BRPI0912486A2 - instrumentation, control and automation module - Google Patents

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BRPI0912486A2
BRPI0912486A2 BRPI0912486A BRPI0912486A2 BR PI0912486 A2 BRPI0912486 A2 BR PI0912486A2 BR PI0912486 A BRPI0912486 A BR PI0912486A BR PI0912486 A2 BRPI0912486 A2 BR PI0912486A2
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BR
Brazil
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module
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mica
pins
control
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Portuguese (pt)
Inventor
Carmela Maria Polito Braga
Anisio Rogerio Braga
Original Assignee
Univ Minas Gerais
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  • Testing And Monitoring For Control Systems (AREA)
  • Programmable Controllers (AREA)

Abstract

MóDULO DE INSTRUMENTAçãO, CONTROLE E AUTOMAçãO. O presente pedido de patente descreve um Módulo de Instrumentaçâo, Controle e Automação (MICA) desenvolvido para atividades de ensino laboratorial e treinamento técnico nas áreas de controle e automação industrial e predial. Mais particularmente, a tecnologia ora proposta (MICA) apresenta uma estrutura flexível e versátil de software e hardware que permite desenvolver, testar e validar projetos de sistemas de automação com diversos sensores, atuadores plantas piloto industriais, sendo que os testes e experimentos podem ser feitos em laboratórios ou próximos a plantas industriais.INSTRUMENTATION, CONTROL AND AUTOMATION MODULE. This patent application describes an Instrumentation, Control and Automation Module (MICA) developed for laboratory teaching and technical training activities in the areas of industrial and building control and automation. More particularly, the technology now proposed (MICA) presents a flexible and versatile structure of software and hardware that allows to develop, test and validate automation system projects with different sensors, actuators, industrial pilot plants, and tests and experiments can be done in laboratories or close to industrial plants.

Description

MÓDULO DE INSTRUMENTAÇÃO, CONTROLE E AUTOMAÇÃO - MICAINSTRUMENTATION, CONTROL AND AUTOMATION MODULE - MICA

CAMPO DE APLICAÇÃOAPPLICATION FIELD

O presente pedido de patente refere-se a um dispositivo utilizado para ensino de instrumentação, controle de processos e automação nos variados níveis de formação: técnico, superior e pós-graduação (especialização, mestrado e doutorado). Também pode ser usado para treinamento técnico em laboratório de ensino ou chão de fábrica, demonstração em salas de aula, laboratórios e feiras de ciência e tecnologia. Outras utilizações são o desenvolvimento de sistemas de instrumentação, controle de processos e automação, testes de sistemas supervisórios e interfaces homem-máquina, desenvolvimento e testes de sistemas de automação de eventos discretos e teste e validação de aplicações industriais de instrumentação, controle de processos e automação.This patent application refers to a device used for teaching instrumentation, process control and automation at various levels of training: technical, higher and postgraduate (specialization, master and doctorate). It can also be used for technical training in teaching lab or shop floor, demonstration in classrooms, labs and science and technology fairs. Other uses include the development of instrumentation systems, process control and automation, supervisory system testing and human-machine interfaces, development and testing of discrete event automation systems, and testing and validation of industrial instrumentation, process control and automation.

ESTADO DA TÉCNICATECHNICAL STATE

Foi publicado nos Anais da 58a Reunião Anual da SBPC - Florianópolis, SC - Julho/2006, o resumo intitulado "MÓDULO DIDÁTICO PARA ENSINO DE INSTRUMENTAÇÃO, CONTROLE E AUTOMAÇÃO", de autoria de Anísio Rogério Braga, Carmela Maria Polito Braga, Daniel Almeida Godinho, Karluce Santos Rezende. Trata-se de uma apresentação resumida do conceito do módulo didático, naquele momento em fase de desenvolvimento, com construção experimental das partes.It was published in the Annals of the 58th Annual Meeting of SBPC - Florianópolis, SC - July / 2006, the summary entitled "TEACHING MODULE FOR INSTRUMENTATION, CONTROL AND AUTOMATION TEACHING", written by Anísio Rogério Braga, Carmela Maria Polito Braga, Daniel Almeida Godinho , Karluce Santos Rezende. This is a brief presentation of the concept of the didactic module, at that time in development phase, with experimental construction of the parts.

