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2 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO .................................................................................................... 3 2 NOÇÕES BÁSICAS DE CONTROLADORES PROGRAMÁVEIS ....................... 4 2.1 Definição e Histórico ............................................................................... 4 2.2 Aplicações e vantagens .......................................................................... 8 2.3 Funcionamento ....................................................................................... 9 2.4 Estrutura interna de um CLP ................................................................ 12 2.5 Classificação dos CLP .......................................................................... 14 3 TIPOS DE MEMÓRIAS ..................................................................................... 17 4 MODOS DE OPERAÇÃO DO CLP ................................................................... 20 5 VARIÁVEIS DE ENTRADA E SAÍDA ................................................................ 23 5.1 Entradas digitais/discretas .................................................................... 23 5.2 Saídas digitais/discretas ....................................................................... 25 5.3 Entradas analógicas/contínuas ............................................................ 27 5.4 Saídas analógicas/contínuas ................................................................ 28 6 CONTROLADOR PROGRAMÁVEL VERSUS PAINEL DE RELÉS .................. 29 7 COMPUTADOR INDUSTRIAL VERSUS CONTROLADOR PROGRAMÁVEL . 31 8 INSTALAÇÃO E PROGRAMAÇÃO .................................................................. 32 8.1 Instalação ............................................................................................. 32 8.2 Programação ........................................................................................ 34 9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................. 39 3 1 INTRODUÇÃO Prezado aluno! O Grupo Educacional FAVENI, esclarece que o material virtual é semelhante ao da sala de aula presencial. Em uma sala de aula, é raro – quase improvável - um aluno se levantar, interromper a exposição, dirigir-se ao professor e fazer uma pergunta, para que seja esclarecida uma dúvida sobre o tema tratado. O comum é que esse aluno faça a pergunta em voz alta para todos ouvirem e todos ouvirão a resposta. No espaço virtual, é a mesma coisa. Não hesite em perguntar, as perguntas poderão ser direcionadas ao protocolo de atendimento que serão respondidas em tempo hábil. Os cursos à distância exigem do aluno tempo e organização. No caso da nossa disciplina é preciso ter um horário destinado à leitura do texto base e à execução das avaliações propostas. A vantagem é que poderá reservar o dia da semana e a hora que lhe convier para isso. A organização é o quesito indispensável, porque há uma sequência a ser seguida e prazos definidos para as atividades. Bons estudos! 4 2 NOÇÕES BÁSICAS DE CONTROLADORES PROGRAMÁVEIS 2.1 Definição e Histórico De acordo com a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), o CLP é um equipamento eletrônico digital, com hardware e software compatível com as aplicações industriais. (ZANCAN, 2011) De acordo com Associação Nacional de Fabricantes de Equipamentos Elétricos dos Estados Unidos da América (National Electrical Manufacturers Association – NEMA), o CLP é um aparelho eletrônico digital, que utiliza uma memória programável para armazenar internamente instruções e para implementar funções específicas, tais como lógica, sequenciamento, temporização, contagem e aritmética, controlando, por meio de módulos de entradas e saídas, vários tipos de máquinas ou processos. (ZANCAN, 2011) Fonte: mpautomacao.com 5 O Controlador Programável (CP), também chamado de Controlador Lógico Programável (CLP), e, pela sigla em inglês PLC (Programmable Logic Controller), surgiu em função das necessidades da indústria automobilística. Os painéis eletromecânicos para controle lógico utilizados anteriormente dificultavam as alterações e ajustes de sua lógica de funcionamento, fazendo as montadoras gastarem mais tempo e dinheiro a cada alteração na linha de produção. (ZANCAN, 2011) O Programmable Logic Controller (PLC) ou Controlador Lógico Programável (CLP) foi desenvolvido a partir de uma demanda existente na indústria automobilística norte-americana. (FRANCHI, 2008) Suas primeiras aplicações foram na Hydronic Division da General Motors, em 1968, devido à grande dificuldade de mudar a lógica de controla de painéis de comando a cada mudança na linha de montagem. Tais mudanças implicavam em altos gastos de tempo e de dinheiro. (FRANCHI, 2008) Segundo FRANCHI (2008) sob a liderança do engenheiro Richard Morley, foi elaborada uma especificação que refletia as necessidades de muitos usuários de circuitos a relés, não só da indústria automobilística, como de toda a indústria manufatureira. Para aplicação industrial era necessário um controlador com as seguintes características: o Facilidade de programação e reprogramação, preferivelmente na planta, para ser possível alterar a sequência de operações na linha de montagem; o Possibilidade de manutenção e reparo, com blocos de entrada e saída modulares; o Confiabilidade, para que possa ser utilizado em um ambiente industrial; o Redução de tamanho em comparação ao sistema tradicional que utilizava relés; o Ser competitivo em custo com relação a painéis de relés e eletrônicos equivalentes; o Possibilitar entradas em 115 V e saídas com 115 V e com capacidade mínima de 2 A para operar com válvulas solenoides e contatores; 6 o Possibilitar expansões sem grandes alterações no sistema; o Memória programável com no mínimo 4 KBytes e possibilidade de expansão; o Estações de operação com interface mais amigável; o Possibilidade de integração dos dados de processo do CLP em bancos de dados gerenciais, para tornar disponíveis informações sobre o chão de fábrica para