Automação Industrial CLP

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AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
Prof. ANDRÉ LUIZ
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CONCEITO
A palavra automação está diretamente ligada ao controle automático, ou seja ações que não dependem da intervenção humana (medição, decisão e ação corretiva).
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CONCEITO
Objetivo:
Simplificar o trabalho do homem, de forma a substituir o esforço braçal por outros meios e mecanismos.
Atualmente a automação industrial é muito aplicada para melhorar a produtividade e qualidade nos processos considerados repetitivos. 
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CONCEITO
Os sistemas automatizados podem ser aplicados em simples máquina ou em toda indústria, como é o caso das usinas de cana e açúcar. A diferença está no número de elementos monitorados e controlados, denominados de “pontos”.
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Histórico
Em 1946, foi desenvolvido o primeiro computador de grande porte, completamente eletrônico. O Eniac, como foi chamado, ocupava mais de 180 m² e pesava 30 toneladas.
 Funcionava com válvulas e relês que consumiam 150.000 watts de potência para realizar cerca de 5.000 cálculos aritméticos por segundo. 
Esta invenção caracterizou o que seria a primeira geração de computadores, que utilizava tecnologia de válvulas eletrônicas.
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Histórico
A segunda geração de computadores é marcada pelo uso de transistores.
A terceira geração de computadores se deve ao surgimento circuito integrado (CI). 
Em 1975, surgiram os circuitos integrados em escala muito grande. Os chamados chips constituíram a quarta geração de computadores.
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Controladores Lógicos Programáveis (CLP) 
Podemos considerar o CLP um computador projetado para trabalhar no ambiente industrial. Os transdutores e os atuadores são conectados a robustos cartões de interface. Comparados com um computador de escritório, os primeiros CLP’s tinham um conjunto de instruções reduzido, normalmente apenas condições lógicas e não possuíam entradas analógicas, podendo manipular somente aplicações de controle digital (discreto).
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Controladores Lógicos Programáveis (CLP)
Fácil diagnóstico durante o projeto.
Economia de espaço devido ao seu tamanho reduzido.
Não produzem faíscas.
Podem ser programados sem interromper o processo produtivo.
Possibilidade de criar um banco de armazenamento de programas.
Baixo consumo de energia.
Necessita de uma reduzida equipe de manutenção.
Tem a flexibilidade para expansão do número de entradas e saídas.
Capacidade de comunicação com diversos outros equipamentos, entre outras.
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Controladores Lógicos Programáveis (CLP)
A evolução do hardware conduziu a melhoras significativas nas características do controlador, entre outras citamos:
Redução no tempo de varredura;
Uma Interface Homem Máquina (IHM) mais poderosa e amigável.
No software também surgiram novas características, tais como:
Linguagem em blocos funcionais e estruturação de programa;
Linguagens de programação de alto nível, baseadas em BASIC;
Diagnósticos e detecção de falhas;
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Controladores Lógicos Programáveis (CLP)
 Toda planta industrial necessita de algum tipo de controlador par garantir uma operação segura e economicamente viável. Embora existam tamanhos e complexidades diferentes, todos os sistemas de controle podem ser divididos em três partes com funções bem definidas: os transdutores (sensores), os controladores e os atuadores.
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Controladores Lógicos Programáveis (CLP)
Olhos
Pernas e Braços
Atuadores
Cérebro
Controladores
Sensores/ transdutores
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COMPONENTES DA AUTOMAÇÃO
Diagrama simplificado de um sistema de controle automático
SENSOR
CONTROLADOR
ATUADOR
PROCESSO
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COMPONENTES DA AUTOMAÇÃO
Arquitetura de rede simplificada para um sistema automatizado
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Arquitetura dos CLP’s e princípio de funcionamento 
Um controlador programável, independente do tamanho, custo ou complexidade, consiste de cinco elementos básicos:
Processador;
Memória;
Sistema de entradas/saídas;
Fonte de alimentação;
Terminal de programação.
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Arquitetura dos CLP’s e princípio de funcionamento 
A três partes principais (processador, memória e fonte de alimentação) formam o que chamamos de CPU - Unidade Central de Processamento.
E
N
T
R
A
D
A
S
Unidade
Central de
Processamento
S
A
Í
D
A
S
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Arquitetura dos CLP’s e princípio de funcionamento 
Fonte de
Alimentação
Entrada
Digital
Entrada
Analógica
Unidade
Central de
Processamento
Comunicação
Saída Digital
Saída
Analógica
Alimentação CA ou CC
Controlador Lógico Programável (CLP)
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Classificação dos CLP’s segundo a capacidade
Nano e micro CLP’s
CLP’s de médio porte
CLP’s de grande porte
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CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL VS PAINEL DE RELÉS
Vantagens do CLP sobre os Relés
Necessidade de flexibilidade de mudanças na lógica de controle;
Necessidade de alta confiabilidade;
Espaço físico disponível pequeno;
Expansão de entradas e saídas;
Modificação rápida;
Lógicas similares em várias máquinas;
Comunicação com computadores em níveis superiores.