A Lab-Volt possui uma linha de sistemas móveis de treinamento em Instrumentação e controle de processos. Trata-se de módulos sobre rodas loucas, que permitem um fácil deslocamento do mesmo em laboratório. Eles consistem de estações de trabalho projetadas para treinamento em instrumentação e controle de processos. Cada estação pode operar separadamente ou ser interconectada com outra estação da linha, simulando sistemas mais complexos. Cada estação é projetada e construída com foco no processo que simula, ou seja, estação de vazão, de nível, de pressão, de temperatura, de processo analítico ou multiprocesso. Todas as estações possuem um controlador microprocessado e um plotter, além de sinaleiros e pinos banana para acesso aos sinais dos instrumentos de medida e atuadores instalados em cada estação.Lab-Volt has a line of mobile training systems in Instrumentation and process control. These are modules on crazy wheels, which allow easy movement of the same in the laboratory. They consist of workstations designed for training in instrumentation and process control. Each station can operate separately or be interconnected with another line station, simulating more complex systems. Each station is designed and built with a focus on the simulating process, ie flow, level, pressure, temperature, analytical process or multiprocess station. All stations have a microprocessor controller and plotter, as well as traffic lights and banana pins for access to the signals of the measuring instruments and actuators installed at each station.

PROBLEMAS DO ESTADO DA TÉCNICATECHNICAL STATE PROBLEMS

Os Módulos didáticos com finalidades de ensino e treinamento técnico são predominantemente construídos como soluções:Teaching modules for teaching and technical training purposes are predominantly built as solutions:

• Restritivas, fechadas e com limitações de modificação de hardware;• Restrictive, closed and limited hardware modification;

• Didáticas na apresentação, mas distanciadas dos paradigmas da realidade de chão de fábrica. É comum o uso de sensores de baixo custo e sem padronização industrial;• Didactics in the presentation, but distanced from the reality paradigms of factory floor. It is common to use low cost sensors without industry standardization;

• Focadas em soluções demonstrativas para treinamento específico;• Focused on demonstrative solutions for specific training;

• Limitadas em termos de testes de condições operacionais e de falhas de instrumentos e equipamentos. Falhas são inseridas de forma pré-programadas para avaliação de treinamento em geral;• Limited in terms of operational condition testing and instrument and equipment failure. Faults are pre-programmed for general training evaluation;

• Encapsuladas e com restrições, i.e. sem flexibilidade de expansão, e quando existem estas são normalmente proprietárias;• Encapsulated and restricted, i.e. without expansion flexibility, and when they exist they are usually proprietary;

• Encapsuladas com conexões elétricas de alimentação e acionamento embutidas (encobertas por obstruções de proteção opacas), normalmente fixas, sem possibilidades amplas de modificação ou reconfiguração;• Encapsulated with built-in power and drive electrical connections (shrouded by opaque protective obstructions), normally fixed, without ample modification or reconfiguration possibilities;

• Proprietárias e restritivas em termos de aplicativos de software limitando o uso às tarefas de demonstração e treinamento.• Proprietary and restrictive software applications limiting use to demonstration and training tasks.

VANTAGENS DA TECNOLOGIATECHNOLOGY ADVANTAGES

O Módulo de Instrumentação, Controle e Automação contempla as seguintes vantagens:The Instrumentation, Control and Automation Module has the following advantages:

• Integração compacta e didática de aspectos de automação e controle de processos industriais que estabelecem e conectam arquétipos do usuário aos paradigmas da realidade de chão de fábrica, criando associações representativas e equiparadas tecnologicamente com Sala de Controle, Bandejas de cabeamento de equipamentos e instrumentos, Processo em Chão de Fábrica com simulação mecânica de célula de manufatura discreto, simulação de painel de operação (com opção de modo Remoto e Local), modos de operação Manual e Automático, sinalizadores visuais tipo semáforo, sinalizador sonoro simulando sirene;• Compact and didactical integration of industrial process automation and control aspects that establish and connect user archetypes to the shop floor reality paradigms, creating technologically equivalent and representative associations with Control Room, Equipment and Instrument Cabling Trays, Process Factory Floor with discrete manufacturing cell mechanical simulation, operator panel simulation (with Remote and Local mode option), Manual and Automatic operating modes, semaphore visual beacons, siren simulating buzzer;

