BR102021003753A2 - Controlador de processos industriais e método de detecção automática de módulos de expansão acoplado em dito controlador de processos - Google Patents

Controlador de processos industriais e método de detecção automática de módulos de expansão acoplado em dito controlador de processos Download PDF

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Aderbal Fernandes Lima
Miguel Fachin Júnior
Marcos Rebello Dillenburg
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Abstract

É descrito um controlador de processos e o método de detecção automática de módulos de expansão acopláveis em dito controlador de processos do tipo modular provido de um bastidor (20) para receber os módulos de expansão (30) que irão permitir a expansão das funcionalidades do controlador pelo próprio usuário, segundo as necessidades da aplicação, sendo os módulos de expansão detectados automaticamente pelo módulo principal (10) do controlador de processos através de uma interface de comunicação dedicada.

Description

CONTROLADOR DE PROCESSOS INDUSTRIAIS E MÉTODO DE DETECÇÃO AUTOMÁTICA DE MÓDULOS DE EXPANSÃO ACOPLADO EM DITO CONTROLADOR DE PROCESSOS CAMPO TÉCNICO
[01] A presente patente de invenção descreve um método de detecção automática de módulos de expansão acopláveis a um controlador de processos do tipo modular provido de um bastidor para receber ditos módulos que irão permitir a expansão das funcionalidades do controlador pelo próprio usuário, segundo as necessidades da aplicação, sendo os módulos de expansão detectados automaticamente pelo módulo principal do controlador de processos através de uma interface de comunicação dedicada.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[02] Os controladores são vastamente empregados no controle lógico de processos, gerenciando as variáveis de entrada e definindo, através de um processo implementado em um programa de computador, ações de controle e de operação.
[03] Os controladores de processos podem ser programáveis pelo usuário (conhecidos como Controladores Lógico Programáveis (CLP)) ou podem ter programação fixa.
[04] Nas entradas do controlador são conectados os transdutores, que informam eletricamente as variáveis do processo a uma unidade de processamento que, por sua vez, analisa as informações de entrada, executa sua lógica de controle e, comanda a ativação e a desativação de suas saídas, que são conectadas a elementos atuadores (dispositivos que interagem com o processo) a fim de controlá-lo.
[05] Controladores de processos PID para montagem em painel são controladores especializados na regulação de uma ou mais grandezas de processos, como temperatura, vazão, pressão, nível, posicionamento, entre outros.
[06] Os controladores de processos PID para montagem em painel são oferecidos em invólucros com dimensões padronizadas, segundo a norma IEC 61554, sendo os dimensionais de painel mais populares: 48x48 mm, 48x96mm e 96x96mm. Basicamente, estes controladores de processo compreendem um módulo principal contendo a unidade de processamento, display, teclas, fonte de alimentação, um conjunto de entradas e saídas e conexões eletromecânicas para os sinais de sensores, transdutores e atuadores externos.
[07] Os controladores PID de processos tipicamente ficam lendo continuamente uma entrada analógica (sensor), comparando-a com um valor de referência para o processo que está sendo controlado (setpoint) e atuando em uma saída conforme a diferença percebida entre o que se deseja para o processo e o que está realmente acontecendo (laço PID). Além disso, a variável que está sendo lida e controlada (temperatura, por exemplo) pode ser usada para disparar situações de alarme ou pode ser lida por agentes externos através de interfaces de comunicação. Em um controlador de processos PID típico, todos esses elementos fazem parte do produto original.
[08] O documento CN107329449 descreve um método de criação de módulo plug and play (PnP) do controlador lógico programável (PLC) baseado em sistema AB que compreende as seguintes etapas: em primeiro lugar, operar o CLP a ser carregado por meio do software RSlogix5000; após, criar um programa, editando-o através do módulo de edição; e, finalmente, selecionar um cartão de memória para gravar as matrizes de correlação das entradas e saídas geradas pelo programa, que é criptografado por segurança.
[09] O documento KR20180036089 descreve um sistema dinâmico de equipamentos de automatização logística do tipo plug and play (PnP) que permite o uso gratuito de equipamentos de distribuição, independentemente do fabricante do equipamento, através de um PnP dinâmico após o registro do equipamento de distribuição, integrando um sistema de controle de armazém (WCS) que gerencia equipamentos de automação em um armazém de distribuição com um sistema de controle de equipamentos (ECS) que monitora o controle de cada equipamento único e um status operacional.
