BR102013005374A2 - Dispositivo automático para atuar sobre um conjunto de blocos funcionais visando efetuar ao menos uma tarefa - Google Patents

Abstract

DISPOSITIVO AUTOMÁTICO PARA ATUAR SOBRE UM CONJUNTO DE BLOCOS FUNCIONAIS VISANDO EFETUAR AO MENOS UMA TAREFA Dispositivo automático para atuar sobre um conjunto de blocos funcionais visando efetuar ao menos uma tarefa. Este dispositivo automático atua sobre um conjunto de blocos (42, 43, 44) visando efetuar ao menos uma tarefa, o dito dispositivo compreendendo:- um componente central de controle (25, 27); - pelo menos uma linha de dados distribuída (50, 51); e - circuitos de interfaces (55, 56, 57) para a conexAo dos blocos na linha distribuída. De acordo com uma das características da presente invenção, o componente de controle compreende um computador do tipo PC contendo um software operacional (170) para determinar as fases de operação dos ditos blocos. Aplicação: descalcificação automática de caldeiras industriais.

Description

“DISPOSITIVO AUTOMÁTICO PARA ATUAR SOBRE UM CONJUNTO DE BLOCOS FUNCIONAIS VISANDO EFETUAR AO MENOS UMA TAREFA”

A presente invenção se refere a um dispositivo automático para atuar sobre um conjunto compreendendo ao menos um bloco funcional visando efetuar ao menos uma tarefa, o dito dispositivo compreendendo:

-um componente central de controle;

-pelo menos uma linha de dados distribuída: c

-circuitos de interfaces para a conexão de blocos em pelo menos uma das linhas distribuídas.

Este tjpo de dispositivo tem importantes aplicações, especialmente na área de

processos industriais utilizados para a fabricação de diferentes peças assim como para a manutenção de máquinas.

Um dispositivo desse tipo é descrito na patente EP 0 278 802. O referido dispositivo apresenta uma estrutura complexa e envolve grandes dificuldades para a sua operação.

A presente invenção proporciona um dispositivo do tipo acima mencionado que, a

partir de uma estrutura do gênero, oferece grandes facilidades para definir um funcionamento adequado do dito dispositivo.

Assim, o dispositivo de acordo com a presente invenção se caracteriza por utilizar um componente de controle compreendendo um computador do tipo PC com uma memória atuando com um software operacional para determinar as fases de operação dos ditos blocos.

Entende-se por blocos aqueles elementos sobre os quais o dispositivo é capaz de atuar como, por exemplo, os avisos sonoros ou luminosos, as bombas hidráulicas a partir das quais é possível obter informações como medições de água, medições elétricas, etc.

Este tipo de dispositivo tem importantes aplicações, especialmente na área de processos industriais para a automação e obtenção de dados de todos os tipos. O dispositivo 2-/11 de acordo com a presente invenção pode ser alimentado por 12 volts podendo ser incorporado em veículos ou navios ou operar em locais isolados.

A presente invenção será descrita a seguir em relação aos desenhos que a acompanham a título exemplificativo, porém não limitativo, para um melhor entendimento de suas características. Nos apensos desenhos temos a:

FIG.l representando um diagrama esquemático do dispositivo de acordo com a presente .. invenção;

FIG.2 representando um exemplo de realização de uma linha distribuída para um dispositivo compatível com a presente invenção;

FIG.3 representando um modo de realização de uma caixa de interconexão da linha de dados distribuída;

FIG.4 ilustrando um primeiro modo de realização do circuito da interface;

FIG.5 ilustrando um segundo modo de realização do circuito da interface;

FIG.6 ilustrando um terceiro modo de realização do circuito da interface;

FIG.7 ilustrando um quarto modo de realização do circuito da interface;

FIG.8 representando um modo de realização de uma instalação composta por caldeiras industriais; e a

FIG.9 representando um diagrama em blocos da organização de um software aplicável à presente invenção.

' Nas figuras acima descritas, os elementos comuns estão identificados com as mesmas referências.