Utilização de código de cores para relacionar e agrupar equipamentos e instrumentos em campo com cartões de entrada e saída de Controladores Lógico Programáveis - CLP, e.g. as conexões de sensores são feitas com pinos banana na cor azul e as conexões de entrada digitais e analógicas do CLP, em que os sensores devem ser ligados, também são destacadas com pinos azuis destacados por uma área gráfica também na cor azul. Simulação de uma célula de manufatura integrada instrumentada composta por: mesa em forma de disco de alumínio giratória, sensores de detecção de presença indutivo, capacitivo e fotoelétrico dispostos eqüidistantes de 120° ao longo do entorno do disco. O disco é acionado por um servomotor com atuação tipo PWM (modulação por largura de pulso) bidirecional e de velocidade programável. Este conjunto de disco, sensores e acionamento servomotorizado representa um processo típico normalmente formado por esteiras rolantes na indústria automobilística e de bebidas dentre outras. A esteira é simulada por um disco de alumínio e as partes ou peças a serem transportadas ou fabricadas ao longo da extensão da esteira e respectiva célula de manufatura são representadas por aletas removíveis dispostas ao longo de toda a circunferência do disco com as seguintes características: metálica opaca (detectada pelos sensores indutivo e capacitivo), metálica espelhada (detectada pelos sensores indutivo, capacitivo e fotoelétrico), plástica opaca (detectável por sensor capacitivo), plástica reflexiva (detectável por sensores capacitivos e fotoelétricos).Using color coding to relate and group equipment and instruments in the field with Programmable Logic Controller - PLC input and output cards, eg sensor connections are made with blue banana pins and PLC digital and analog input connections. , where the sensors must be connected, are also highlighted with blue pins highlighted by a graphic area also in blue color. Simulation of an instrumented integrated manufacturing cell consisting of: rotating aluminum disk-shaped table, inductive, capacitive and photoelectric presence detection sensors arranged 120 ° equidistant along the disc's surroundings. The disc is driven by a bidirectional, programmable speed PWM (pulse width modulation) type servomotor. This set of discs, sensors and servomotor drive represents a typical process usually formed by conveyor belts in the automobile and beverage industry, among others. The belt is simulated by an aluminum disk and the parts or pieces to be transported or manufactured along the belt extension and its manufacturing cell are represented by removable fins arranged along the entire circumference of the disk with the following characteristics: metallic opaque (detected by inductive and capacitive sensors), metallic mirror (detected by inductive, capacitive and photoelectric sensors), opaque plastic (detectable by capacitive sensor), reflective plastic (detectable by capacitive and photoelectric sensors).

Simulação de falhas diversas e típicas de sistemas de automação tais como: condições operacionais alteradas por falha no processo (e.g. remoção de aletas no disco simulador de célula de manufatura; comutação de operação remota para local em painel de chão de fábrica), conexões elétricas trocadas ocasionando erros de endereçamento de variáveis se medição ou atuação, obstrução da área de sensoreamento (e.g. detetor indutivo, capacitivo ou fotoelétrico permanentemente acionando devido à presença de elementos externos ao processo simulado). Alteração nas distâncias de instalação de sensores que pode ser inadequada para a detecção desejada de peças, intermitência operacional de equipamentos e instrumentos (e.g. as conexões elétricas podem ser facilmente comutadas manualmente); Simulação de sensor de velocidade tipo encoder usando o disco de alumínio, que também simula uma esteira rolante, aletas e os sensores/ detectores indutivo, capacitivo e fotoelétrico; Expansão prevista tanto no painel frontal quanto em conexões externas temporárias ou permanentes. Usando trilhos DIN para fixação mecânica de Instrumentos, partes e equipamentos de pequeno porte tipicamente instalados em CCM - Centro de Controle de Motores como contatores e botoeiras. Conexões estendidas dos cartões do CLP usando minipinos banana de acordo com código de cores de interligação de entrada, saída e alimentação de cartões, instrumentos e equipamentos industriais;Simulation of diverse and typical automation system failures such as: changed operating conditions due to process failure (eg removal of fins on manufacturing cell simulator disk; remote to site switch on factory floor panel), switched electrical connections causing addressing errors of variables whether measurement or actuation, obstruction of the sensing area (eg inductive, capacitive or photoelectric detector permanently triggered due to the presence of elements external to the simulated process). Change in sensor installation distances that may be unsuitable for desired part detection, operational flashing of equipment and instruments (e.g. electrical connections can be easily switched manually); Encoder-type speed sensor simulation using aluminum disc, which also simulates a conveyor belt, fins and inductive, capacitive and photoelectric sensors / detectors; Expected expansion on both front panel and temporary or permanent external connections. Using DIN rails for mechanical fixation of Instruments, parts and small equipment typically installed in CCM - Motor Control Center as contactors and pushbuttons. Extended PLC card connections using banana minipins according to color coded interconnect input, output and power of cards, instruments and industrial equipment;

Encapsulamento de conexões elétricas de alimentação e acionamento embutidas na parte interna do corpo do módulo, porém com fechamento do módulo com material translúcido, permitindo não apenas uma inspeção visual ampla das conexões internas, mas também modificações e instalação de novos equipamentos ou instrumentos usando a base de um trilho DIN para fixação mecânica de partes;Encapsulation of power and drive electrical connections embedded within the module body, but with module closure with translucent material, allowing not only extensive visual inspection of the internal connections, but also modifications and installation of new equipment or instruments using the base. DIN rail for mechanical fixing of parts;

Integração de partes, equipamentos, sensores e atuadores elétricos usados em instalações industriais reais, cujas conexões elétricas são reconfiguráveis usando uma estrutura organizada com canaletas furada nas laterais para facilitar o roteamento de cabos e conexões elétricas. A canaleta simula uma bandeja de cabos usada em chão de fábrica e a área interna delimitada pela canaleta representa o chão de fábrica. As conexões do lado externo do entorno da canaleta são extensões das conexões dos cartões de um CLP dispostas em conexões fêmeas para minipinos tipo banana.Integration of electrical parts, equipment, sensors and actuators used in real industrial installations, whose electrical connections are reconfigurable using an organized structure with side-drilled channels to facilitate cable routing and electrical connections. The channel simulates a cable tray used on the factory floor and the internal area enclosed by the channel represents the factory floor. Connections on the outside of the channel surrounds are extensions of the PLC card connections arranged in female connections for banana minipins.