[010] O documento KR20190116060 descreve um sistema de controle inteligente plug and play baseado em um nó IoT de uso geral e um método para reconhecer o tipo de um sensor no seu sistema. O sistema compreende um módulo IoT e um servidor de controle. O módulo IoT detecta um ambiente externo usando uma pluralidade de sensores e um atuador antes de descarregar informações ou enviar um comando para o exterior. O servidor de controle recebe as informações detectadas do módulo IoT através de uma comunicação com fio/sem fio e transmite informações para controlar o atuador para o módulo IoT correspondente. O módulo IoT inclui uma pluralidade de slots aos quais os sensores estão acoplados. O número e a ordem de alinhamento dos fios dos sensores nos slots são definidos de maneira idêntica em todos os slots. No caso de um sensor específico com o número ou a ordem de alinhamento dos fios definidos de forma diferente do padrão, uma placa auxiliar é usada para fazer o casamento das conexões. Além disso, o sensor específico é conectado ao slot através de um método de reconhecimento por meio de distribuição de tensão por resistência ou por uma característica específica de resposta em frequência por um circuito de ressonância LC.
[011] O documento US2012292096 descreve uma plataforma, sistema e método de conectividade modular plug and play. A plataforma de conectividade modular plug and play divulgada fornece um ponto de convergência/distribuição/conversão para vários serviços e meios de transmissão. Em modalidades exemplares, a plataforma inclui uma placa de base configurada para ser instalada em uma parede sobre uma caixa de junção podendo suportar um ou mais módulos de distribuição ou conversão de dados. Uma placa intercambiável é fixável à placa de base e fornece interfaces para um ou mais módulos de distribuição ou conversão de dados. Uma tampa é fixável à placa de base e forma um gabinete que abrange todos os módulos de distribuição ou conversão de dados suportados pela placa de base.
[012] O documento WO2005025192 descreve um sistema modular de comunicação, comando e controle com conectividade plug and play, utilizando estações base independentes configuráveis e aparelhos portáteis que, de preferência, possuem componentes e funcionalidades semelhantes para serem interoperáveis. O sistema utiliza uma arquitetura de interconexão de sistema aberto, de preferência com camadas totalmente integradas, permitindo a interoperabilidade com aplicações adaptativas e inter/intra-linking com dispositivos e/ou aparelhos externos. Opcionalmente, o sistema pode ser utilizado para executar funções estendidas de manipulação/processamento de informações, redes, assistência pessoal, funções industriais, comerciais, médicas, militares e/ou de segurança.
[013] O documento US4903192 descreve um sistema que compreende um controlador PID controlando um processo que representa um objeto a ser controlado e um ajustador automático produzindo uma saída de controle PID (variável manipulada) de forma a obter os índices de desempenho necessários e calcular, com base nos índices de desempenho, parâmetros de controle ideais para ajustar automaticamente os parâmetros de controle para gerar uma saída de controle que produza a melhor resposta para o sistema.
[014] O documento JPH08137557 descreve um controlador de temperatura com um arranjo ideal dos circuitos eletrônicos a fim de reduzir o tamanho e custo do controlador e também obter a fixação simples de uma placa impressa para melhorar o processo de montagem.
[015] O documento US4250563 descreve um controlador programável com um módulo de processador, um ou mais módulos de E/S e um rack no qual os módulos são inseridos, podendo ser expandido mediante substituição do módulo do processador do slot principal por um módulo adaptador de rack que se conecta a uma unidade de processador separada. A unidade de rack é convertida de um rack de controlador em um dos vários racks de interface de E/S que podem ser conectados à unidade de processador separada. O módulo de processador removível integra as funções de processamento da unidade de processador separada e as funções de verificação de paridade, decodificação e armazenamento em buffer do módulo adaptador de rack. O gabinete do rack fornece um conector universal entre os módulos de E/S e o módulo selecionado para inserção no slot principal.
[016] O documento US2019369649 descreve um controlador com interface tendo uma abordagem de reconhecimento plug and play com um mecanismo de preenchimento de interface de usuário automático. Uma verificação pode ser feita para sensores conectados ao controlador. O tipo de controle dos sensores pode ser determinado. A estrutura do menu pode ser preenchida novamente com base no tipo de controle. A interface do usuário pode então ser atualizada. Esta abordagem pode ser repetida conforme necessário.
[017] O documento US2015347161 descreve dispositivos de entrada/saída com funcionalidade reconfigurável nos componentes dos dispositivos de E/S sem a necessidade de desconectar os componentes uns dos outros.