A FIG.l representa um dispositivo compatível com a presente invenção. Todo o dispositivo é baseado na utilização de um computador do tipo PC industrial 25. Este computador 25 é alimentado em 12 volts contínuos, seja por uma fonte externa de alimentação 26, ou por uma bateria 27 incorporada. A este computador é conectado um conjunto de dispositivos periféricos 28 compreendendo essencialmente uma tela 30, um teclado 32, uma impressora 34, um mouse 36 e um modem 38 para conexão com a Internet. Este computador 25 atua com diversos softwares contidos no conjunto de memória-programa 40.

5 Para conectar o computador 25 aos diferentes blocos funcionais 42, 43 e 44 (por

exemplo: termômetros, manômetros, válvulas solenóides, sensores, etc), a presente invenção propõe procedimentos diferentes. Deve existir uma comunicação entre o computador 25 e os blocos destinados ao gerenciamento das fases de operação.

Para isso existe uma primeira linha USB 50 e uma segunda linha 51 ligada ao computador 25. As estruturas destas linhas estão ilustradas na FIG.2. Esta linha é composta por oito fios. Destes oito fios, um conjunto de 4 fios El se destina à transmissão da tensão de alimentação (48 volts) para transmitir uma potência de aproximadamente 30 watts, um conjunto de 3 fios E2 se destina à transmissão de dados em ambos os sentidos de transmissão possíveis (padrão RS485), e um fio E3 para transmitir uma interrupção para os diferentes blocos. De um modo prático, os conectores para estas linhas 50 e 51 são conectores do tipo RJ45. A FIG.l ilustra de forma esquemática um fio que recebe uma tensão para alimentar as linhas 50 e 51. Dois pares de fios são utilizados para uma conexão USB RS485. Os outros dois pares de fios são utilizados para a transmissão da alimentação de 48 volts derivada de um conversor 54. A linha 50 é conectada a diferentes circuitos de interfaces 55, 56 e 57 usando caixas de interconexão 60, 61 e 62. As estruturas destas caixas de interconexão estão ilustradas na FIG.3. Estas estruturas apresentam uma configuração simples: os fios estão diretamente interligados entre si, como é possível ver claramente na FIG.3. Para maior clareza e simplificação das explicações contidas no presente relatório descritivo, a interconexão com a linha 51 foi omitida uma vez que ela é feita da mesma maneira já descrita acima. É possível que única fonte de alimentação do dispositivo seja desenvolvida dentro do próprio computador 25. Os elementos periféricos do computador e os blocos tais como sensores ou atuadores podem ser alimentados separadamente se o consumo for muito grande para ser fornecido pelas linhas 50 e 51.

A FIG.4 mostra uma estrutura comum a todas as interfaces utilizáveis pelo dispositivo de acordo com a presente invenção, incluindo os circuitos 55, 56 e 57. Estes circuitos de^ interface são formados a partir de um mesmo circuito básico 70 ao qual estão associados os circuitos adaptados 72. Estes circuitos adaptados 72 permitem a comunicação com os blocos funcionais. O circuito básico 70 consiste essencialmente de um microcontrolador 75 que pode ser programado através de um programa introduzido em seu terminal JTAG composto por 4 acessos para fios condutores, um conjunto de conversores 77 que, a partir da tensão transmitida para a linha 50 fornece as tensões necessárias para a alimentação dos diferentes componentes do circuito de interface, como por exemplo, tensões de 5 volts e de 3.3 volts, e um conversor de protocolo RS485/RS132 cuja referência é 79, que converte os sinais da linha USB 50 correspondente ao protocolo RS232 para ser aceito pelo microcontrolador 75. Está prevista ainda uma bateria reserva 80 que permite o funcionamento do microcontrolador 75, especialmente o backup de alguns dados importantes, o estado da memória do microcontrolador e também a capacidade de realizar as funções essenciais em caso de falta de energia. O microcontrolador se comunica com o computador 25 através de uma porta RS232. A presença do conversor RS485/RS232, cuja referência é 79, se justifica pelo motivo a seguir descrito. Uma ligação RS232 não permite a transmissão do sinal a uma distância maior do que 30m a 9600 bauds. Por outro lado o protocolo RS485 permite a transmissão do sinal a distâncias muito maiores proporcionando uma grande flexibilidade na implementação do dispositivo de acordo com a presente invenção. 5-/11 Para cada circuito de interface é atribuído um endereço, de maneira que o PC 25 pode definir quais funções se aplicam às diferentes entradas e saídas.