O módulo MICA é formado por uma estrutura angulada em forma de cunha que facilita a visualização e operação de comandos localmente por mais de um operador simultaneamente. O painel frontal é colorido com áreas delimitadas e conexões codificadas com as seguintes cores: Azul para entrada digital e analógica, Amarelo para saída digitai ou analógica, Cinza para conexões isoladas a relê (24VCC, 127VCA e 220VCA), Vermelho para tensões de alimentação de +24VCC, Preto para conexões ao potencial de referência da fonte de 24VCC ou terra denominado GND (Ground).The MICA module is formed by an angled wedge structure that facilitates the viewing and operation of commands locally by more than one operator simultaneously. The front panel is colored with bounded areas and connections coded in the following colors: Blue for digital and analog input, Yellow for digital or analog output, Gray for relay isolated connections (24VDC, 127VAC and 220VAC), Red for power supply voltages. + 24VDC, Black for connections to the 24VDC or GND (Ground) source reference potential.

A estrutura do módulo é metálica, móvel e robusta, viabilizando a instalação tanto em laboratórios quanto em testes de comissionamento e validação em ambientes industriais no chão de fábrica seja para comissionamento, validação, demonstração ou treinamento.The module structure is metallic, mobile and robust, making it possible to install both in laboratories and commissioning and validation testing in industrial environments on the shop floor for commissioning, validation, demonstration or training.

Instalação de botoeira de emergência para simular situações de perigo ou de interrupção de operação. LISTA DE FIGURASInstallation of emergency pushbutton to simulate danger or interruption of operation. LIST OF FIGURES

Figura 1: Diagrama esquemático do MICA1 vista frontalFigure 1: MICA1 front view schematic diagram

Figura 2: Vista lateral do MICAFigure 2: Side View of MICA

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVEÇÃODETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

O Módulo de Instrumentação, Controle e Automação (MICA) foi concebido, projetado e implementado no LVAS - Laboratório de Validação de Sistemas da UFMG e no Laboratório de Eletrônica Aplicada e Controle de Processos Industriais do CEFETMG. A estrutura portátil do MICA, com software e hardware completamente reconfiguráveis, permite testar, experimentar e validar projetos de sistemas de instrumentação, controle de processos e automação com diversos sensores e atuadores com conexões padronizadas para sistemas industriais. Os testes e experimentos podem ser feitos em laboratórios ou próximos a plantas industriais.The Instrumentation, Control and Automation Module (MICA) was conceived, designed and implemented in the LVAS - System Validation Laboratory of UFMG and in the Applied Electronics and Industrial Process Control Laboratory of CEFETMG. MICA's portable structure, with fully reconfigurable software and hardware, enables testing, experimentation and validation of instrumentation, process control and automation system designs with various sensors and actuators with standardized connections for industrial systems. Tests and experiments can be done in laboratories or near industrial plants.

O projeto do MICA foi detalhado em CAD e aprimorado com o auxílio de maquetes para a adequação dos espaços e funcionalidades. A parte frontal do painel possui desenhos ilustrando seus circuitos, respeitando um código de cores pré-definido para as conexões elétricas, e com a facilidade para manuseio de dispositivos, juntamente a uma forma segura e organizada de se trabalhar (ver Fig. 1).MICA's design has been detailed in CAD and enhanced with the aid of scale models for space and functionality adequacy. The front of the panel has drawings illustrating its circuits, respecting a predefined color coding for electrical connections, and ease of device handling along with a safe and organized way of working (see Fig. 1).