os departamentos envolvidos com o planejamento da produção. Os primeiros controladores tinham pouca capacidade de processamento e suas aplicações se limitavam às máquinas e pequenos processos que necessitavam de operações repetitivas. A partir de 1970, com o advento da tecnologia de microprocessadores, os controladores passaram ter uma grande capacidade de processamento e alta flexibilidade de programação e expansão. Entre outras características citamos: a capacidade de operar com números, realizar operações aritméticas com ponto decimal flutuante, manusear dados e se comunicar com computadores. Desta forma, os CP’s atuais podem atuar tanto em controle discreto, tais como, automação da manufatura, onde as máquinas apresentam ações automáticas e discretizada no tempo, como em controle contínuo, tais como, processos químicos e siderúrgicos, com características primordialmente analógicas. (SOUZA, 2001) O sistema utilizado para programar o controlador era um dispositivo dedicado e acondicionado em uma maleta portátil, chamada de maleta de programação, de forma que podia ser levada para "campo" afim de alterar dados e realizar pequenas modificações no programa. O sistema de memória do controlador não permitia facilidades de programação por utilizar memórias do tipo EPROM. (SOUZA, 2001) Inovações no hardware e software entre 1975 e 1979 proporcionaram ao controlador maior flexibilidade e capacidade de processamento, isto significou aumento na capacidade de memória e de entradas/saídas, permitiu entradas/saídas remotas, controle analógico, controle de posicionamento, comunicações, etc. A expansão de memória permitiu um programa de aplicação maior e uma maior quantidade de dados de forma que os programas decontrole não ficassem restritos 7 à lógica e sequenciamento, mas também realizassem aquisição e manipulação de dados. Com o desenvolvimento do controle analógico, o controlador programável preencheu o "gap" entre controle discreto e controle contínuo. (SOUZA, 2001) Os custos com fiação foram reduzidos significativamente com a capacidade do controlador de comunicar-se com subsistemas de entrada/saída localizados em pontos remotos, distante da unidade central de processamento e perto do equipamento a ser controlado. Ao invés de trazer centenas de fios para o armário do CP, os sinais dos subsistemas podem ser multiplexados e transmitidos por um único par de fios trançados. Esta técnica permitiu a decomposição de grandes sistemas em pequenos subsistemas melhorando a confiabilidade, manutenção e partida gradual dos subsistemas principais. (SOUZA, 2001) Em 1979 foi desenvolvida a rede de comunicação de alta velocidade (Data Highways - no jargão dos fabricantes da época) permitindo um controle sincronizado entre vários controladores, comunicação com microcomputadores e outros sistemas situados em um nível funcional superior. Com isto foi possível combinar o desempenho do controlador programável com a capacidade de controle distribuído de alta velocidade e interface com computadores resultando em uma grande potencialidade de controle e supervisão. (SOUZA, 2001) Atualmente, existem vários tipos de controladores, desde pequena capacidade até os mais sofisticados realizando operações que antes eram consideradas específicas para computadores. (SOUZA, 2001) O controlador deve atuar sobre um processo ou sistema que se deseja automatizar. Mas para isso, o CLP precisa de informações sobre o ambiente para que possa tomar decisões baseado em sua programação. Os componentes que captam dados sobre o sistema e os envia à máquina em forma de sinais elétricos são os sensores. (RABELO, 2020) Os sensores são dispositivos de entrada do clp e podem enviar informações sobre a temperatura, presença, pressão entre outros. Além disso, podem ser digitais ou analógicos. (RABELO, 2020) O controlador processa esses dados e então aciona os atuadores, que irão executar a ação no sistema. Eles recebem um sinal elétrico, e o convertem em outra 8 forma de energia: movimento, luz, calor etc. (também existem nas categorias digital e analógico). A abaixo apresenta um diagrama que resume a interação do clp (controlador) com um processo genérico. (RABELO, 2020) Fonte: RABELO, 2020. 2.2 Aplicações e vantagens A redução do custo dos CLPs associada à diversidade de fabricantes, modelos e funções programáveis torna-os aplicáveis na automação industrial, comercial e residencial, controlando processos de micro a grande porte, desde o controle do sistema de alarme de uma residência até o controle do processo de soldagem robotizado nas linhas de produção de automóveis. (ZANCAN, 2011) Segundo ZANCAN (2011) as principais vantagens dos CLPs em relação aos painéis eletromecânicos são: o Maior confiabilidade e flexibilidade; o Utilização de menos espaço; o Consumo de menos energia; o Fácil programação/reprogramação; o Reutilizável para outros processos; o Maior rapidez na elaboração dos projetos; o Capacidade de comunicar-se com outros dispositivos 9 O CLP, devido às suas características especiais de projeto, tem um campo de aplicação muito vasto. A constante evolução do hardware e do software é uma necessidade para que o CLP possa atender às demandas dos processos. É utilizado fundamentalmente nas instalações em que é necessário um processo de manobra, controle e supervisão. Desta forma, sua aplicação abrange desde processos de fabricação industrial até qualquer processo que envolva transformação de matéria-prima. (FRANCHI, 2008) Para FRANCHI (2008) as dimensões reduzidas, extrema facilidade de montagem, possibilidade de armazenar os programas que descrevem o processo tornam o CLP ideal para aplicações em processos industriais, como: o Indústria de plástico; o Indústria petroquímica; o Máquinas de embalagens; o Instalações de ar condicionado e calefação; o Indústria de açúcar e álcool; o Papel e celulose; o Indústrias alimentícias; o Mineração 2.3 Funcionamento Pode-se dividir a estrutura básica de um CLP em três partes: entrada, processamento e saída. Fonte: lee.eng.uerj.br 10 Segundo FRANCHI (2008) a