Cada placa de interface contém, além do circuito básico 70, um circuito adaptado 72, como já mencionado anteriormente, para que possa ser lido ou executado nos blocos ligados 5 ao acesso 82. Este circuito adaptado pode ser diferente para cada circuito de interface de acordo com os blocos externos.

Um exemplo do circuito de interface 90 está ilustrado na FIG.5. Ele é projetado.para ativar um dispositivo de alarme para alertar o usuário sobre uma anormalidade indicada por um aviso, uma anormalidade no funcionamento ou qualquer outra emergência, utilizando uma sirene, um sinal de luz ou um flash. No exemplo descrito foi selecionado um flash de luz com sirene alimentada por 12 a 24 volts com apenas 1,5 watts de consumo de energia. As linhas USB 50 ou 51 podem fornecer energia suficiente para operar a sirene. A interface ilustrada nesta figura pode ser pequena o suficiente para ser embutida no alojamento da sirene. O conversor 77 deve gerar uma tensão adicional de 24 volts para alimentar a sirene. Um optoacoplador 94 permite enviar a tensão para a sirene quando a saída conectada está habilitada. O firmware permite a recepção de um comando genérico. Neste caso, o microcontrolador 75 não responde. Este é o único caso em que vários circuitos de interfaces podem ser conectados à mesma linha distribuída com o mesmo endereço sem a ocorrência de perturbações. Várias sirenes podem ser conectadas à mesma linha com a mesma configuração e distribuídas em qualquer ponto da linha USB. Assim, o sinal de alarme pode ser visto em diferentes locais.

Naturalmente, este mesmo tipo de esquema encontra outras aplicações, por exemplo, torna possível transformar um sensor analógico existente em sensor digital e alimentá-lo. Isto permite superar as restrições de transmissão e de alimentação do sensor, bem como melhorar o desempenho quando a transmissão do sinal apresenta perturbações. Outro exemplo de circuito de interface é ilustrado na FIG.6. Este circuito de interface cuja referência é 95 apresenta uma estrutura mais complexa do que os anteriores. Os elementos comuns aos das figuras anteriores têm as mesmas referências.

Em muitas áreas, incluindo a de automação industrial, existe a necessidade de circuitos de interface com um gande número de entradas e saídas. O princípio da presente invenção é dispor de circuitos de interfaces mais próximos dos blocos incluindo os elementos a serem lidos oü executados a fim de minimizar os eustos de fiação. Quando vários elementos estão próximos, o circuito da interface 95 descrito abaixo tem uma aplicação particularmente interessante. Além dos elementos comuns aos circuitos de interfaces descritos anteriormente, ele adiciona uma alimentação ajustável 97 controlada através do microcontrolador. Isto permite adaptar a interface para a voltagem utilizada pelos elementos externos. A tensão no campo industrial pode ser 24 volts, mas também de 12 volts ou outra voltagem se for o caso. Existem oito entradas disponíveis representadas por Il a 18. Para cada entrada um conector de três pontos comportando a massa, a entrada e a tensão ajustável, permite ligar um sensor que garanta sua alimentação caso necessário. Um componente eletrônico, não ilustrado, deve ser utilizado para proteger o microcontrolador. Em relação às saídas, dois tipos de fiação são utilizadas no esquema. As saídas Ol, 02, 03, 04 não emitem qualquer tensão se não forem ativadas, e a tensão se ajusta se forem ativadas. Nas duas outras saídas 98, 99 os contatos de relé são controlados através do microcontrolador. Se a saída não é ativada os contatos CeR estão em curto, e se a saída é ativada os contatos de C e T estão em curto. Os relés permitem a utilização direta de 230 volts na seção com um consumo de energia inferior a 1000 watts de potência. Estes relés também podem ser usados para controlar relés com potências maiores ou instalações trifásicas.