O código de cores do módulo é definido de acordo com seu tipo de sinal, qual seja fonte de alimentação positiva 24VCC (vermelho), referência da fonte de alimentação, polo negativo, (preto), entrada digital ou analógica (azul), saída digital ou analógica (amarelo), saída a relê (cinza). As conexões elétricas são facilmente construídas tendo de ser feitas obedecendo ao código de cores de forma que sensores destacados em cor azul são conectadas a entradas digitais ou analógicas também marcados em azul. A estrutura física com canaletas, bornes e cabos flexíveis em cores distintas e padronizadas facilita e torna mais seguro o trabalho docente ou tutor de conferência dos circuitos executados por estudantes ou pessoal em treinamento, antes de se autorizar a energização dos mesmos, durante experimentos com o MICA e seus respectivos subsistemas. Um controlador Lógico Programável - CLP utilizado pode conter entradas digitais, saídas digitais à relê e à transistor, entradas e saídas analógicas em tensão ou corrente; comunicação via porta serial RS232 e rede Ethernet; fonte de 24Vcc e outros módulos para aplicações especificas a serem instaladas na área de expansão do módulo. O CLP é encaixado na estrutura do painel por meio de um trilho DIN. Este trilho é estendido para a lateral direita do CLP, permitindo o encaixe de módulos auxiliares ou outros sensores e atuadores, permitindo a expansão das funcionalidades inerentes do MICA. O controlador programável confere ao painel as características de configuração e programação das funcionalidades de entrada e saída via software. As conexões de entrada e saída do CLP são estendidas para pinos arranjados em grupos, de forma a permitir a montagem de conexões elétricas diversas usando cabos e pinos mini-banana coloridos. Os grupos de pinos de conexão são destacados em cores para diferenciar as funções de entrada e saída analógica e digital e interfaces isoladas ou não eletricamente. As conexões analógicas podem ser feitas tanto em tensão quanto em corrente de acordo com padrões industriais. A organização dos cabos das conexões entre o CLP, os sensores, atuadores e chaves é feita em canaletas que servem de guia para o cabeamento, evitando-se, assim, laços e embaraços nas montagens. A estrutura metálica do painel, em forma de cunha, permite uma visualização ampla da montagem, além de prover internamente espaço para alojar circuitos eletrônicos e contatores que servem para acionar cargas elétricas de maior potência, como motores e aquecedores externos ao painel. Uma conexão elétrica trifásica é provida na lateral direita do módulo para acionamentos externos de potência conferindo segurança e isolamento para a operação no painel frontal do módulo. O acionamento de cargas externas é feito por meio de um contator acionado remotamente pelo CLP ou, manualmente, por um botão de comando disposto na parte frontal do painel.The module color code is set according to its signal type, which is 24VDC positive power supply (red), power supply reference, negative pole, (black), digital or analog input (blue), digital output or analog (yellow), relay output (gray). Electrical connections are easily constructed and have to be made color-coded so that sensors highlighted in blue are connected to digital or analog inputs also marked in blue. The physical structure with standardized, color-coded channels, terminals, and flexible cables makes it easier and safer to teach or lecture the circuits run by students or training personnel before allowing them to energize during experiments with the system. MICA and its respective subsystems. A Programmable Logic Controller - PLC used may contain digital inputs, relay and transistor digital outputs, analog voltage and current inputs and outputs; communication via RS232 serial port and Ethernet network; 24Vdc power supply and other application-specific modules to be installed in the module expansion area. The PLC is fitted to the panel structure by means of a DIN rail. This rail is extended to the right side of the PLC, allowing the docking of auxiliary modules or other sensors and actuators, allowing the expansion of the inherent features of MICA. The programmable controller gives the panel the configuration and programming features of the software input and output features. The PLC input and output connections are extended to pins arranged in groups to allow for the mounting of various electrical connections using colored mini-banana pins and cables. Connection pin groups are highlighted in color to differentiate analog and digital input and output functions, and non-electrically isolated interfaces. Analog connections can be made both in voltage and current according to industry standards. The cable organization of the connections between the PLC, the sensors, actuators and switches is made in channels that guide the cabling, thus avoiding loops and entanglements in the assemblies. The wedge-shaped metal structure of the panel allows a broad view of the assembly, as well as providing space internally to house electronic circuits and contactors that serve to drive higher power loads such as motors and heaters outside the panel. A three-phase electrical connection is provided on the right side of the module for external power drives for safety and isolation for module front panel operation. External loads are actuated by means of a contactor remotely actuated by the PLC or manually by a pushbutton on the front of the panel.

Três sinalizadores luminosos a LED simulam um semáforo ou atuadores luminosos genéricos.Three LED beacons simulate a traffic light or generic light actuators.

Para simular um sistema de esteira rolante é utilizado um disco de alumínio, controlado por um servo motor, em que são fixados aletas de diferentes materiais detectáveis distintamente por sensores indutivo, capacitivo e fotoelétrico, dispostos ao redor do disco. As aletas são numeradas e o posicionamento no disco referenciado para simulação de diferentes processos de manufatura ou automação e controle de processos.To simulate a conveyor belt system, an aluminum disc, controlled by a servo motor, is used in which fins of different materials are detected, distinctly detected by inductive, capacitive and photoelectric sensors, arranged around the disc. The fins are numbered and the disk placement referenced for simulating different manufacturing processes or process automation and control.

Uma sirene é utilizada como dispositivo de saída para sinalização sonora.A siren is used as an output device for sound signaling.