Unidade Central de Processamento (UCP), mais conhecida pela sua sigla originária da língua inglesa CPU (Central Processing Unit), comanda todas as atividades do CLP, sendo formada por três elementos: o Processador; o Sistema de memórias; o Fonte de alimentação. Nas entradas do CLP são conectados os transdutores, dispositivos que informam eletricamente as variáveis do processo à Unidade Central de Processamento (CPU). Esta, por sua vez, analisa as informações de entrada, a lógica de funcionamento do processo programada pelo usuário, ativando ou desativando as saídas do CLP. As saídas do CLP são conectadas a elementos atuadores, dispositivos que interagem com o processo, a fim de controlá-lo. (ZANCAN, 2011) Os sinais de entrada e saída dos CLPs podem ser digitais ou analógicos. Existem diversos tipos de módulos de entrada e saída que se adequam as necessidades do sistema a ser controlado. Os módulos de entrada e saídas são compostos de grupos de bits, associados em conjunto de 8 bits (1 byte) ou conjunto de 16 bits, de acordo com o tipo da CPU. O controle e o processamento das informações de entrada e saída é feito de forma sequencial, através de ciclos de varredura, conforme representado abaixo: 11 Fonte: cear.ufpb.br ➢ Início Ao ligar o CLP, é verificado o funcionamento da CPU, memórias, circuitos auxiliares e existência de programa, desativando todas as saídas. (ZANCAN, 2011) ➢ Verifica o estado das entradas O CLP faz a leitura do estado de cada uma das entradas, verificando se alguma foi acionada. Este procedimento dura alguns micro segundos. (ZANCAN, 2011) 12 ➢ Transfere os dados para a memória Após realizar a leitura do estado das entradas, o CLP armazena as informações obtidas em uma memória chamada “memória imagem das entradas e saídas”. Esta memória será consultada pelo CLP durante o processamento do programa do usuário. (ZANCAN, 2011) ➢ Compara com o programa do usuário Ao executar o programa do usuário, o CLP consulta a memória imagem das entradas, atualizando a memória imagem das saídas, de acordo com as instruções do programa do usuário. (ZANCAN, 2011) ➢ Atualiza as saídas Após atualizar a memória imagem das saídas, o CLP atualiza as interfaces ou módulos de saída, iniciando então um novo ciclo de varredura. (ZANCAN, 2011) 2.4 Estrutura interna de um CLP Fonte de alimentação: Converte a tensão da rede de 110 ou 220 VCA em +5VCC, +12VCC ou +24VCC para alimentar os circuitos eletrônicos, as entradas e as as saídas. (SILVA, 2007) A fonte de alimentação tem também como função manter a carga da bateria, nos sistemas que utilizam relógio em tempo real e Memória do tipo R.A.M. 13 Unidade de processamento: Também conhecida por CPU, é composta por microcontroladores ou microprocessadores (Intel 80xx, motorola 68xx, PIC 16xx). Endereçamento de memória de até 1Mega Byte, velocidades de clock de 4 a 30 MHz, manipulação de dados decimais, octais e hexadecimais. (SILVA, 2007) Bateria: Utilizada para manter o circuito do relógio em tempo real. Normalmente são utilizadas baterias recarregáveis do tipo Ni - Ca. (SILVA, 2007) Memória do programa supervisor/monitor: O programa supervisor é responsável pelo gerenciamento de todas as atividades do CLP. Não pode ser modificado pelo usuário e fica normalmente em memórias do tipo PROM, EPROM, EEPROM. (SILVA, 2007)Funciona de forma semelhante ao sistema operacional dos computadores. Memória do usuário: Espaço reservado ao programa do usuário. Constituída por memórias do tipo RAM, EEPROM ou FLASH-EPROM. Também pode-se utilizar cartuchos de memória, para proporcionar agilidade e flexibilidade. (SILVA, 2007) Memória de dados: Armazena dados do programa do usuário, tais como valores de temporizadores, contadores, códigos de erros, senhas, etc. Nesta região se encontra também a memória imagem das entradas – a saídas. Esta funciona como uma tabela virtual onde a CPU busca informações para o processo decisório. (SILVA, 2007) ➢ Se liga!!! A diferença básica entre microprocessador e microcontrolador é que o microprocessador consiste no elemento central de processamento, necessitando, para seu funcionamento, componentes adicionais, tais como memórias. Já o microcontrolador possui todas estas funcionalidades integradas num único chip. 14 Os circuitos auxiliares atuam em caso de falha do CLP, são: - POWER ON RESET: desliga todas as saídas assim que o equipamento é ligado, isso evita que possíveis danos venham a acontecer. - POWER DOWN: monitora a tensão de alimentação salvando o conteúdo das memórias antes que alguma queda de energia possa acontecer. - WATCH DOG TIMER: o cão de guarda deve ser acionado em intervalos periódicos, isso evita que o programa entre em “loop”. Fonte: lacoi.ufba.br 2.5 Classificação dos CLP De acordo com SILVA (2007) geralmente os CLPs são classificados de acordo com sua capacidade de entradas/saídas: o Micro CLP: possui até 16 entradas/saídas, geralmente num único módulo. 15 o CLP de médio porte: possui até 256 entradas/saídas, podendo ser formado por um módulo básico que pode ser expandido. o CLP de grande porte: possui até 4096 entradas/saídas, de construção modular, cuja configuração e agrupamento dos módulos são definidos em função das necessidades do processo. Fonte: RABELO, 2020. Os CLPs podem também ser classificados quanto a sua constituição: o CLP compacto (ou fixo) – quando todo os componentes do CLP são fabricados em um único módulo (exceto terminal de programação). Frequentemente o CLP compacto é empregado em pequenas aplicações. Além disso, geralmente faz-se uso de microcontroladores em substituição ao microprocessador, memória e E/S. (RABELO, 2020) 16 Fonte: RABELO, 2020. o CLP modular – constituído de um ou mais racks que permitem a montagem em módulos da fonte de alimentação, Unidade Central de Processamento (CPU) e cartões de entrada e saída. O rack que tem a função de fornecer uma estrutura física para os módulos bem como a conexão elétrica dos barramentos (o barramento se refere ao barramento de dados que estabelece um link de comunicação entre todos os módulos de E/S e o controlador). (RABELO, 2020) Fonte: RABELO, 2020. 