdiferentesnveisde aplicaesecomplexidades.Servindocomoapoioparaabsorodosconceitostericos (VALENTIM et al, 2009).Estudos comprovam que somente atravs deferramentas educacionais possvel unir os conceitostericoscomasaplicaesprticas.Apenascomusodetaisserpossvelformar profissionais no conceito de habilidades e competncias (MCDERMOTT et al, 2007). Apropostadestetrabalhoapresentarumaferramentadesenvolvidaparasuprira deficincianoensinodedisciplinasqueenvolvamautomaoecontroledeprocessos industriais.A ferramenta trata-se de um Software educacional de Emulao de Plantas de Processos IndustriaisControladasporCLPviaMicrocontrolador.Aidiafoiconcebidacoma finalidade de auxiliar na educao direta dos cursos de engenharia nas instituies de ensino.AintenodaplataformacriarumAmbienteInteligente,emulandosensorese atuadores reais que participam de um processo automtico como, vlvulas, bombas e motores. Graduandoalunoscomconhecimentoemdiferentessetoresdeaplicaesqueutilizamuma lgica de programao. E aumentando a capacitao dos profissionais recm formados, sem a necessidade de enviarlos a grandes centros de treinamentos. O projeto conta cominterfaces supervisorasvisual, possibilitando o controleinstantneo de uma planta fabril. Para a criao desse sistema foi utilizados programas para a criao das imagens.AlinguagemdeprogramaoutilizadafoiaVisualC#.NET,versoExpress.O softwarefoiescolhidoporoferecerumambientededesenvolvimentointegradototalmente grfico e de fcil criao de interfaces. O funcionamento da plataforma se dar por meio da comunicao do CLP com um Kit de microcontroladorqueterafunoderepassaraosoftwaredesenvolvidoosparmetrosde entrada e a sada utilizada no CLP. Otrabalhofoiestruturadoemquatroetapas.Aseodoisapresenta-seametodologia utilizadanacriaodotrabalho.Aseotrstrazamodelagemdatelasdesimulaesno Visual Studio bem como a programao do controlador na linguagem ladder. Na seo quatro apontam-se os resultados esperados com o trabalho. Na seo cinco conclui-se este trabalho. 2.TCNICASUTILIZADASPARAEFETUARACOMUNICAOENTREOS EQUIPAMENTOS DE CONTROLE, MICROCONTROLADOR E PC O trabalho consistiu em trs partes sendo elas: a criao da interface e do cdigo fonte; a programao da comunicao do microcontrolador com o Controlador Lgico Programvel e a programao do CLP em ladder para as situaes propostas. A plataforma de emulao assim como toda a sua interface foi estruturada na linguagem VisualC#.NET,versoExpress.Osoftwareescolhidoparaodesenvolvimentododesigner visual da plataforma foi o Visual Studio.OVisualC#clebreporpossuirferramentasparadesenvolvimentosdecomponentes, jogoseprojetosdegerenciamentosqueinteragemcomportasCOMecomaplicaesWeb. Alia-seaofatoquesuaversoExpresspoderserutilizadagratuitamenteparafins educacionais.Destacanacriaodesoftwarecombonsndicesdeconfiabilidade, flexibilidade e portabilidade (FAISON & FAISON, 2002). A preocupao de se usar umaplataforma .NET,foi por ser um ambienteindependente da maquina e do sistema operacional. Dessa forma o programa pode ser executado dando em Linux como Unix e Windows. Foi selecionada essa tcnica de usar a programao Visual C# para a criao da interface principal,porseabordardeumalinguagemmuitoutilizadanacriaodeprogramas dinmicos,comojogos.Eporsetratar tambmdeumsoftwarequeapresentaumambiente visual,orientadoaobjeto,contendotratamentodeexcees,execuesdeMultithreade bibliotecas especializadas em comunicaes com portas seriais.Uma das propostas para aumentar o nmero de ambiente, que empresas e universidades noapenasutilizamassituaespr-definidasdeprocessosindustriaisdiscretosaserem controlados,emtreinamentosdealunosefuncionrios,comotambmqueosprprios instrutores criem no Visual novos processos de acordo com as suas reas de atuao.Atravsdaemulaooalunosupervisionaremtemporeal,asdisfunesdos equipamentos instalados. Caso haja uma alterao dos parmetros, o prprio software atravs de comando preestabelecido sobre o CLP executar funes de controle. AinterfacedesenvolvidaeocontroladorlgicocomunicamseatravsdeumKitde