Desenvolva o projeto de automação para o sistema de movimentação por esteiras transportadoras, descrito abaixo. O projeto deverá ser realizado conforme a metodologia de abordagem mostrada em aula e deverá conter os seguintes itens:
Seleção de módulos necessários ao controlador, considerando a linha CX7000 da Beckhoff;

Passo 1

O que o enunciado pede: selecionar os módulos necessários ao controlador, considerando a linha CX7000 da Beckhoff, para um projeto de automação de movimentação por esteiras transportadoras.
Informações dadas: apenas o enunciado geral — não foram fornecidos número de esteiras, tipos de sensores, números de zonas ou requisitos de segurança, velocidades, potência dos motores, etc.
Assunções (vou explicitar isto porque sem quantidades fica impossível quantificar módulos; essas são hipóteses razoáveis para um projeto típico de bancada/pequena linha e servem como exemplo que você pode adaptar):
  • São 4 esteiras transportadoras (uma linha com quatro zonas independentes).
  • Cada esteira tem um motor servo com drive EtherCAT (controle de velocidade/posicionamento).
  • Cada esteira tem 2 sensores óticos (detecção de produto + detecção de fim de esteira).
  • 1 válvula pneumática por esteira (acionada por saída digital).
  • Há um painel operador (HMI) via Ethernet.
  • Há um leitor de código (barcode) com interface serial (RS232/RS485).
  • Sistema possui botões START/STOP (casa dos operadores) e 4 botões de emergência (E-stop) distribuídos; os E-stops devem ser tratados por lógica segura (TwinSAFE).
  • Os servos e demais cargas de potência têm alimentação própria trifásica; o PLC fornece 24 VDC para sensores/atuadores.
  • Quero um PLC com capacidade para executar motion em ciclo rápido e com suporte TwinCAT 3 (TwinSAFE).
Perguntas implícitas que vou responder: quais módulos da linha CX7000 (CPU/controllers, fontes, módulos EtherCAT/terminals digitais/analógicos, módulos de segurança, interface serial/comms, drives servos) são adequados e como dimensioná-los.

Passo 2

Listei os I/O e contas para dimensionamento (a partir das suposições), isto nos permite escolher quantos canais e que tipo de módulos precisamos.
I/O por esteira (assumido):
  • Sensores digitais por esteira: 2 (fotoelétricos).
  • Atuadores digitais por esteira: 1 (válvula) + indicativo (pode ter luz sinalizadora) — vou assumir 1 saída de atuação + 1 saída de indicação por esteira, total 2 DO/esteira.
    Total para 4 esteiras:
  • Entradas digitais: N_{DI,sensores} = 4 \times 2 = 8.
  • Saídas digitais de atuação/indicação: N_{DO,atuadores} = 4 \times 2 = 8.
Entradas e saídas centrais:
  • Start/stop (botões): 2 entradas digitais adicionais.
  • Leitor de código (serial): 1 porta serial (RS232/RS485).
  • HMI via Ethernet: 1 porta Ethernet (usaremos a rede do CX).
  • E-stops (segurança): 4 entradas seguras (TwinSAFE).
Entradas analógicas:
  • Caso exista um sensor analógico ou setpoint analógico (ex.: um potenciómetro de velocidade), assumir 1 canal analógico por esteira ou centralizado; vou assumir 4 entradas analógicas (uma por esteira) — se o controle for feito via EtherCAT drive, o setpoint pode ser via rede, mas deixaremos AI para sinais analógicos externos.
    Logo:
  • Entradas digitais (não seguras): N_{DI} = 8 + 2 = 10.
  • Saídas digitais: N_{DO} = 8.
  • Entradas analógicas: N_{AI} = 4.
  • Entradas seguras (E-stop/TwinSAFE): N_{DI,SAFE} = 4.
  • Servo drives EtherCAT: N_{DRIVE} = 4.
  • Porta serial (barcode): 1.
Esses números servem para escolher módulos com capacidade de canais múltiplos (ex.: módulos de 8 canais) e deixar margem.