[018] O estado da técnica descreve controladores com mecanismos plug and play que utilizam arquiteturas sofisticadas e caras, muitas vezes exigindo conhecimento técnico avançado, como programação. No caso específico de controladores PID para montagem em painel, o estado da técnica descreve controladores sem capacidade de fácil reconfiguração ou expansão em campo de suas características de hardware, condições que se tornam economicamente inviáveis às aplicações de menor porte, porém não menos exigentes.
[019] Visando prover uma solução técnica viável para aplicação em controladores, é objeto da presente patente de invenção um controlador de processos industriais e um método de detecção automática de módulos de expansão acoplados ao dito controlador que permite a ampliação das funcionalidades do controlador pelo acoplamento de módulos de expansão a um bastidor plug and play, sendo estes módulos detectados e habilitados automaticamente pelo módulo principal do controlador, que disponibiliza suas funções para configuração e uso imediato pelo usuário do controlador.
SUMÁRIO
[020] A invenção descreve um controlador de processos modular em alojamento adequado para montagem em painel nos formatos padronizados 48x48 mm, 48x96 mm e 96x96 mm, com módulos de expansão plug and play.
[021] A invenção descreve um controlador de processos modular que permite a instalação e remoção de módulos de expansão sem a necessidade de ferramentas, pelo próprio usuário.
[022] A invenção descreve um controlador de processos modular que recebe um bastidor de encaixe com mecanismo de fixação e capacidade plug and play para suporte aos módulos de expansão.
[023] A invenção descreve um controlador de processos modular dotado de um barramento de comunicação para interface com os módulos de expansão através de um barramento e protocolo de comunicação para reconhecimento automático, identificação e troca de dados com os módulos.
[024] A invenção descreve um controlador de processos modular que se adequa a diferentes tipos de módulos, sem precisar conhecê-los previamente.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
[025] A figura 1 apresenta a vista em perspectiva evidenciando o controlador com o bastidor e três módulos de expansão de diferentes formatos conectados.
[026] A figura 2 apresenta a vista explodida evidenciando o controlador, o bastidor e os módulos de expansão.
[027] A figura 3A apresenta a vista inferior do bastidor e a figura 3B apresenta detalhamento das conexões elétricas do bastidor
[028] A figura 4 apresenta vista em perspectiva do módulo de expansão.
[029] A figura 5 apresenta o fluxograma do método de detecção automática de módulos de expansão acoplado no módulo principal de um controlador de processos.
[030] A figura 6 apresenta o fluxograma da etapa de descoberta dos módulos de expansão acoplados no bastidor.
[031] A figura 7 apresenta o fluxograma de configuração automática do controlador de processos modular.
[032] A figura 8A apresenta o fluxograma de operação do módulo de expansão I/O e a figura 8B apresenta o fluxograma de operação do módulo de expansão de comunicação.
DESRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
[033] Para os fins da presente invenção, os seguintes termos são conceituados:
[034] “módulo de expansão” (30) compreende uma unidade eletroeletrônica provida de entradas ou saídas, analógicas ou digitais e/ou interfaces de comunicação, podendo ser módulos I/O (input/output) ou módulos de comunicação;
[035] “módulo principal” (10) compreende uma unidade eletroeletrônica provida de uma unidade de processamento com um programa de computador para execução de instruções para identificação, configuração e operação dos módulos de expansão (30) a ele associados, tendo o módulo principal (10) um display, teclas, fonte de alimentação e um conjunto de entradas e saídas.
[036] O controlador de processos industriais, objeto da presente patente de invenção, compreende um módulo principal (10) em cuja base é disposto um bastidor (20) que permite o acoplamento de pelo menos um módulo de expansão (30) a ser detectado e habilitado automaticamente pelo módulo principal (10), garantindo a expansão em campo das funções do dito controlador de processos.
[037] O bastidor (20) pode ser uma estrutura integrante do módulo principal (10), constituindo um corpo único, ou dito bastidor (20) pode ser acoplado ao módulo principal (10).
[038] O acoplamento mecânico do bastidor (20) à base do módulo principal (10) é efetivado através do encaixe de pelo menos uma aba provida de um furo passante (22) que se projeta do bastidor (20) em pelo menos um recesso com um ressalto central (11) disposto na base do módulo principal (10).
[039] O bastidor (20) apresenta um conector (24) que provê a ligação elétrica ao módulo principal (10), interligando o barramento de comunicação do bastidor (20) à fonte de alimentação e à interface de comunicação do módulo principal (10).