Como pode ser visualizado na figura 1 e na figura 2, as partes e funcionalidades do MICA são:As can be seen in figure 1 and figure 2, the parts and functionality of MICA are:

1. Controlador lógico Programável - CLP (situado na parte superior do módulo representando o paradigma da Sala de Controle;1. Programmable logic controller - PLC (located at the top of the module representing the Control Room paradigm;

2. Pinos para conexões estendidas de entrada e saída digitais do CLP;2. Pins for extended PLC digital input and output connections;

3. Canaleta para roteamento de cabos de conexões elétricas. Delineia a área representando o paradigma de chão de fábrica;3. Cable routing channel for electrical connections. Outlines the area representing the shop floor paradigm;

4. Disco giratório que simula uma célula de manufatura integrada; Aletas removíveis são instaladas na periferia deste disco4. Spinning disk that simulates an integrated manufacturing cell; Removable fins are installed on the periphery of this disk.

5. Sensor discreto e respectivas conexões para detecção de peças no disco5. Discrete sensor and its connections for disc part detection

6. Sensor discreto e respectivas conexões para detecção de peças no disco6. Discrete sensor and its connections for disc part detection

7. Sensor discreto e respectivas conexões para detecção de peças no disco7. Discrete sensor and its connections for disc part detection

8. Botoeira para acionamento manual de cargas externas ao módulo.8. Pushbutton for manual activation of external loads to the module.

9. Sinaleiros luminosos9. Lights

10. Pinos para conexão de fonte de alimentação de sensores e atuadores.10. Pins for connecting sensor and actuator power supply.

11. Pinos para conexão de fonte de alimentação de sensores e atuadores.11. Pins for connecting power supply to sensors and actuators.

12. Pinos para conexões estendidas de entrada e saída digitais do CLP.12. Pins for extended PLC digital input and output connections.

13. Chaves para comutação de modo remoto e local 14. Sinalizador sonoro13. Switches for remote and local mode switching 14. Buzzer

15. Pinos isolados para conexões estendidas de entrada e saída digitais do CLP.15. Insulated pins for extended PLC digital input and output connections.

16. Trilho DIN para conexão mecânica de módulos extras.16. DIN rail for mechanical connection of extra modules.

17.Área para montagem de módulos externos e com funcionalidades adicionais às do MICA.17.Area for mounting external modules and with additional functionality to MICA.

18. Conexões para acionamento do disco giratório.18. Connections for rotary disc drive.

19. Controlador Lógico Programável e módulos externos montados no painel frontal (vista lateral).19. Programmable Logic Controller and external modules mounted on the front panel (side view).

20. Canaleta para organização de cabos de conexões elétricas (vista lateral).20. Cable routing channel (side view).

21. Pés de borracha antiderrapantes para suporte do módulo.21. Non-slip rubber feet for module support.

22. Sinaleiro de emergência.22. Emergency signal.

23. Chave de emergência.23. Emergency Key.

24. Suporte tipo canaleta para armazenamento de cabos de variados tamanhos.24. Channel holder for storing cables of various sizes.

25. Tomada para conexão a rede elétrica.25. Socket for connection to mains.

26. Abertura lateral para conectar cargas monofásicas e trifásicas externas ao módulo.26. Side opening for connecting external single and three phase loads to the module.

27.Trilho DIN para instalação mecânica interna de módulos e suporte para futuras expansões.27. DIN rail for internal mechanical installation of modules and support for future expansions.

28. Contatores1 fusíveis, relês de proteção e fontes de alimentação internas ao MICA.28. Contactors1 fuses, protective relays, and power supplies internal to MICA.

29. Trilho DIN para instalação mecânica de módulos e suporte para futuras expansões no painel frontal.29. DIN rail for mechanical module installation and support for future front panel expansions.

30. Proteção translúcida para visualização de conexões internas, mas protegendo contato direto com os circuitos energizados internos ao painel quando em funcionamento.30. Translucent protection for viewing internal connections, but protecting direct contact with internal energized circuitry when operating.

Sistema de Controle e Automação:Control and Automation System:

A Arquitetura de controle e automação disponibilizada pelo módulo é a tradicional CLP mais sistema SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) em que o CLP realiza as funções de interface direta do sistema de controle com o processo. Cabe ao CLP determinar o estado das chaves de campo (aberta ou fechada) e as medidas dos sensores das variáveis de processo, por meio dos cartões de entradas discretas e analógicas. O CLP atua ainda sobre os dispositivos de acionamento do processo, logicamente, abrindo e fechando válvulas, ligando e desligando motores ou, continuamente, manipulando o posicionamento de válvulas ou a velocidade de motores.The Control and Automation Architecture provided by the module is the traditional PLC plus Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) system in which the PLC performs the direct interface functions of the control system with the process. It is up to the PLC to determine the state of the field switches (open or closed) and the sensor measurements of the process variables by means of discrete and analog input cards. The PLC also acts on the process drive devices, logically opening and closing valves, starting and stopping engines or continuously manipulating valve positioning or engine speed.