microcontrolador. OmicrocontroladorescolhidoparaosistemadeautomaofoiomicrocontroladorPIC 18F4550, conforme a Figura 1. Figura 1- Kit de microcontrolador Agrandevantagemdeseutilizaromicrocontroladoresestnofatodafacilidadedese montar um sistema prtico de comunicao com um custo reduzido e com uma estrutura mais simplificada (WOJSZNIS; & BLEVINS, 2002). Comautilizaodemicrocontroladores,projetosenvolvendoautomaodeambientes tornam-se bastante facilitados, pois ele consegue substituir circuitos eletrnicos contendo um grande nmero de outros componentes (CARMO, 2005). O microcontrolador responsvel por obter os dados da interface e transmiti-los ao CLP viaportaserialRS-232.Nacomunicaoserial,ainformaoasertransmitidafracionada bitabit,quesoenviadasaoequipamentoreceptorumaapsaoutra,emsrie (ALBURQUERQUE et al, 2007).Aoreceberosinal,ocontroladorterafunodeexecutaroprogramaLaddercriado pelo discente em treinamento. Aps a execuo do programaesse enviar os dados desada paraomicrocontroladorfazendoainteratividadecomateladesimulaoviacaboUSB (Universal Serial Bus). AFigura2mostraoControladorLgicoProgramveldomodeloAtosMPC4004da empresa Schneider, utilizado no trabalho. Esse CLP destinado automao de mquinas de mdioporte,comoitoentradasdigitaiseoitosadasalimentadoaumatensodecorrente continuade24V.Porem,todaviaoprogramaterintercambiabilidadecomcontroladoresde outras empresas. Figura 2 - Controlador Lgico utilizado AFigura3mostraosistemaligadoemconjunto.Nessesistemamontado,oKitdo microcontroladorestcomunicandocomaplataformaatravsdaentradaUSBdo Computador e sua sada serial esta comunicando com o CLP. Figura 3- Comunicao do Sistema 3.APRESENTAODOSPROCESSOSINDUSTRIAISEMULADOSPELA PLATAFORMA Aprimeiraversodaplataformaparaemulaodeprocessosindustriaisdiscretos utilizandoPCintegradoaoCLPviamicrocontroladorcontarcomtrssituaesaser emuladas. Oprimeiroprocessoindustrialdefinidonaplataformafocadoparaestudantes principiante.Apropostadestatelaemularumsistemacomointuitodeselecionaros materiais em uma esteira. Para isso o estudante ter que controlar duas entradas e trs sadas no CLP, proposto tambm nessa tela o uso de temporizador. A segunda tela aborda a emulao de um sistema de tanques e reservatrios, o controle feito atravs da anlise de cinco variveis de entradas e cinco de sadas.Eporultimoserumateladecomandodesemforosemumcruzamentodetrnsito, onde o semforo controlado de acordo com a presena de carros na avenida, podendo ficar no mximo 30s em cada estado. 3.1 Controle das selees de materiais em uma esteira AFigura4apresentaaprimeirasituaodesimulaodeseleodemateriaisna esteira.Tratadeumasituaobsica,comumaaplicaoparaalunosiniciantesdocursode controladores. Foipropostaparaestaprimeirasituao,umaesteiratransportadoradecaixascontendo aosemadeiras.NopontoA,daesteira,existemdoissensores;umindutivoqueindicaa presena deao na caixa e um capacitivo queindicaa presena demadeira. Existemna tela desimulaoduasplataformasquesocontrolaspelossinaisdesadasdoCLP.Apsa detecodotipodematerialpelossensores,asplataformasseparamosmateriais descarregando em esteiras secundrias.propostotambmnestaemulaoousodetemporizador.Eleserveparacontrolaro movimento da esteira principal, sabendo que cada plataforma demora 30 segundos para busca omaterialedescarreg-los.Ainterfacepropequeaesteiraprincipalpermaneaparada durante a movimentao das plataformas. Figura 4- Primeira situao de simulao: Separao de Materiais em uma Esteira Analisando os sensores temos: Sensor Capacitivo = verde; adverte que o material na esteira principal feito de madeira, ativando a Plataforma B. Sensor Capacitivo = vermelho; indica que o sensor est inativo. SensorIndutivo=verde;advertequeomaterialdetectadofeitodeao,ativandoa Plataforma A. Sensor Indutivo = vermelho; indica que o sensor no foi ativado. Esteiraprincipal=vermelho;osinalmostraqueomotorquemovimentaaesteira principal est desligado. Esteira principal = verde; exibe que o motor da esteira principal est ligado e ela est em movimento. Plataforma A = vermelho; indica que o motor