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CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL VS PAINEL DE RELÉS
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PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
O controlador opera executando uma seqüência de atividades definidas e controladas pelo programa Executivo. Este modo de operação ocorre em um ciclo, chamado de Ciclo de Varredura ("Scan"), que consiste em:
leitura das entradas externas;
execução da lógica programada;
atualização das saídas externas.
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Variáveis de Controle
Variáveis analógicas: são aquelas que variam continuamente com o tempo. Elas são comumente encontradas em processos químicos advindas de sensores de pressão, temperatura e outras variáveis físicas. 
Variáveis discretas, ou digitais: são aquelas que variam discretamente com o tempo (ligado ou desligado, 0 ou 1).
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MEMÓRIA DA APLICAÇÃO
A memória da aplicação é uma região com características de escrita e leitura aleatória. Esta memória é destinada a armazenar o programa do usuário.
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Linguagens de Programação
DEFINIÇÕES BÁSICAS
Linguagem de programação é o conjunto padronizado de instruções que o sistema computacional é capaz de reconhecer.
Programar significa fornecer uma série de instruções a um sistema com capacidade computacional, de maneira que este seja capaz de comportar-se deterministicamente, executando de forma automática as decisões de controle em função do estado atual, das entradas e das saídas do sistema num dado instante.
 
Programador é responsável por prever as situações possíveis do sistema, planejar uma estratégia de controle e codificar as instruções em uma linguagem de programação padronizada para posteriormente serem passadas ao sistema computacional.
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Linguagens de Programação
NORMA IEC 61131-3
IEC (International Electrotechnical Commission)
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Linguagens de Programação
Linguagem Ladder (LD – Ladder Diagram)
Diagrama de Blocos de Funções (FBD – Function Block Diagram)
Sequenciamento Gráfico de Funções (SFC – System Function Chart)
Lista de Instruções (IL – Instruction List)
Texto Estruturado (ST – Structured Text)
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Linguagens de Programação
Linguagem Ladder – Ladder Diagram (LD)
É uma linguagem gráfica baseada na lógica de relés e contatos elétricos para realização de circuitos e comandos de acionamentos. Por ser a primeira linguagem utilizada pelos fabricantes, é a mais difundida e encontrada em quase todos os CLP’s da atual geração.
Hoje em dia a linguagem Ladder é a mais conhecida no meio industrial. 
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Linguagens de Programação
Diagrama de Blocos de Funções – Function Block Diagram (FBD) 
É uma das linguagens gráficas de programação, muito popular na Europa, cujos elementos são expressos por blocos interligados,
semelhantes aos utilizados em eletrônica digital.
Devido à sua importância, foi criada uma norma para atender especificamente a esses elementos (IEC 61499), visando incluir instruções mais poderosas e tornar mais clara sua programação. 
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Linguagens de Programação
LISTA DE INSTRUÇÕES – INSTRUCTION LIST (IL)
Inspirada na linguagem assembly e de características puramente seqüencial, é caracterizada por instruções que possuem um operador e, dependendo do tipo de operação, podem incluir um ou mais operandos, separados por vírgulas. É indicada para pequenos CLP’s ou para controle de processos simples.
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Linguagens de Programação
Aplicação de linguagens de programação dos CLP’s.
Um item fundamental para utilização de um controlador lógico programável é a seleção da linguagem a ser utilizada, a qual depende de diversos fatores, entre eles:
Disponibilidade da Linguagem no CLP.
Grau de conhecimento do programador.
Solução a ser implementada.
Nível da descrição do problema.
Estrutura do sistema de controle.
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Linguagens de Programação
 Implementação da equação lógica em quatro linguagens diferentes
AND
A
B
L
L
LDN A
AND B
ST L
L:= Not(A) AND B;
Lista de Instruções
Texto Estruturado
Diagrama de Blocos Funcionais
Linguagem Ladder
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 Linguagem Ladder
A linguagem Ladder foi a primeira que surgiu para a programação dos Controladores Lógicos Programáveis. Para que obtivesse uma aceitação imediata no mercado, seus projetistas consideraram que ela deveria evitar uma mudança de paradigma muito brusca. Considerando que, na época, os técnicos e engenheiros eletricistas eram normalmente os encarregados da manutenção no chão da fábrica, a linguagem Ladder deveria ser algo familiar a esses profissionais.
Assim, assim ela foi desenvolvida com os mesmos conceitos dos diagramas de comandos elétricos que utilizam bobinas e contatos. 
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Linguagem Ladder
Uma boa compreensão do método de programação em linguagem Ladder, incluindo blocos funcionais, é extremamente benéfica, mesmo quando se utiliza um CLP com outros recursos, porque os diagramas Ladder são fáceis de usar e implementar e constituem uma programação de linguagem de CLP poderosa.