A conexão física entre CLP e microcomputador PC, em que se encontra instalado o software de operação e supervisão do módulo (SCADA), é feita por meio de um cabo de rede ethernet. Um aplicativo de operação e supervisão aciona remotamente o MICA, com uma tela básica de interface com os usuários do módulo. O uso de um aplicativo tipo supervisório permite além da operação e supervisão amigável das funcionalidades do módulo em operação remota, o armazenamento das variáveis medidas em um banco de dados.The physical connection between PLC and PC microcomputer, where the module operation and supervision software (SCADA) is installed, is made through an ethernet network cable. An operation and supervision application remotely triggers MICA with a basic module user interface screen. The use of a supervisory application allows, besides the friendly operation and supervision of the functionality of the module in remote operation, the storage of measured variables in a database.

Todos os recursos do módulo podem ser monitorados pelo aplicativo de operação e supervisão, via rede ethernet industrial ou conexão RS232, possibilitando ao usuário, de maneira didática, flexível, segura e confiável estudar sistemas dinâmicos de controle de processos, reconciliando aspectos de abstrações teóricas com a prática, numa arquitetura típica de controle e automação industrial.All features of the module can be monitored by the operation and supervision application via industrial ethernet or RS232 connection, enabling the user in a didactic, flexible, safe and reliable way to study dynamic process control systems, reconciling aspects of theoretical abstractions with the practice in a typical industrial control and automation architecture.

Sensoriamento e Acionamento:Sensing and Triggering:

O módulo MICA possui três sensores de proximidade digitais instalados em sua parte frontal, sendo um capacitivo ("C" - sensível a objetos metálicos e não-metálicos), que detecta variação no campo eletrostático, um indutivo ("I" - sensível a objetos metálicos), que detecta alterações no campo magnético, e um fotoelétrico ("F" - sensível a objetos reflexivos), que detecta superfícies refletoras. O sensores possuem contatos NA- Normalmente Aberto e NF- Normalmente Fechado para testes de diversas estratégias de automação.The MICA module has three digital proximity sensors installed on its front, one capacitive ("C" - sensitive to metallic and non-metallic objects), which detects variation in the electrostatic field, an inductive ("I" - sensitive to metallic), which detects changes in the magnetic field, and a photoelectric ("F" - sensitive to reflective objects), which detects reflective surfaces. The sensors have NO- Normally Open and NF- Normally Closed contacts for testing various automation strategies.

A atuação dos sensores pode ocorrer manualmente ou por meio de aletas de teste instaladas no disco giratório, na parte frontal do painel. Estas aletas são de quatro tipos, conforme relacionado na tabela 1.Sensors can be actuated manually or by means of test fins installed on the spinning disk on the front of the panel. These fins are of four types as listed in table 1.

Tabela 1: Aletas de teste do disco giratório do MICA <table>table see original document page 12</column></row><table>Table 1: MICA Spinning Disk Test Fins <table> table see original document page 12 </column> </row> <table>

C: Capacitivo; I: Indutivo; F: FotoelétricoC: Capacitive; I: Inductive; F: Photoelectric

Segurança:Safety:

O módulo MICA possui um botão de emergência tipo cogumelo, instalado no topo do módulo, facilmente acessível, que permite o desligamento rápido da alimentação do módulo, manualmente, em caso de risco iminente para o operador ou para o módulo. A chave de segurança corta a energia das saídas e entradas, mas mantém o CLP energizado para que este possa detectar e rastrear a falta eventual ocorrida.The MICA module has an easily accessible mushroom-mounted emergency button on top of the module that allows quick shutdown of module power manually in case of imminent risk to the operator or module. The safety switch cuts out power to the outputs and inputs, but keeps the PLC energized so that it can detect and track any potential faults.

Exemplos de utilizaçãoUsage examples

Com um pouco de imaginação recria-se no MICA diversas aplicações reais de automação como a vantagem de se poder testar não apenas lógica de controle, mas também a interação com o hardware i.e. instrumentos, equipamentos e processo.With a little imagination MICA recreates a number of real-world automation applications such as the advantage of being able to test not only control logic but also interaction with hardware i.e. instruments, equipment and process.

Exemplo 1 - Medição de velocidade de um rotor: O disco representa o rotor e as aletas chapas soldadas ao rotor. A velocidade média pode ser medida pelo tempo decorrido entre duas detecções sucessivas de aletas. Uma aplicação comum desta estratégia é encontrada em transportadores de correia onde, no rotor de tensionamento da correia, é necessário detectar quedas de velocidade que indiquem possível sobrecarga ou rompimento da mesma.Example 1 - Speed measurement of a rotor: The disk represents the rotor and the plate fins welded to the rotor. The average velocity can be measured by the time elapsed between two successive fin detections. A common application of this strategy is found in belt conveyors where, in the belt tensioning rotor, it is necessary to detect speed drops that indicate possible belt overload or breakage.