17 o CLP com I/O distribuído – constituído de pelo menos uma UCP (Unidade Central de Processamento), fonte e diversos módulos de E/S distribuídos e comunicando com a UCP por meio de uma rede de comunicação fieldbus. (RABELO, 2020) Obs: O fieldbus é uma rede local (LAN) para automação e instrumentação de controle de processos, com capacidade de distribuir o controle no campo. (RABELO, 2020) 3 TIPOS DE MEMÓRIAS As memórias são dispositivos que permitem o armazenamento de dados. Dividem-se em dois grandes grupos: memórias voláteis (retém informação apenas enquanto energizadas, são memórias mais rápidas) e não volátil (mantém os dados mesmo após retirada a energia de alimentação). (RABELO, 2020) De acordo com RABELO (2020) o clp utiliza mais de um tipo de memória, de acordo com a necessidade de cada dado. Por exemplo, o programa de inicialização do fabricante não pode ser apagado, pois prejudicaria o funcionamento do CLP. Portanto, deve ser gravado em memória do tipo não volátil. Já o programa em execução precisa de velocidade, sendo mais indicada a memória volátil. Alguns tipos de memória são listados a seguir, apenas de caráter informativo: • ROM (Read Only Memory - memória somente de leitura): Essa memória é não volátil, ou seja, mantém seus dados mesmo sem estar energizada. Só pode ser gravada uma vez, não aceita atualizações. (RABELO, 2020) • EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory - memória programável apagável somente de leitura): é um tipo de memória que mantém seus dados quando a energia é desligada. A diferença da ROM é que a EPROM pode ser regravada, caso necessário (Porém deve ser retirada do equipamento para tal 18 processo, pois precisa de exposição à luz ultravioleta para apagar os dados). (RABELO, 2020) • EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory): Semelhante à EPROM, porém, pode ser reprogramada por eletricidade, o que evita sua movimentação. (RABELO, 2020) • RAM (Random Access Memory - memória de acesso randômico): é uma memória volátil, porém mais rápida que as outras. O CLP utiliza essa memória para executar o programa e armazenar dados do programa. Porém, ela deve ser alimentada por uma bateria para evitar perda de dados quando o sistema estiver desenergizado. (RABELO, 2020) • Flash: refere-se a um tipo particular de EEPROM, mantém informações armazenadas sem a necessidade de uma fonte de energia, além de ser mais rápida que os outros tipos de ROM. É a memória utilizada em pendrives e cartões de memória, está substituindo as do tipo ROM. (RABELO, 2020) Estrutura geral da memória A memória é um componente físico que armazena dados em sua estrutura. Ela pode ser visualizada como um conjunto de células unitárias, onde cada célula pode estar energizada ou não (Figura 16). Logo, cada célula pode conter duas informações, nomeadas 1 para energizada e 0 para desenergizada. (RABELO, 2020) Daí o nome bit, contração de Binary Digit, ou dígito binário, que é o valor armazenado por cada célula da memória. Normalmente, os processadores operam com um conjunto de bits. O conjunto de bits gera a informação. Os mais comuns são: • Nibble: agrupamento de 4bits, normalmente usados para códigos BCD. • Byte: conjunto de 8bits, pode armazenar um caractere tipo ASCII ou número entre 0 e 255, dois números BCD ou oito indicadores de um bit. • Word (palavra): agrupamento de 16bits, armazena uma palavra. 19 Fonte: RABELO, 2020. Conceitos importantes: ➢ BCD = Binary-coded decimal: Codificação binária decimal, é um sistema que converte cada dígito de um número decimal em seu equivalente binário, utilizado em circuitos digitais. Ex.: 13 (decimal) = 0001 0011 (BCD) ➢ ASCII = American Standart Code for Information Interchange: Código Padrão Americano para Troca de Informações, é uma tabela que relaciona cada caractere a um número. É usada pelos computadores para representar as letras. A capacidade de armazenamento da memória pode ser descrita pela quantidade de palavras que ela consegue armazenar. No desenvolvimento do programa do CLP são utilizadas variáveis que irão representar as entradas e saídas do sistema, além de “variáveis virtuais” que auxiliam na execução do processo. (RABELO, 2020) Para otimizar e garantir o espaço na memória do CLP, as variáveis são agrupadas de acordo com suas características. Por exemplo, um botão pode assumir apenas dois estados, ligado e desligado. Desta maneira, um bit é suficiente para descrever o estado desta variável. As variáveis que podem assumir apenas dois estados são digitais, classificadas como do tipo booleana. Outros tipos de variáveis serão apresentados em tópicos futuros. (RABELO, 2020) 20 4 MODOS DE OPERAÇÃO DO CLP O CLP possui dois modos principais de funcionamento: programação ou execução. Normalmente, ao ser ligado, ele já começa em modo de execução. Os modos de programaçãoe execução são: Programação (Prog ou Stop) Nesse modo o CLP não executa nenhum programa. Ele fica aguardando para ser configurado, receber novos programas ou modificações no programa existente. Esse modo é denominado programação off-line (fora de operação). A transferência do programa do computador para o CLP é chamada download, e não pode acontecer enquanto o programa estiver sendo executado no CLP. O processo inverso, ou seja, passar um programa salvo do CLP para o computador, é o upload. (RABELO, 2020) Execução (Run): No modo de execução o CLP passa a processar o programa do usuário. A leitura da programação é feita de forma sequenciada, em tempo real. Uma vez terminada a leitura e processamento dos comandos, o processo é reiniciado, conforme indicado na imagem. (RABELO, 2020) 21 Fonte: RABELO, 2020. No instante em que é energizado, o CLP executa uma rotina de inicialização, onde são realizadas: o verificação do funcionamento de seus componentes internos, o limpeza da memória imagem de entradas e saídas (operadores não retentivos), o teste de memória RAM e o teste de executabilidade do programa. Em seguida, o processador lê o estado das entradas (sensores e botoeiras), armazenando os valores em uma parte específica da memória chamada imagem da entrada. Então ocorre o processamento do código do programa, linha por linha. O resultado é salvo na imagem da saída e enviado para as saídas, que serão acionadas ou não de acordo com o programa. (RABELO, 2020) As etapas descritas após a inicialização configuram a varredura ou scan do CLP, de duração na faixa de milissegundos. Essas etapas são repetidas ciclicamente (loop) enquanto o CLP estiver no modo de execução. A duração do scan é importante de ser levada em conta na escolha do CLP, visto que pode afetar 22 a execução de uma tarefa. Quanto maior o ciclo de scan, maior o tempo de leitura do programa. Em casos extremos, pode atrasar a resposta do sistema, o que não é algo desejável. (RABELO, 2020) É interessante comentar mais duas coisas a respeito do ciclo de varredura do CLP. Primeiro, ele aumenta conforme o programa fica maior. Ou seja, maior número de linhas, mais tempo levará para todo o código ser lido. Além disso, a velocidade de varredura poderá afetar a execução de um programa. Portanto, mesmo que a lógica do programa esteja correta, a alta velocidade de processamento poderá fazer com que que o CLP não se comporte como o esperado. Por isso é importante e recomendado simular os códigos antes de executá-los no sistema real, principalmente em casos onde erros no programa podem causar prejuízos ou acidentes. (RABELO, 2020) Dependendo do CLP, podem ter outros modos de operação além dos citados, como modo de parada e modo de reset. A seleção do estado de operação do CLP pode ser definida via software ou alguma chave física no próprio equipamento, como mostrado na figura abaixo (nem todos possuem essa chave). (RABELO, 2020) Fonte: RABELO, 2020. 23 5 VARIÁVEIS DE ENTRADA E SAÍDA O Sistema de Entradas/Saídas fornece a conexão física entre o mundo externo (equipamentos de campo) e a unidade central de processamento. Através de circuitos de interface, o controlador pode sensorar ou medir quantidades físicas, independente da máquina ou processo, tais como: proximidade, posição, movimento, nível, temperatura, pressão, corrente e tensão. Baseado no estado sensorado ou no valor medido, e nas instruções do programa de usuário, o processador comanda os dispositivos de controle conectados ao subsistema de saída. Estes dispositivos podem ser válvulas, motores, bombas, alarmes, etc. (SOUZA, 2001) Os predecessores dos atuais controladores programáveis eram limitados a interfaces de entradas e saídas discretas que só permitiam a conexão de dispositivos tipo ON/OFF. Estas limitações permitiam ao controlador apenas um controle parcial em muitas aplicações. (SOUZA, 2001) Atualmente os controladores possuem uma grande variedade de interfaces (analógicas e discretas) o que permite sua aplicação em praticamente qualquer tipo de controle. (SOUZA, 2001) 5.1 Entradas digitais/discretas Apesar das variáveis físicas, tais como temperatura, pressão, força, massa, etc, terem comportamento analógico, a maioria dos processos são controlados através de informações digitais, provindas de sensores, botoeiras, chaves fim de curso, termostatos, pressostatos, etc, tornando as entradas digitais as mais presentes e as mais utilizadas em CLPs. (ZANCAN, 2011) As entradas digitais de um CLP estão aptas a identificar a presença ou não de um sinal elétrico provindo de um determinado dispositivo, dentro de uma determinada faixa de valores, reconhecendo a presença do sinal, mas não sua amplitude. Os valores de tensão mais utilizados em entradas digitais são 24 Vcc e 110 a 220 Vca. (ZANCAN, 2011) 24 Para que a CPU possa interpretar corretamente as informações elétricas que chegam às entradas digitais, o CLP dispõe de módulos de entrada, responsáveis pela adequação elétrica dos sinais. (ZANCAN, 2011) Os dispositivos para entradas digitais deverão fornecer às entradas digitais do CLP informações elétricas binárias correspondentes a dois níveis diferentes de tensão, respeitando as especificações de valores do CLP. Como exemplo, podemos ter 0 Vcc para baixo nível (desativada) e 24 Vcc para alto nível (ativada). (ZANCAN, 2011) Como exemplo de dispositivos para entradas digitais, temos os interruptores (1), botoeiras (2), chaves fim de curso (3), termostatos (4), pressostatos (5), sensores digitais capacitivos, indutivos (6) e fotoelétricos, etc, conforme mostra a imagem. (ZANCAN, 2011) Fonte: ZANCAN, 2011. Aplicação prática Consideremos um CLP controlando o funcionamento de um elevador de carga. Neste sistema existem botoeiras para chamar o elevador e para enviar a carga para outro andar, bem como chaves fim de curso, para detectar a posição do elevador em cada andar. Dessa forma, considerando os contatos das botoeiras e 25 chaves fim de curso normalmente abertos (NA), se pressionarmos as botoeiras, ou o elevador tocar nas chaves fim de curso, o CLP receberá um sinal elétrico correspondente à amplitude da tensão que alimenta o circuito de entrada. Esta informação elétrica é interpretada pelo CLP, em função do programa, como uma solicitação para subir/descer o elevador ou parar em determinado andar. (ZANCAN, 2011) 5.2 Saídas digitais/discretas Já as saídas digitais são as mais utilizadas em CLPs devido à sua simplicidade, uma vez que estas poderão assumir somente duas situações, acionada e desacionada. Quando uma saída digital está acionada, esta se comporta como uma chave fechada, energizando o dispositivo atuador. Quando uma saída digital está desacionada, esta se comporta como uma chave aberta, desenergizando o dispositivo atuador. (ZANCAN, 2011) A comutação das saídas poderá ser à transistor ou à relé, aplicando no dispositivo atuador a tensão fornecida à saída, geralmente 24 Vcc, 127 Vca ou 220 Vca. (ZANCAN, 2011) Como as saídas digitais comportam-se como chaves abertas ou fechadas, podemos utilizá-las para comutar um circuito elétrico com tensão compatível com os terminais do CLP e com os equipamentos elétricos conectados à saída, acionando-os ou desacionando-os. Entretanto, o