Passo 3

Escolha do controlador CX7000 (CPU) — justificativa didática e seleção:
  • O controlador precisa ter: execução TwinCAT 3, mestre EtherCAT integrado (para drives e terminais), recursos de motion, e suporte a TwinSAFE (lógica segura).
  • Na linha CX7000 escolha típica para aplicações de pequeno a médio porte: o controlador CX7000 com CPU do tipo “CX7020” (ou similar CX7030 se houver necessidade de mais núcleos/ciclos rápidos). Por que?
    • O CX7020 fornece capacidade determinística suficiente para 4 eixos/servos e I/O distribuído, e integração TwinCAT 3 (IDE para PLC/motion).
    • Se a aplicação tivesse >8 eixos ou laços de controle de alta frequência, optar por um CPU com maior performance (ex.: CX7030).
  • Ensino rápido: o papel do CPU é executar o programa de controle (lógica sequencial, PID, motion), gerar setpoints e comandar dispositivos via EtherCAT. A escolha depende de ciclos necessários (tempo de varredura), número de eixos e I/O.
Decisão final do passo: selecionar um CX7000/CX7020 (ou CX7030 se quiser reserva de processamento). Vou indicar o CX7020 como baseline e mencionar a opção de upgrade.

Passo 4

Topologia EtherCAT e módulos de acoplamento I/O (conceito e seleção):
  • EtherCAT é a rede de alta velocidade usada pela Beckhoff para conectar drives, terminais e módulos. Na prática, o CX7020 vai atuar como mestre EtherCAT.
  • Para ligar I/O analógico/digital use EtherCAT Terminals (família EL). Esses terminais vêm em blocos com 8, 4 ou 2 canais dependendo do tipo.
  • Precisa também de um “EtherCAT Coupler / Junction” para distribuir os terminais se usar barramento físico (se estiver usando módulos EL ligados por cabo EtherCAT diretamente ao controlador, o controlador já tem porta EtherCAT; o EK1100 é usado quando você monta um arranjo de terminais em mini-rack — EK1100 é um exemplo típico de coupler EtherCAT para distribuir terminais).
Recomendação prática para nosso caso:
  • Usar o barramento EtherCAT direto do CX (uma topologia em linha) e incluir um EK1100 caso vá montar terminais em trilho DIN modular.
  • Selecionar EtherCAT Terminals para:
    • Entradas digitais 24 V DC (módulos de entrada EL-DI, escolha módulos de 8-16 canais).
    • Saídas digitais 24 V DC transistor/relé (EL-DO, escolha módulos de 8 canais transistor ou 8 canais relé conforme necessidade de corrente).
    • Entradas analógicas (0-10 V / 4-20 mA) (EL-AI, módulos 2-4 canais).
    • Interface serial (se precisar conectar leitor RS232/RS485 via EtherCAT) — existe terminal de comunicação serial (EL67xx family) para RS232/RS485.
    • Interface de encoder/contagem se for necessário ler encoders diretamente no PLC (EL510x para contadores/encoders); porém, se usar drives EtherCAT (AX5000), os encoders normalmente são lidos pelo drive e disponibilizados ao PLC via EtherCAT (CiA402/EtherCAT PDO).
  • Conselho: preferir que a informação do encoder fique no drive (menos cabos e latência), usar terminal de encoder no PLC só se precisar de contagem local independente do drive.