[040] O bastidor (20) apresenta um barramento de comunicação dotado de conjuntos de conexões elétricas (25) que se repetem em cada posição reservada à conexão de um módulo de expansão (30), tendo cada conjunto de conexões elétricas (25) um endereço de comunicação único (E) no barramento de comunicação, configurando um compartimento ou slot (21). O barramento de comunicação fornece alimentação elétrica aos módulos de expansão (30) e conecta cada módulo de expansão (30) a um endereço da interface de comunicação do módulo principal (10).
[041] O módulo de expansão (30) se acopla mecanicamente no bastidor (20) através do encaixe de uma aba com furo passante (23) que se projeta do bastidor (20) na face oposta à aba (22) em um ressalto (31) disposto em posição coincidente na superfície do módulo de expansão (30).
[042] O acoplamento mecânico dos módulos de expansão (30) facilita a integração e a retirada do módulo principal (10), eliminando a necessidade de abertura do gabinete do módulo principal (10), operação realizada nos controladores do estado da técnica que apresentam módulos de expansão internos ao módulo principal.
[043] No módulo de expansão (30) são previstos conectores com mola (32) que se acoplam nas conexões elétricas (25) do bastidor (20) para o acoplamento elétrico.
[044] Cada módulo de expansão (30) apresenta uma estrutura de dados de configuração e operação, identificada pelo processador do módulo principal (10) quando ocorre o acoplamento, permitindo a criação de telas dinâmicas de configuração dos módulos de expansão (30) pelo usuário e para operação dos módulos de expansão (30) de acordo com as funções vinculadas à dito módulo de expansão (30) durante a configuração.
[045] Uma vez acoplado o módulo de expansão (30) no bastidor (20) e estabelecidas as conexões elétricas, o identificador único (ID) do módulo de expansão (30) é lido pela unidade de processamento do módulo principal (10) na etapa de descoberta, detectando a presença do acoplamento de um determinado módulo de expansão (30) ao módulo principal (10).
[046] Na etapa de descoberta, a unidade de processamento do módulo principal (10) envia sinais a todos os slots (21) do bastidor (20) através das conexões elétricas (25) do barramento de comunicação. Os módulos de expansão (30) instalados são identificados, listados e habilitados pela unidade de processamento do módulo principal (10) utilizando o identificador único (ID) de cada módulo de expansão (30) e o endereço (E) do slot (21) ocupado pelo módulo de expansão (30).
[047] E m uma etapa seguinte à etapa de descoberta, os módulos de expansão (30) são configurados. Nesta etapa, os módulos de expansão (30) detectados na etapa anterior enviam à unidade de processamento do módulo principal (10) as suas estruturas de dados de configuração e operação através das conexões elétricas (25) do barramento de comunicação, de forma que ditas estruturas de dados são utilizadas pelo processador do módulo principal (10) para a criação de telas dinâmicas associadas a cada módulo de expansão (30) instalado que vinculam as funções do módulo principal (10) aos módulos de expansão (30) instalados no bastidor (20).
[048] Na etapa de configuração, o usuário vincula as funções do controlador de processos à cada módulo de expansão (30) acoplado no módulo principal (10) através de navegação no display. Como exemplo de funções do módulo principal (10) atribuídas manualmente aos módulos de expansão (30) através de navegação no display do módulo principal (10) tem-se: entrada de sensor para a função de controle PID, saída de sinal para atuador da função de controle PID, saída de sinalização para função de alarme de alta, entrada para habilitar função de programa de rampas e patamares, interface de comunicação usando protocolo Modbus, entrada de medição de corrente para função de detecção de atuador queimado, saída para função de retransmissão de sinal do sensor.
[049] A unidade de processamento do módulo principal (10) determina as funções do controlador que podem ser vinculadas a cada módulo de expansão (30) instalado baseado nas estruturas de dados obtidas destes módulos (30) na etapa de configuração.
[050] Desta forma, módulos de expansão (30) com capacidade de entrada são vinculados a funções de entrada do controlador de processos modular; módulos de expansão (30) com capacidade de saída são vinculados a funções de saída e módulos de expansão (30) com capacidade de comunicação são vinculados a funções de comunicação.
[051] Opcionalmente, a vinculação das funções do controlador de processos à cada módulo de expansão (30) acoplado no módulo principal (10) é feita utilizando programas de computador externos que se comunicam com o controlador de processos modular através das interfaces de comunicação.