Este circuito de interface configurado sob a forma de placa é, naturalmente, muito mais volumoso e caro do que o circuito anterior. Se for preciso introduzir uma placa num conjunto de blocos, a utilização de uma placa derivada com uma adaptação específica para um produto ou instalação também é possível.

Outro exemplo é ilustrado na FIG.7.

O circuito da interface demonstrado na FIG.7 é identificado pela referência 110. Uma área privilegiada de sua aplicação é a operação de leitura do medidor. Algumas podem ser reproduzidas eletricamente através da conexão USB RS485, mas outras são mecânicas. Este é o caso da maioria dos medidores de água é gás. Os fabricantes deste tipo de medidor oferecem duas possibilidades para a leitura do medidor, ou um medidor eletrônico com leitura remota (mas nesse caso, o software de leitura é do proprietário e os registros só podem ser efetuados pelo fabricante ou empresa autorizada) ou adicionando um gerador de pulso no medidor.

Numa configuração da presente invenção, optamos pela utilização de medidores com geradores de pulso. Para poder verificar o estado dos contadores e compará-los com o valor dos medidores mecânicos foi adicionado um mostrador 112 com duas linhas de 16 caracteres que permitem a exibição de dois medidores de onde os impulsos são recebidos nos terminais ICl e IC2, respectivamente, no acesso 82. A bateria reserva 80 aqui é indispensável porque o microcontrolador mantém o estado dos medidores internos e pode até mesmo adicionar novos pulsos que estão chegando. Se uma linha USB 50 não proporciona mais tensão, os medidores permanecerão ativos porque o consumo de água ou gás é independente. Duas outras entradas do microcontrolador são utilizadas. Uma para que o microcontrolador seja informado sobre a passagem entre uma alimentação fornecida pela linha USB 50 para uma alimentação recebida pela bateria 80 de forma que a passagem ocorra de forma econômica, e a outra para medir a tensão da bateria para que o computador possa prevenir o usuário para a substituição da bateria antes da sua descarga completa. Os contadores internos devem ser inicializados com o mesmo valor dos medidores mecânicos. Alguns medidores elétricos divisionários de tabela também incluem um gerador de pulso. É possível usá-los também com o mesmo esquema de interface, por exemplo, para aumentar o consumo de um grupo de dispositivos definidos para determinar o custo de utilização. Se o computador puder ser informado sobre os intervalos de tempo e as tarifas, será possível estudar o consumo para saber mais precisamente o custo específico do uso dos dispositivos.

A FIG.8 demonstra um exemplo de implementação dé um dispositivo de acordo com a presente invenção no campo da automação industrial. Especificamente para a produção de electricidade ou aquecimento em uma cidade. Para isto, foram utilizadas caldeiras de grandes dimensões. Elas são movidas a carvão ou óleo combustível pesado, ou podem estar situadas numa unidade de incineração. Uma parada para manutenção é muito cara e pode durar até uma semana. E preciso dois ou três dias de paralização para o forno esfriar e o mesmo tempo para que ele retorne à temperatura inicial. Os tubos de circulação da água de recuperação de energia são rapidamente cobertos com cinzas da combustão. O rendimento da caldeira é reduzido. A limpeza das chaminéa deve ser feita durante o período de produção.

Para isso, uma solução é aplicar periodicamente um jato de solução química aquosa nos tubos com um ou mais bicos.

A FIG.8 demonstra a instalação composta pela zona de armazenamento 220 do reservatório de produto 222, pela bomba 224 e pelo fluxômetro 226 que permite conhecer o volume do produto enviado para interromper o funcionamento da bomba no momento certo. Na área de recuperação de energia 230 na frente os tubos estão duas lanças fixas 233 e 234.