Passo 5

Seleção dos módulos de I/O concretos (familia/functions) — explicando o que cada tipo faz e por quê:
  • Digital Input Terminals (24 V DC): função = ler sensores fotoelétricos, botões. Escolher módulos com 8 canais por módulo para economia de espaço. Para N_{DI}=10 escolhemos 2 módulos de 8 canais (capacidade total 16 canais) — margem para expansão.
    • Didática: cada canal lê um sinal 24\\ \text{VDC} ON/OFF; agrupam-se para cabear facilmente.
  • Digital Output Terminals (24 V DC): função = acionar válvulas, luzes, relés. Saídas transistoradas (High side/low side) são adequadas para cargas tipo válvulas/LEDs; se precisar acionar cargas indutivas maiores, usar saídas com relé ou interface de potência (contator). Para N_{DO}=8 usar 1 módulo de 8 canais.
    • Didática: verifique corrente por canal (ex.: 0,5 A por canal) — se uma válvula consome 1 A, é preciso um relé/contator de potência, não uma saída transistor do PLC diretamente.
  • Analog Input Terminal (0–10 V / 4–20 mA): função = ler sinais analógicos (sensores, setpoints). Para N_{AI}=4 usar 1 módulo de 4 canais.
    • Didática: escolha 0–10 V quando sensores fornecerem tensão; escolha 4–20 mA para longas distâncias/robustez contra ruído.
  • EtherCAT Coupler (EK1100) ou ligação direta: para montar terminais em trilho DIN e organizar distribuição.
  • Serial/Ethernet Communication Terminal: se o leitor de código não for Ethernet, usar um terminal de comunicação RS232/RS485 (por exemplo EL675x family) ou conectar o leitor ao CPU via porta serial/USB se o CX tiver.
    • Didática: RS232 para curtas distâncias, RS485 para rede multidrop.
  • Encoder / High-speed counter: se algum detector exigir contadores de alta velocidade, usar terminal contador rápido (EL510x). No nosso caso, drives podem prover posição via EtherCAT, então não é estritamente necessário.
  • Safety (TwinSAFE) Terminals: para tratar E-stops e saídas seguras, escolher módulos de segurança certificados (família EL69xx — por exemplo EL6900/EL6910 são módulos da Beckhoff para E/S seguras). Dimensionar para N_{DI,SAFE}=4 entradas seguras e eventuais saídas de segurança (p.ex., reles de segurança).
    • Didática: TwinSAFE implementa lógica segura dentro do controlador e módulos de E/S seguros reportam estados seguros assinados; assim a parada segura é garantida com diagnóstico e sem hardwiring adicional (ou em conjunto com relés de segurança).
  • Motor drives EtherCAT: escolher a família de servo drives EtherCAT da Beckhoff (por exemplo AX5000) — cada drive controla diretamente um motor servo com encoder integrado; o drive se comunica via EtherCAT com o CX e recebe setpoints, modos (velocidade, torque, posição).
    • Para N_{DRIVE}=4, selecionar 4 drives AX5000 (ou versão adequada ao torque/potência do motor) e 4 servomotores compatíveis.
    • Didática: o drive é responsável por laço de corrente/velocidade/posição com alta frequência; o PLC comanda setpoints e coordenadas para motion multi-eixos.

Passo 6

Dimensionamento e fonte 24 V DC — cálculo e explicação prática:
  • Precisamos alimentar sensores e saídas com 24 V DC. Dimensionamento simples:
    • Estimar corrente por sensor: assumir I_{sensor}\approx 20\\ \text{mA} por fotoelétrico.
    • Estimar corrente por saída (válvula): suponha I_{valvula}\approx 300\\ \text{mA} (valor típico; válvulas maiores podem requerer 1 A ou mais via relé).
  • Calcular corrente aproximada:
    • Sensores: N_{sensors} = 8, corrente total sens: I_{sens} = 8 \times 0,02 = 0,16\\ \text{A}.
    • Válvulas: N_{valvulas} = 4, corrente válvulas: I_{valv} = 4 \times 0,3 = 1,2\\ \text{A}.
    • Outras saídas (indicadores): assumir 0,1\\ \text{A} total.
    • Margem + PLC terminals consumos: reservar 2\\ \text{A}.
    • Corrente total aproximada I_{24V} \approx 0,16 + 1,2 + 0,1 + 2 = 3,46\\ \text{A}.
  • Selecionar fonte 24 V DC com margem: escolher fonte de 24\\ \text{VDC},\\\ 5\\ \text{A} ou 24\\ \text{VDC},\\\ 10\\ \text{A} se for esperado ligar mais dispositivos. Sempre sobredimensionar 30\% a 50\%.
  • Didática: nunca ligar cargas indutivas diretas em saídas transistor sem proteção; para válvulas que consomem > saída PLC, usar um contatoor ou módulo de potência controlado pela saída do PLC.

Passo 7

Segurança elétrica e componentização (breve e prático):
  • Instalar disjuntores/ fusíveis na alimentação 24\\ \text{V}.
  • Separar alimentação de lógica (24 V) da alimentação de potência (trifásica para drives).
  • Incluir circuitos de proteção para entradas (filtros), e descrito E-stop físico com cabos de segurança para módulos TwinSAFE.
  • Tubulação/terminação: usar conectores padrão M12 para sensores/atuadores quando possível (melhor organização).

Passo 8

HMI, rede e programação:
  • HMI: painel Beckhoff (CPxxx) ou PC industrial via Ethernet; o CX7020 fornece comunicação Ethernet/TCP-IP para HMI e SCADA.
  • Programação: TwinCAT 3 — PLC (ladder, structured text), Motion (axes), HMI (TwinCAT HMI) e implementação TwinSAFE para lógica segura.
  • Backup: considerar cartão SD/SSD para CX para registro de programas e logs.