que movimenta a plataforma est desligado. Plataforma A= verde; o sinal adverte que a plataforma foi ativada. Plataforma B = vermelho; indica que a plataforma est parada. Plataforma B= verde; o sinal adverte que a plataforma esta em movimento. Para a programao do controle do CLP nesse processo, montou se o diagrama ladder da Figura 5. Figura 5- Diagrama Ladder para o controle da primeira situao 3.2 Controle de abastecimento de um reservatrio e de trs tanques secundriosEssemodelotrata-sedeumcontrolemaiscomplexo,exigindodoalunoumnvelde aprendizadointermedirio.OarqutipodaFigura6sugereocontroledetrstanquesde abastecimentoporumreservatrioprincipal.Oprogramaapresentar10sensores,cinco serviram como variveis de entradas e cinco de sadas. Figura 6 - Segunda situao de controle: Sistema de Tanques A dinmica dos sensores de entrada A, B e C controlada pelas funes Time e RandondalinguagemC#.Essasfunesgeramumavazoimprevisvelnoprograma cabendo o estudante a solucionar o problema. A funo Randon determina um numero de 1 a10,queserutilizado,comoo tempoquecadatanqueirgastarparaconsumirtodaasua capacidade.EssenmeroserviraindacomoparmetroparaafunoTimequeser responsvel por alternar a cores dos sensores, de verde para vermelho ou vice e versa. Quando os sensores trocarem suas cores paravermelha elesindicaram para o usurio que os tanques esto vazios. OssensoresDeEsoutilizadosparainformaroestadoatualdoreservatrio principal.OsinalvermelhonoDindicaraqueoreservatrioestanonvelcrticoequea vlvula G necessita ser fechada ate o reservatrio voltar ao seu nvel mximo, representado pelo sinal verde no E.AvlvulaFfuncionarsempreabertaesserfechadaseoreservatrioestiverno nvel mximo. As vlvulas H, I e J sero as vlvulas que alimentaram os tangues A, B e C respectivamente elas sero controladas diretamente pelo sinal de seus respectivos sensores. Com esses dados obtm o programa em ladder da Figura 7. Figura 7 - Diagrama Ladder para o controle da Condio dois 3.3 Semforo em um cruzamento AtelatratadeumexemplodeaplicaodeCLPmuitocomumdeserencontradoem livros e apostilas de curso de controle. O ambiente simula da Figura 8 contm dois semforos de transito em um cruzamento e doissensoresdepresena.OCLPanalisarapresenadecarroparamodificaroestadodo sinal,pormossemforosspoderopermanecernostatusverdeouvermelhoporapenas 30s,alemdomaisantesdemudardeeventoelenecessitamostrarosinalamarelae permanecer nele por 3s. Figura 8: Terceira situao: Controle de Semforo As condies desse problema so: Sensor = verde; adverte a presena de automveis; Sensor = vermelho; indica a ausncia de automveis; CadasinaldosemforoligadosadadoCLP,dessaforamasada1equivaleao sinalverde,a2correspondeoamareloea3overmelho.Assadas4,5e6no semforo 2 so equivalentes a 1, 2 e 3 do semforo 1; Com essas informaes foi programado o diagrama ladder da Figura 9. 4. ANALISE DOS RESULTADOS Otrabalhoconseguiuemularumaplantadeprocessosindustriaissupervisoracontendo somente equipamentos virtuais. A finalidade da plataforma de emular apresto como vlvulas, motores, tanques e esteiras aseremcontroladospeloControladorLgicoProgramvel,vemdanecessidadedas universidadesdeterqueutilizaressesequipamentosnasaulasprticascomoferramentasde ensino.Porem,aexistnciadelimitadoreseconmicoscomofaltadeoramentoseespaos fsicos, para instalaes, impedem a aquisio de tais. Limitando as pesquisas e o aprendizado dos alunos nas instituies (DESHMUKH, 2005). Figura 9: Diagrama Ladder para o controle daterceira situao Diferentesdasoutrasplataformasdesimulaoqueapenasmostramassadaspara determinadasentradas.Aplataformaemquesto,mostradanoartigo,dinmicaefoi programada com o mesmo principio de lgicas para jogos. Onde foi criado no programa uma inteligncia artificial atravs das funes Randon e Time, fazendo com que o sistema seja imprevisvelquandootipodedadoqueocontroladorirreceberemsuasentradas. Permitindocomqueousuriopossainteragirnaturalmentecomumcenrioautomatizado, adquirindoinformaesdosistema.Outrofatordiferencialencontrandonaferramentade emulao que ela ter um menor custo do que outras encontradas no mercado.Podemosnotarcomoresultados,queasprimeirastrstelasdeprocessosfabris desenvolvidanaplataforma,permitiramqueosalunosentendessemosconceitosbsicosde aplicaoefuncionamentodeumCLP,esperaramdesenvolvernovassimulaesparaque assim a plataforma atenta toda a ementa da disciplina de controle de processos. Outroresultadopositivodaaplicaoestanosdetalhesapresentados,atravsdeles conseguiu com que a plataforma se aproximasse de um sistema real a ser controlado dentro de uma indstria. 