De acordo com este modo de aplicação, são utilizados três circuitos de interface, 241, 242 e 243. Estes são os circuitos do tipo demonstrado na F1G.6. Um dos circuitos de interface 241 está próximo da bomba na zona de armazenamento 220. Os dois outros 242 e 243 estão cada um perto de cada lança. As distâncias entre cada circuito de interface e o computador 25 são importantes e podem chegar a mais de IOOm. De acordo com o estado da técnica, a automação é realizada usando um autômato com todas as saídas partindo do dito autômato localizado na zona de armazenamento. A fiação requer um cabo por lance com condutores de seção elevada em toda a empresa. Graças às medidas preconizadas pela presente invenção, é possível reduzir significativamente o custo de instalação e ter uma visão completa do funcionamento da automação em uma área própria longe da zona de armazenamento.

O primeiro circuito de interface 241 está situado perto da bomba'224 e do tanque 222 num gabinete elétrico com a saída 05 (saída de relé) comandando o relé trifásico da bomba. As entradas Il e 12 permitem ver se o relé está armado e se a sobrecarga do disjuntor da bomba não foi acionado. Se o disjuntor está desarmado isso significa que a tubulação está entupida. A entrada de 13 alimenta o fluxômetro e recupera os impulsos que são computados em um contador interno para o microcontrolador. No momento da injeção, o computador envia o número de impulsos correspondentes ao volume a ser injetado, redefine o contador e, em seguida, ativa a saída 05. O microcontrolador do gráfico da interface 241 para a bomba 224 desativando a saída 05 enquanto o contador atinge o valor pré-ajustado. As entradas 14 e permitem conhecer o estado do nível do tanque porque a bomba não pode funcionar a seco.

Os outros dois circuitos de interfaces 242 e 243 são montados em cada uma das lanças 233 e 234 da mesma maneira. As lanças são gerenciadas por comandos de ar comprimido disponíveis nos acessos 250 e 251 respectivamente. A saída Ol ativa a passagem de ar para o resfriamento antes da injeção e a drenagem após a injeção. A saída 02 ativa uma válvula solenóide de ar que é usada para abrir a válvula solenóide do produto. A saída 03 serve para operar um macaco hidráulico para mover a lança quando ela for móvel. As entradas Il e 12 recebem informações sobre a presença de ar comprimido e ar comprimido expandido que é necessário para a drenagem da lança. As entradas de 14 e 15 recebem os contatos de limite do produto da válvula para que o computador possa verificar se a válvula está aberta ou fechada.

A Figura 9 demonstra a organização do software implementado na memória 40 do computador 25. Esta organização utiliza o relógio do dispositivo 300 do computador 25 e a sua memória de massa 305. A tela 30 também é utilizada. Os outros elementos informativos também são utilizados.

D software é um completo ambiente de desenvolvimento da automação e aquisição de dados, mais particularmente utilizável com o dispositivo de acordo com a presente invenção. Este mesmo conjunto de softwares é utilizado na execução do aplicativo para o usuário.

Para executar este conjunto de softwares, é preciso informar o caminho e o nome do arquivo que contém a lista de arquivos a serem interpretados.

Portanto, como um primeiro passo, o software carrega e analisa o conjunto de arquivos pertinentes. Este processo é ilustrado pela caixa Kl.

Após esta análise o software cria o conjunto de variáveis e de ações bem como janelas do ecrã e a automação que foi determinada, analisando o "módulo" desenvolvido para definir as diferentes ações para operar com os blocos de construção (caixa K5). Estas fases são ilustradas pelas caixas KU, K12, K13 e K14 relativas respectivamente às automações, variáveis, ações e telas a desenvolver.

Finalmente, o software inicia o aplicativo que lhe permite interagir com os demais elementos e com a memória de massa 305 (para Ier ou gravar arquivos) e com as linhas USB, com a linha 50 (para dialogar com diferentes circuitos das interfaces envolvidas na automação para gerenciar.)