Passo 9

Resumo didático de escolha (por que cada módulo foi escolhido):
  • CX7020: CPU/TwinCAT/EtherCAT master — coordena tudo.
  • EK1100 (se usado): acoplador EtherCAT para organizar terminais em trilho DIN.
  • EtherCAT Terminals:
    • Digital input terminals (24 VDC) — para sensores e botões.
    • Digital output terminals (24 VDC) — para válvulas, luzes e sinalizações (usar relés externos se corrente for alta).
    • Analog input terminals (0–10 V / 4–20 mA) — para sinais analógicos.
    • Serial communication terminal (RS232/RS485) — para leitor de código se não for Ethernet.
    • Safe IO terminals (TwinSAFE family) — para E-stop e lógica de segurança.
    • (Opcional) High-speed counter/encoder terminals — só se a aplicação exigir leituras de encoder independentes do drive.
  • AX5000 (ou família adequada) drives + servomotores: para controle dinâmico de velocidade/posicionamento das esteiras.

Passo 10

BOM exemplo final (modelo/quantidade) para a configuração assumida — você pode adaptar números se mudar as suposições. Vou listar por função e quantidade (nomes de família Beckhoff e função):
  • 1x CX7000 family CPU (recomendado: CX7020) — CPU/TwinCAT/EtherCAT Master (base do controlador).
  • 1x Fonte 24\\ \text{VDC}, 5\text{–}10\\ \text{A} (alimentação de sensores/terminals).
  • 1x EtherCAT Coupler / EK1100 (se for montar terminais em trilho DIN) — distribuição dos terminais.
  • 2x Digital Input EtherCAT Terminals (8-ch each, 24 VDC) — cobre N_{DI}=10 com margem.
  • 1x Digital Output EtherCAT Terminal (8-ch, 24 VDC transistor/relé) — cobre N_{DO}=8.
  • 1x Analog Input EtherCAT Terminal (4-ch, 0–10 V / 4–20 mA) — cobre N_{AI}=4.
  • 1x Serial Communication Terminal (RS232/RS485) — para leitor de código.
  • 1x TwinSAFE / Safety EtherCAT Terminal block (suficiente para 4 entradas seguras) — para E-stops e I/O seguros.
  • 4x EtherCAT Servo Drives (AX5000 or similar, dimensionados à potência dos motores) — um por esteira.
  • 4x Servomotores compatíveis (com encoder) — um por esteira.
  • Cabos EtherCAT (cabo de rede industrial / cabo EtherCAT) e conectores M12 para sensores/atuadores.
  • Panel HMI (CP-series) ou PC industrial via Ethernet — Interface operador.
  • Fusíveis e disjuntores para 24 V e alimentação de drives (conforme potência dos motores).

Resposta

1x CX7000 (recomendado: CX7020) — controlador/TwinCAT/EtherCAT master
1x Fonte 24 VDC, 5–10 A (alimentação dos terminais)
1x EtherCAT Coupler (ex.: EK1100) — para montagem de EtherCAT Terminals em trilho DIN (opcional conforme layout)
2x Digital Input EtherCAT Terminals (8 canais cada, 24 V DC) — leitura de sensores e botões
1x Digital Output EtherCAT Terminal (8 canais, 24 V DC, transistor/relé) — acionamento de válvulas/indicadores (usar relés/contatores para cargas > corrente do terminal)
1x Analog Input EtherCAT Terminal (4 canais, 0–10 V / 4–20 mA) — sinais analógicos / setpoints
1x Serial Communication Terminal (RS232/RS485) — leitor de códigos (barcode) se não for Ethernet
1x TwinSAFE / Safety EtherCAT Terminal block (suficiente para 4 entradas seguras de E-stop e saídas seguras conforme necessidade)
4x EtherCAT Servo Drives (AX5000 ou equivalente, dimensionar por potência do motor)
4x Servomotores compatíveis com drives (com encoder)
1x HMI (Painel Beckhoff CP-series ou PC industrial via Ethernet)
Cabos EtherCAT, cabos de sinal (M12), disjuntores/fusíveis 24 V e para alimentação de drives, acessórios de montagem (trilhos DIN, bornes)

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