CLP é um equipamento lógico, projetado para acionar pequenas cargas elétricas, geralmente dispositivos eletromecânicos ou eletrônicos de acionamentos, tais como contatores (1), lâmpadas de sinalização (3), soft-starters (2), válvulas eletro-hidráulicas ou eletropneumáticas (4), etc, capazes de acionar cargas elétricas de maior potência, como mostra a figura. (ZANCAN, 2011) 26 Fonte: ZANCAN, 2011. Aplicação prática Consideremos um CLP controlando o funcionamento de umsistema de bombeamento d’água. Este sistema possui sensores de nível, motobomba principal, motobomba reserva e lâmpadas de sinalização que indicam caixa d’água vazia e motobomba reserva em funcionamento. Para o acionamento dos motores são utilizados contatores; já as lâmpadas de sinalização são acionadas diretamente pelo CLP. Note que os equipamentos elétricos controlados pelo CLP (motobombas e lâmpadas) possuem somente dois estados operacionais diferentes (ligados ou desligados), em função de suas características. Dessa forma, as saídas digitais do CLP manterão ligados ou desligados os contatores responsáveis pela partida dos motores, bem como as lâmpadas de sinalização, caracterizando a estratégia de controle on-off. (ZANCAN, 2011) 27 5.3 Entradas analógicas/contínuas As entradas analógicas de um CLP são geralmente empregadas em processos que exigem um controle mais preciso, identificando e atualizando a cada varredura o valor instantâneo da variável de entrada. As principais variáveis físicas medidas por entradas analógicas são temperatura e pressão. Para isso, são utilizados dispositivos, tais como sensores de pressão e termopares, que convertem as variáveis físicas em sinais elétricos proporcionais, cujas amplitudes são reconhecidas pelas entradas analógicas do CLP. Esses sinais elétricos podem ser de tensão ou corrente, cuja faixa de valores mais utilizada é, respectivamente, 0 a 10 Vcc e 4 mA a 20 mA. (ZANCAN, 2011) Os dispositivos para entradas analógicas deverão ser compatíveis com as entradas analógicas do CLP, em relação ao tipo de sinal (corrente ou tensão) e a faixa de valores deste sinal, fornecendo ao CLP sinais elétricos variáveis, proporcionais à variação da grandeza física que está sendo medida. Como exemplo de dispositivos para entradas analógicas temos os potenciômetros (1), sensores de pressão (2), sensores de vazão (4), sensores de distância (5), termopares (3), etc., conforme mostra a figura abaixo. (ZANCAN, 2011) Fonte: ZANCAN, 2011. 28 Aplicação prática Consideremos um CLP controlando a temperatura de uma sala. Se utilizarmos um termostato regulado para 20ºC acoplado a uma entrada digital, o CLP terá apenas duas informações de temperatura (abaixo de 20ºC ou acima de 20ºC), o que permite a utilização da estratégia de controle on-off, mas não permite a utilização de estratégias de controle mais sofisticadas como proporcional, integral ou derivativa. Porém, se utilizarmos um termopar acoplado a uma entrada analógica, o CLP receberá informações instantâneas da temperatura, interpretando, além do valor atual, a intensidade das variações. Isto permite um controle mais preciso da temperatura, onde, dependendo das saídas do CLP, poderão ser utilizadas estratégias de controle proporcional, integral ou derivativa. (ZANCAN, 2011) 5.4 Saídas analógicas/contínuas Já as saídas analógicas de um CLP são geralmente utilizadas em processos que exigem um controle mais preciso, ajustando o funcionamento dos atuadores às necessidades do processo. Os sinais elétricos das saídas analógicas poderão ser de tensão ou corrente, cuja faixa de valores mais utilizada é, respectivamente, 0 a 10 Vcc e 4 mA a 20 mA. Dessa forma, os atuadores receberão das saídas analógicas sinais elétricos variáveis, não apenas energizando os equipamentos, mas, principalmente, definindo a intensidade de sua atuação no processo. (ZANCAN, 2011) Para ZANCAN (2011) os dispositivos para saídas analógicas recebem do CLP sinais elétricos variáveis, de tensão ou corrente, controlando a atuação de um equipamento elétrico. Como exemplo, temos o controle de temperatura, controle de nível, controle de rotação de motores elétricos, etc. Para isto, são necessários circuitos ou equipamentos eletrônicos auxiliares que recebem a informação analógica do CLP, atuando diretamente no funcionamento dos equipamentos elétricos, como, por exemplo, um conversor de frequência, equipamento eletrônico 29 destinado ao controle de rotação de motores de indução. A imagem a seguir mostra um conversor de frequência. Fonte: ZANCAN, 2011. Aplicação prática Consideremos um CLP controlando a rotação de uma esteira transportadora acionada por um motor elétrico de indução. O acionamento do motor é realizado através de um inversor de frequência. Dessa forma, se o CLP enviar um sinal elétrico variável de 0 a 10 Vcc ao conversor de frequência, este, em função da parametrização escolhida, ajustará a velocidade do motor de um valor mínimo a um valor máximo, em resposta à solicitação do CLP. (ZANCAN, 2011) 6 CONTROLADOR PROGRAMÁVEL VERSUS PAINEL DE RELÉS Controladores Programáveis ou painéis de relés? Esta foi provavelmente uma pergunta muito comum entre os engenheiros de sistemas, controle, projetistas, etc. Não se pode generalizar, mas é certo que alta qualidade e produtividade não podem ser obtidas, de maneira econômica, sem equipamento de controle eletrônico. Com o rápido desenvolvimento e crescimento da competição, o custo do controlador programável tem caído significativamente a ponto de que o estudo de 30 CP versus relés, no ponto de vista de custo não ser mais válido. As aplicações com controladores programáveis podem, agora, serem avaliadas por seus próprios méritos. Requisitos tais como indicados abaixo seguramente levam à opção pelo CP ao invés de relés (SOUZA, 2001): o Necessidade de flexibilidade de mudanças na lógica de controle; o Necessidade de alta confiabilidade; o Espaço físico disponível pequeno; o Expansão de entradas e saídas; o Modificação rápida; o Lógicas similares em várias máquinas; o Comunicação com computadores em níveis superiores. Embora o sistema eletromecânico, em pequenas e até médias aplicações, possa apresentar um custo inicial menor, esta vantagem poderá ser perdida considerando-se a relação custo/benefício que o CP proporciona. (SOUZA, 2001) A figura a seguir ilustra uma comparação entre o quadro de relés e o quadro de CP’s. Pode ser observado que a implementação da lógica através de relés dificulta a manutenção e torna o sistema menos flexível às mudanças. A lógica é realizada por fios e qualquer modificação na lógica exige uma conexão adequada dos fios, envolvendo operações com os contatos NA (normalmente aberto) e NF (normalmente fechado) dos relés. (SOUZA, 2001) Fonte: RABELLO, 2020. 