5. CONCLUSO Concluisequecomosoftwareoalunopodertercontatocomsituaesreaisde controle,semanecessidadedefazercursosdealtoscustosemgrandescentrosde treinamentos(muitasvezes,dependendodotipoedotamanhoedaaplicao,soat inexistentesnoBrasil).Obtendoassim,ummelhorndicedeaproveitamentonasdisciplinas de Automao e Controle de processos industriais. Pode-senotarqueaferramentadesenvolvidaeapresentadanoartigo,desempenhaas mesmas funes de outro software similares existentes no mercado, porem ao contrario desse queforamdesenvolvidosporgrandesempresas,oSoftwaredeEmulaodeProcessos IndustriaisDiscretosControladosporCLPviaMicrocontroladorfoidesenvolvidapor discentesedocentesdocursodegraduaodeEngenhariadeControleeAutomaodo CentroFederaldeEducaoTecnolgicacampusIII,Leopoldinaeapresentaumcustobem reduzidocomanicafinalidadedeservirdeapoionasdiretrizesdeensinodoscursosde graduaesdeEngenharias.Futuramenteestaremospropondoumainterfacemaiselaborada em 3D, com novas plantas de processos fabris, podendo ter um acesso remoto. Analisando as vantagens apresentada nesse artigo consegue-se perceber que as propostas decriarumaferramentaqueservissedeapoionaformaodosengenheirosenasgrades curriculares dos cursos tcnicos, superiores e aperfeioamento, foram alcanadas. Agradecimentos OsautoresagradecemaoMEC/SESu,FNDE,ProgramadeEducaoTutorial-PET, CAPES,FAPEMIG,FundaoCEFETMINASeCEFET-MGpeloapoioao desenvolvimento deste trabalho. 6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS [1]ALBURQUERQUE,P.,URBANOB;,AUZUIRR.deRedesIndustriais:aplicaesem sistemas digitais de controle distribudo. ed. Fortaleza,2009. [2]CARMO,Vilson.UNIVERSIDADEREGIONALDEBLUMENAU-Prottipode Controle de Acesso para Academias de Ginstica Utilizando Microcontrolador PIC e o padro rs-485, 2005.Trabalho de Concluso de Curso (Cincias da Computao). [3]DESMHMUKH,AjayV.,Microcontrollers:theoryandapplications.ed.TataMcGraw-Hill Education, 2005. [4] FAISON, Edmundo W. &FAISON Ted W,Book Component-Based Development with Visual C# 1st,ed John Wiley & Sons, Inc. New York, USA 2002 [5]JUNIOR,AnthonyS.CENTROUNIVERSITARIODOTRIANGULOMINEIRO, EstudoSobreControleAutomticoUtilizandoControladorLgicoProgramvelPLC, Dezembro,2003.Monografia (Cincia da Computao). [6] MCDERMOTT, K. J., NEDIC Z., NAFALSKI A., MACHOTKA J. 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EDUCATIONAL SOFTWARE EMULATION OF PLANTS FOR DISCRETE INDUSTRIAL PROCESSES CONTROLLEDCLPVIA MICROCONTROLLER PIC Abstract:Theaimofthispaperistopresentan"intelligentenvironment"withagraphical interface developed in Visual C#.NET, with the goal of being controlled by a Programmable Logic Controller PLC. To carry out the project was required interdisciplinary work, united conceptof high-level programminglanguage,automationandcontrol.The platform developed emulates industrialprocesseswith virtualactuators andsensors that send parameters to be executed by the PLC. The implementation of the controller is held from the supervisionand interaction, the student,withthe interface. Thecommunicationbetween the controller and the graphical interface is through the use ofmicrocontroller PIC 18F4550 viaUSBcable. This design willbeused asaneducationaltool, inorderto supplythe deficiency inteaching disciplines ofautomationand discrete industrialprocess control in coursetechnicaland superior engineering,helpingstudentsto better absorb the knowledge and the teaching - learning.. Key-words: PLC, Smart Environments, Educational Software.