Exemplo 2 - Controle de nível de um tanque: Nessa abstração, a posição de uma aleta do disco representa o nível de um tanque (ver Fig. 2). Dois sensores de proximidade, um antes e outro após a aleta, representam chaves de nível (alto e baixo) e a velocidade de giro do disco representa a diferença entre as vazões de entrada e saída (ou a taxa de enchimento do tanque). O controle de nível pode ser realizado, por exemplo, fixando-se a vazão de saída e efetuando-se um controle lógico do estado da bomba, ligando-a quando da indicação de nível baixo e desligando-a após indicação de nível alto.Example 2 - Tank Level Control: In this abstraction, the position of a disk fin represents the level of a tank (see Fig. 2). Two proximity sensors, one before and one after the vane, represent level switches (high and low) and the rotating speed of the disc represents the difference between the inlet and outlet flow rates (or the tank fill rate). Level control can be performed, for example, by setting the output flow and making a logical control of the pump status, turning it on when the low level indication and turning it off after high level indication.

Claims (13)

1.1. MÓDULO DE INSTRUMENTAÇÃO, CONTROLE E AUTOMAÇÃO caracterizado por compreender: INSTRUMENTATION, CONTROL AND AUTOMATION MODULE characterized by comprising: a) Controlador lógico Programável - CLP (1); a) Programmable logic controller - PLC (1); b) Pinos para conexões estendidas de entrada e saída digitais do CLP (2); b) Pins for extended PLC digital input and output connections (2); c) Canaleta para roteamento de cabos de conexões elétricas (3); c) Channel for routing electrical connection cables (3); d) Disco giratório (4); (d) rotating disc (4); e) Aletas removíveis (4); e) removable fins (4); f) Sensor discreto e respectivas conexões para detecção de peças no disco (5, 6 e 7); f) Discrete sensor and its connections for disc part detection (5, 6 and 7); g) Botoeira para acionamento manual de cargas externas ao módulo (8); g) Pushbutton for manual activation of loads external to the module (8); h) Sinaleiros luminosos (9); (h) traffic lights (9); i) Pinos para conexão de fonte de alimentação de sensores e atuadores (10 e 11); (i) pins for connection of sensor and actuator power supply (10 and 11); j) Pinos para conexões estendidas de entrada e saída digitais do CLP (12); j) Pins for extended PLC digital input and output connections (12); k) Chaves para comutação de modo remoto e local (13); I) Sinalizador sonoro (14); m) Pinos isolados para conexões estendidas de entrada e saída digitais do CLP (15); n) Trilho DIN para conexão mecânica de módulos extras (16); o) Área para montagem de módulos externos e com funcionalidades adicionais às do MICA (17); p) Conexões para acionamento do disco giratório (18); q) Controlador Lógico Programável e módulos externos montados no painel frontal (19); r) Canaleta para organização de cabos de conexões elétricas (20); s) Pés de borracha antiderrapantes para suporte do módulo (21); t) Sinaleiro de emergência (22); u) Chave de emergência (23); v) Suporte tipo canaleta para armazenamento de cabos de variados tamanhos (24); w) Tomada para conexão a rede elétrica (25); x) Abertura lateral para conectar cargas monofásicas e trifásicas externas ao módulo (26); y) Trilho DIN para instalação mecânica interna de módulos e suporte para futuras expansões (27); z) Contatores, fusíveis, relês de proteção e fontes de alimentação internas ao MICA (28) aa) Trilho DIN para instalação mecânica de módulos e suporte para futuras expansões no painel frontal (29). bb) Proteção translúcida para visualização de conexões internas, mas protegendo contato direto com os circuitos energizados internos ao painel quando em funcionamento (30).(k) keys for remote and local mode switching (13); I) Audible signal (14); m) Insulated pins for extended PLC digital input and output connections (15); n) DIN rail for mechanical connection of extra modules (16); o) Area for mounting external modules and with additional functionality to MICA (17); p) Connections for drive of the rotating disc (18); q) Programmable Logic Controller and external modules mounted on the front panel (19); r) Channel for the organization of electrical connection cables (20); (s) non-slip rubber feet to support the module (21); (t) emergency signal (22); (u) emergency key (23); v) Channel type support for storing cables of various sizes (24); w) Power outlet socket (25); x) Side opening to connect external single and three phase loads to the module (26); (y) DIN rail for internal mechanical installation of modules and support for future expansions (27); z) Contactors, fuses, protective relays, and power supplies internal to MICA (28) aa) DIN rail for mechanical module installation and support for future front panel expansions (29). bb) Translucent protection for viewing internal connections, but protecting direct contact with the energized circuits inside the panel when in operation (30).
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