31 Ou seja, o CLP surgiu como um método mais eficiente de controle e possibilidade de alterações do sistema de forma simplificada. A forma como os componentes são conectados no CLP facilitam a organização do quadro, simplificando o processo de manutenção e alteração do processo. (RABELO, 2020) 7 COMPUTADOR INDUSTRIAL VERSUS CONTROLADOR PROGRAMÁVEL A arquitetura de um controlador programável é basicamente a mesma que um computador de propósito geral. Entretanto existem algumas características importantes que diferem o CP dos computadores. Podemos dizer que todos os CP´s são computadores por definição, mas nem todos os computadores são CP´s. A diferença está nos métodos de programação, operação, considerações ambientais e manutenção. (SOUZA, 2001) Conseguimos então apresentar uma comparação entre computadores industriais e CP onde podem ser vistos os pontos fortes e os pontos fracos dos computadores industriais: Pontos fortes Pontos fracos o Interface Gráfica o Confiabilidade do Sistema Operacional o Tempo de Programação o Confiabilidade do Microcomputador o Não utilizar Hardware Proprietário o Velocidade de Atualização de E/O (Rack) o Arquitetura Aberta o Eventuais Bugs de Software o Rede de comunicação TCP/IP o Simulação do Programa o Várias Linguagens de Programação o Comunicação com Supervisório o Utilização de vários Hardwares de E/O o Facilidade de efetuar cálculos complexos 32 Os CP´s foram especificamenteprojetados para operar em ambientes industriais. Um CP pode operar em áreas com quantidades substanciais de ruídos elétricos, interferências eletromagnéticas, vibrações mecânicas, temperaturas elevadas e condições de umidade adversas. Uma especificação típica de CP inclui temperaturas na faixa de 0 a 60 oC e umidade relativa de 5 a 95 %. (SOUZA, 2001) A segunda distinção dos CP´s é que o hardware e o software foram projetados para serem operados por técnicos não especializados (nível exigido para a manutenção e operação de computadores). Usualmente, a manutenção é feita pela simples troca de módulos e existem softwares que auxiliam na localização de defeitos. As interfaces de hardware para conexão dos dispositivos de campo estão prontas para uso e são facilmente intercambiáveis (estrutura modular). A programação é geralmente feita em uma linguagem parecida com os diagramas de relés. (SOUZA, 2001) O software residente, desenvolvido pelo fabricante, e que determina o modo de funcionamento do controlador também caracteriza uma diferença fundamental. Este software realiza funções de acesso ao hardware, diagnósticos, comunicações e determina o funcionamento do controlador em um modo de operação dedicado (ciclo de varredura) e totalmente transparente ao usuário. (SOUZA, 2001) 8 INSTALAÇÃO E PROGRAMAÇÃO 8.1 Instalação Para o entendimento de um modelo genérico de instalação de um CLP, consideremos um CLP com alimentação em 24 Vcc que possui 8 entradas digitais, 2 entradas analógicas de 0 a 10 V, 4 saídas digitais à relé e 2 saídas analógicas de 0 a 10 V. (ZANCAN, 2011) Observe o exemplo da figura a seguir que estão sendo usadas 3 entradas digitais, 1 entrada analógica, 3 saídas digitais e 1 saída analógica. 33 Fonte: ZANCAN (2011) De acordo com ZANCAN, 2011 podemos fazer algumas observações em relação à figura: a) Poderá ser utilizada uma quantidade inferior de entradas/saídas disponíveis. Não há ordem no uso das mesmas, sendo que o programa definirá quais serão utilizadas. b) As entradas digitais I1, I3 e I6 receberão 0 V (baixo nível) ou 24 V (alto nível), dependendo do estado aberto ou fechado dos contatos correspondentes ao interruptor, chave fim de curso e sensor indutivo. Note que está sendo utilizado um contato normalmente aberto (NA) do interruptor e do sensor indutivo, e um contato normalmente fechado (NF) da chave fim de curso. Isto significa que, para as entradas I1 e I6 ficarem em alto nível, deverá ser pressionado o interruptor ou aproximada uma peça metálica do sensor, respectivamente. Em relação à chave fim de curso, está sendo utilizado um contato NF, o que significa que a entrada I3 está constantemente em alto nível, deixando de estar somente quando alguma peça tocar a chave fim de curso. 34 c) A entrada analógica IA1 recebe do sensor de vazão um sinal que poderá variar de 0 V a 10 Vcc, correspondente aos limites de vazão do dispositivo. Este sinal de tensão é recebido pelo CLP em apenas um terminal, tendo como referência o terminal negativo da fonte de alimentação. d) As saídas digitais à relé comutam independentemente, acionando os circuitos elétricos a elas conectados. Note que a saída Q1, quando fechada, alimenta um contator com tensão 220 Vca. Já a saída Q3 recebe um sinal 24 Vcc de um soft-starter, e, quando fechada, devolve este sinal ao soft-starter, o que corresponde a uma solicitação do CLP. Já a saída Q4 alimenta uma lâmpada de sinalização com tensão de 127 Vca. e) A saída analógica QA2 produz um sinal que poderá variar de 0 a 10 Vcc, o qual é recebido por um conversor de frequência, que controla a rotação de um motor de indução em função das informações provenientes do CLP. f) Como a função principal de um CLP é o controle lógico de um processo, suas saídas possuem limitação de potência. É importante consultar a capacidade máxima de tensão e corrente das saídas, fornecidas pelo fabricante, utilizando sempre dispositivos auxiliares para o acionamento de equipamentos elétricos de potência. 