[052] Na etapa de operação, a unidade de processamento do módulo principal (10) executa funções de controle similares ao estado da técnica em controladores de processos PID. Os sinais elétricos de entrada, saída e comunicação são direcionados aos respectivos módulos de expansão (30) de acordo com a vinculação feita na etapa de configuração. A unidade de processamento do módulo principal (10) executa apenas as funções de controle nas quais há módulos de expansão (30) vinculados.
[053] Antes do módulo principal (10) executar uma função que depende de um sinal de entrada em um módulo de expansão (30) do tipo I/O, este sinal é lido do módulo de expansão (30) através do barramento de comunicação. Após o módulo principal (10) executar uma função de controle, que resulta em um novo valor para o sinal de saída em um módulo de expansão (30) do tipo I/O, este valor é enviado ao módulo de expansão (30) através do barramento de comunicação.
[054] O módulo principal (10) realiza a leitura de dados dos módulos de expansão (30) do tipo COM a intervalos regulares, através do barramento de comunicação. Os dados recebidos são processados pelas funções de comunicação do módulo principal (10). Se as funções de comunicação do módulo principal (10) resultarem em dados a ser transmitidos pelos módulos de expansão do tipo COM instalados, ditos dados são enviados a ditos módulos de expansão (30) através do barramento de comunicação.

Claims (4)

  1. CONTROLADOR DE PROCESSOS INDUSTRIAIS caracterizado por compreender:
    • a) um módulo principal (10) dotado de um recesso com ressalto central (11) disposto na base;
    • b) um bastidor (20) dotado de uma aba provida de furo passante (22) que se encaixa no ressalto (11) disposto na base do módulo principal (10) e uma aba com furo passante (23) que se projeta da face oposta à aba (22) que se encaixa no ressalto (31) disposto em posição coincidente na superfície do módulo de expansão (30), tendo o bastidor (20) um barramento de comunicação dotado de conjuntos de conexões elétricas (25) com endereço de comunicação único (E), configurando um compartimento ou slot (21) e um conector (24) que interliga o barramento de comunicação do bastidor (20) à fonte de alimentação e à interface de comunicação do módulo principal (10);
    • c) módulo de expansão (30) posicionado em um compartimento (21) do bastidor (20) através do acoplamento de conectores com mola (32) nas conexões elétricas (25) do bastidor (20), tendo cada módulo de expansão (30) uma estrutura de dados de configuração e operação e um identificador único (ID) lido pela unidade de processamento do módulo principal (10), detectando a presença do acoplamento de um determinado módulo de expansão ao módulo principal (10).
  2. CONTROLADOR DE PROCESSOS INDUSTRIAIS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do bastidor (20) ser uma estrutura integrante do módulo principal (10), constituindo um corpo único.
  3. MÉTODO DE DETECÇÃO AUTOMÁTICA DE MÓDULOS DE EXPANSÃO ACOPLADO NO CONTROLADOR DE PROCESSOS reivindicado em 1, caracterizado por compreender as etapas:
    • a) unidade de processamento do módulo principal (10) envia sinais a todos os slots (21) do bastidor (20) através das conexões elétricas (25) do barramento de comunicação;
    • b) módulos de expansão (30) instalados são identificados, listados e habilitados pela unidade de processamento do módulo principal (10) utilizando o identificador único (ID) de cada módulo de expansão (30) e o endereço (E) do slot (21) ocupado pelo módulo de expansão (30);
    • c) módulos de expansão (30) detectados na etapa (b) enviam à unidade de processamento do módulo principal (10) as suas estruturas de dados de configuração e operação através das conexões elétricas (25) do barramento de comunicação;
    • d) estruturas de dados dos módulos de expansão (30) são utilizadas pelo processador do módulo principal (10) para a criação de telas dinâmicas associadas a cada módulo de expansão (30) instalado que vinculam as funções do módulo principal (10) aos módulos de expansão (30) instalados no bastidor (20);
    • e) usuário vincula as funções do controlador de processos à cada módulo de expansão (30) acoplado no módulo principal (10) através de navegação no display;
    • f) unidade de processamento do módulo principal (10) determina as funções do controlador que podem ser vinculadas a cada módulo de expansão (30) instalado baseado nas estruturas de dados obtidas destes módulos (30) na etapa de configuração;
    • g) sinais elétricos de entrada, saída e comunicação do controlador de processos são direcionados aos respectivos módulos de expansão (30) de acordo com a vinculação feita na etapa de configuração.
  4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pela vinculação das funções do controlador de processos à cada módulo de expansão (30) acoplado no módulo principal (10) ser por meio de programas de computador externos que se comunicam com o controlador de processos modular através das interfaces de comunicação.
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