Exemplo:

Pressionando um botão na tela é possível desencadear uma operação que altera o valor de uma variável. A variação do valor da variável pode tornar real a condição do início de um dispositivo de automação. O dispositivo automatizado pode desencadear um diálogo com um circuito de interface via linha USB 50. Este diálogo pode alterar o valor de uma variável que é exibida. Na declaração da variável, é possível solicitar o registro na memória de massa porque ela retoma para o último valor conhecido em caso de renovação do programa. Esse evento pode ocorrer, por exemplo, em caso de corte de energia. Neste caso, o arquivo que contém o valor da variável será alterado. A tela também irá mudar e exibir o novo valor da variável. -

Tudo que se refere a tempo (uma parada no dispositivo de automação para uma inicialização, inicialização de um dispositivo de automação, etc.) utiliza o relógio interno 300 do PC. Isso permite definir o tempo em milissegundos até vários anos sem a ajuda de material suplementar.

Para usar o software e criar um aplicativo, é imperativo que um arquivo capaz de descrever uma tela envolvendo um editor de arquivo e uma tela de depuração sejam incluídos. Um botão para a recuperação completa do software pode estar presente nestas telas e permite uma recuperação em menos de dez segundos, se o programador quiser estar ciente dos efeitos da edição dos arquivos durante a operação.

Claims (12)

1. Dispositivo automático para atuar sobre um conjunto compreendendo ao menos um bloco funcional (42, 43, 44) visando efetuar ao menos uma tarefa, caracterizado por compreender: - um componente central de controle (25, 27); - pelo menos uma linha de dados distribuída (50, 51); e - circuitos de interfaces (55, 56, 57) para a conexão de blocos em pelo menos uma das linhas distribuídas, e caracterizado ainda pelo fato do componente de controle compreender; - um computador do tipo PC com uma memória (40) atuando com um software operacional (170) para determinar as fases de operação dos ditos blocos; e - um software de supervisão (180) para fornecer, ao nível do PC, os valores sobre os quais o dispositivo está atuando.

2.O dispositivo automático, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do software operacional (170) ser projetado para interpretar arquivos do tipo "Grafcet".

3. O dispositivo automático, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato da linha USB ser do tipo RS485 à qual se adicionou uma fonte de alimentação.

4.O dispositivo automático, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado pelo fato de possuir circuitos de interfaces (55, 56, 57) conectados entre os blocos funcionais a serem coordenados e a linha de dados comum (50) formada a partir do microcontrolador (75).

5.O dispositivo automático, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizado pelo fato do dispositivo poder ser alimentado por uma tensão de 12 volts conversíveis em 24 volts, podendo funcionar em veículos ou barcos ou ainda em um local isolado.

6. O dispositivo automático, de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 ou 5, caracterizado pelo fato de compreender uma fonte de alimentação (55) para o fornecimento de energia aos diferentes circuitos de interface conectados à dita linha USB (50).

7. O dispositivo automático, de acordo com qualquer das reivindicações de 4 a 6, caracterizado pelo fato de pelo menos um fírmware destinado aos microcontroladores (75) dos ditos circuitos de interface ser carregado pelo jtag destes microcontroladores.

8. O dispositivo automático de acordo com qualquer uma das reivindicações de 4 a 7 caracterizado pelo fato dos circuitos das interfaces serem formados por um circuito básico .(70) e um circuito adaptado (72) ao bloco de controle.

9. O dispositivo automático, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 4 a 8, caracterizado pelo fato de um endereço ser atribuído aos circuitos de interface a partir do componente central de controle (25, 27).

10. O dispositivo automático de acordo com qualquer uma das reivindicações de 4 a 9, caracterizado por compreender uma pluralidade de blocos funcionais para fornecer sinais de alarme, e caracterizado ainda pelo fato dos circuitos de interfaces ligados aos blocos de sinais de alarme serem atribuídos a um único endereço.

11.0 dispositivo automático de acordo com qualquer uma das reivindicações de 4 a 10, caracterizado pelo fato do circuito básico (70) compreender o dito microcontrolador, um conversor de protocolo (79) entre os dados transmitidos pela conexão USB e os dados processáveis pelo controlador, e um conversor de tensão de alimentação (77) para fornecer as tensões apropriadas aos ditos blocos a partir da alimentação transmitida para a dita linha distribuída.

12. O dispositivo automático, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 4 a 11, caracterizado por compreender uma bateria reserva (80) no nível dos circuitos de interfaces.