8.2 Programação A programação de um CLP está diretamente relacionada à configuração de instalação. Portanto, o primeiro passo é definir as entradas e saídas que serão utilizadas no processo, bem como os dispositivos a elas conectados. Após isto, a implementação de um programa poderá ser iniciada, a qual, utilizando-se de lógica combinacional e sequencial, relacionará as informações de entrada resultando em ações de saída. (ZANCAN, 2011) Existem diversas linguagens de programação para CLP, as quais, utilizando um conjunto de símbolos, blocos, figuras, comandos, etc, permitem ao programador manifestar as relações entre as entradas e saídas do CLP. (ZANCAN, 2011) 35 Na atual geração de CLP, são empregadas linguagens de alto nível, que possuem uma série de instruções de programação pré-definidas. Isto aproxima as linguagens de alto nível da linguagem humana, facilitando assim o trabalho do programador. As chamadas linguagens de programação de baixo nível, ou em linguagem de máquina, exigem maior habilidade do programador, o qual necessitará de uma boa compreensão do hardware do equipamento, programando bit a bit, como é o caso da linguagem assembly. (ZANCAN, 2011) A imagem abaixo mostra a estrutura de três linguagens de alto nível diferentes, utilizadas em programação de CLP (blocos lógicos, descritiva e Ladder). Observe que ambas apresentam o mesmo programa, onde a saída digital Q1 estará fechada somente se as entradas digitais I1 e I2 estiverem em alto nível ao mesmo tempo. (ZANCAN, 2011) Fonte: ZANCAN (2011) Note que a linguagem Ladder reproduz a estrutura de um diagrama elétrico, na qual a combinação de contatos abertos, correspondentes às entradas, permitirá energizar uma determinada carga, que corresponde à saída. (ZANCAN, 2011) Em função da proximidade da linguagem Ladder com a lógica de relés, amplamente utilizada antes do surgimento dos CLP, essa tornou-se uma das linguagens mais empregadas pelos fabricantes de CLP. (ZANCAN, 2011) Linguagem Ladder 36 A linguagem ou diagrama Ladder (Ladder Diagram) é uma das linguagens gráficas, a sua criação foi baseada em diagramas elétricos com acionamento a relé. Está foi a primeira linguagem que surgiu na programação de CLPs, pois como se assemelhava aos diagramas já utilizados, evitava uma quebra de paradigma, e assim, permitindo a aceitação do produto no mercado consumidor. (MINIPA, 2017) A palavra ladder na linguagem inglesa significa escada, essa foi a nomenclatura utilizada a está linguagem de programação, pois visualmente, um programa nessa linguagem lembra uma escada. O Ladder é um desenho formado por duas linhas verticais, que representam os polos de energização de um sistema. Entre essas duas linhas verticais são traçadas conexões com elementos do circuito. Esta linguagem permite programar desde funções lógicas básicas até funções matemáticas relativamente complexas. (MINIPA, 2017) A linguagem Ladder possui três tipos de elementos básicos: o Entradas (ou contatos): são digitais ou booleanas, apresentam dois níveis lógicos dependendo se estão ou não acionadas. São as entradas (sensores) do CLP; o Saídas (ou bobinas): também são digitais ou booleanas, apresentam dois níveis lógicos dependendo se estão ou não acionadas. São as saídas (atuadores) do CLP; o Blocos funcionais: que permitem realizar funções mais avançadas. Essas funções podem ser combinacionais, matemáticas, contadores, temporizadores, entre outras. As funções básicas ou fundamentais na linguagem Ladder são: a) Função NA: normalmente aberto (em inglês NO). O estado da saída digital é idêntico ao da entrada digital. Assim, quando I1 estiver em alto nível, a saída Q1 estará ativada; e, quando I1 estiver em baixo nível, a saída Q1 estará desativada. (ZANCAN, 2011) 37Fonte: ZANCAN, 2011. b) Função NF: normalmente fechado (em inglês NC). O estado da saída digital é inverso ao da entrada digital. Assim, quando I1 estiver em alto nível, a saída Q1 estará desativada; e, quando I1 estiver em baixo nível, a saída Q1 estará ativada. (ZANCAN, 2011) Fonte: ZANCAN, 2011. c) Função E (em inglês AND). O estado da saída digital depende da combinação das entradas digitais. Assim, quando I1 e I2 estiverem simultaneamente em alto nível, a saída Q1 estará ativada; e, quando qualquer uma das entradas, ou ambas, estiverem em baixo nível, a saída Q1 estará desativada. (ZANCAN, 2011) 38 Fonte: ZANCAN, 2011. d) Função OU (em inglês OR). O estado da saída digital depende da combinação das entradas digitais. Assim, quando I1 ou I2, ou ambos, estiverem em alto nível, a saída Q1 estará ativada; e, somente quando I1 e I2 estiverem simultaneamente em baixo nível, teremos a saída Q1 desativada. (ZANCAN, 2011) Fonte: ZANCAN, 2011. 39 9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS FRANCHI, Claiton Moro. Controladores Lógicos Programáveis - Sistemas Discretos / Claiton Moro Franchi, Valter Luís Arlindo de Camargo. - 1. ed. - São Paulo: Érica, 2008. MINIPA. UNIDADE DE LABORATÓRIO CLP S7 1200 SIEMENS. 1. ed. rev. Minas Gerais: Minipa do Brasil Ltda, 2017. MENDES, Cláudia Luisa. Automação Industrial. [S. l.], p. 2020. PETRUZELLA, Frank D. Controladores Lógicos Programáveis. 4. ed. São Paulo: AMGH Editora Ltda, 2014. 416 p. ISBN 978-8580552829. PRATES, Fellipe Augusto et al. Controladores Lógicos Programáveis. Uberaba: Instituto Federal do Triângulo Mineiro, 2017. PRUDENTE, F. Automação industrial: PLC — teoria e aplicação. 2. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2011. RABELO, Marcos Felipe Santos. Automação Industrial. Itaperuna - RJ: Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense, 2020. 40 SILVA, Marcelo Eurípedes da. Controladores Lógico Programáveis: LADDER. Piracicaba: FUMEP – Fundação Municipal de Ensino de Piracicaba, 2007. SOUZA, Luiz Edival de. Controladores Lógicos Programáveis. Itajubá-MG: FUPAI, 2001. ZANCAN, Marcos Daniel. Controladores Programáveis. 3. ed. Santa Maria: Universidade Federal de Santa Maria, 2011.
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