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Linguagem Ladder
 Vantagens:
Possibilidade de uma rápida adaptação do pessoal técnico (semelhança com diagramas elétricos convencionais com lógica a relés);
Possibilidade de aproveitamento do raciocínio lógico na elaboração de um comando feito com relés;
Fácil visualização dos estados das variáveis sobre o diagrama Ladder, permitindo uma rápida depuração e manutenção do software;
Documentação fácil e clara;
Símbolos padronizados e mundialmente aceitos pelos fabricantes e usuários;
Técnica de programação mais difundida e aceita industrialmente.
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Linguagem Ladder
 Desvantagens:
Utilização em programas extensos ou com lógicas mais complexas é bastante difícil.
Programadores não familiarizados com a operação de relés tendem a ter dificuldades com essa linguagem;
Edição mais lenta.
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Linguagem Ladder
 Lógica de contatos:
A programação em diagrama de contatos permite a implementação de funções binárias simples até aquelas mais complexas. Pelo conjunto de ações esquematizadas no diagrama de contatos pode-se esboçar o programa a ser desenvolvido em linguagem Ladder.
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Linguagem Ladder
Símbolos básicos. 
Contato Normalmente Aberto (NA). 
Contato Normalmente Fechado (NF). 
_1284385595.doc
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Linguagem Ladder
Símbolos Ladder para contatos, utilizados por alguns fabricantes de CLP’s.
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Linguagem Ladder
Símbolos para bobinas utilizadas em Diagrama Ladder
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Linguagem Ladder
A função principal de um programa em linguagem Ladder é controlar o acionamento de saídas, dependendo da combinação lógica dos contatos de entrada.
A idéia por traz da linguagem Ladder é representar graficamente um fluxo de “eletricidade virtual” entre duas barras verticais energizadas. Essa “eletricidade virtual” flui sempre da barra vertical esquerda para a barra vertical da direita.
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Linguagem Ladder
 
As instruções de saídas, tais como bobinas e blocos funcionais (contadores, temporizadores e outros com funções especiais), devem ser os últimos elementos à direita.
Como funciona:
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Linguagem Ladder
O nome Ladder (que significa escada em inglês) foi dado porque o diagrama final se parece com uma escada cujos trilhos laterais são as linhas de alimentação e cada lógica associada a uma bobina é chamada de degrau (em inglês: rung).
Um degrau é composto de um conjunto de condições de entrada (representado por contatos NA e NF) e uma instrução de saída no final da linha (representada pelo símbolo de uma bobina)
O conjunto dos contatos que compõe um degrau pode ser conhecido como condição de entrada ou lógica de controle.
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Linguagem Ladder
Um degrau é verdadeiro, ou seja, energiza uma saída quando os contatos permitem um fluxo “virtual de eletricidade”, ou seja, existe uma continuidade entre a barra da esquerda para direita.
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Linguagem Ladder
Possíveis caminhos de continuidade para o diagrama da figura
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Linguagem Ladder
Fluxo Reverso 
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Linguagem Ladder
Repetição de
Contatos 
Enquanto nos relés eletromecânicos somente uma quantidade fixa e limitada está disponível, nos programas em Ladder uma bobina pode ter quantos contatos normalmente abertos ou fechados desejar. Isso significa que um mesmo contato pode ser repetido várias vezes 
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Linguagem Ladder
 Repetição de uma mesma Bobina.
Embora alguns modelos de CLP permitam que uma mesma saída (bobina) seja repetida, é desaconselhável fazê-lo porque a repetição de uma saída em degraus diferentes vai tornar muito confusa a lógica do programa e, por conseqüência, dificultar o entendimento de quem assumir a manutenção desse programa. Recomenda-se, portanto, que, uma bobina (saída) não seja repetida. 
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Linguagem Ladder
 Relés internos
Também chamados de bobinas auxiliares, relés auxiliares, memória interna etc. Diferentes fabricantes usam distintos termos para se referirem aos relés internos.
Os relés internos nos CLP’s são elementos utilizados para armazenamento temporário de dados (bits). Seu efeito é comparável com os dos contatores auxiliares. O nome relé interno foi dado em função dessa característica. Para efeitos de programação, suas bobinas podem ser energizadas e desativadas e seus contatos para ligar ou desligar outras saídas 
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Linguagem Ladder
Exemplo de utilização de um relé auxiliar para liga uma saída física 
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Linguagem Ladder
Clic02 (WEG)
 As entradas são representadas pela letra “I”, os relés internos pela letra “M” e as saídas pela letra “Q”.
Por se tratar de um controlador simples, sua estrutura de endereçamento também é simples:
Entradas: I1, I2, I3, .... 
Saídas: Q1, Q2, Q3....
Relés auxiliares: M1, M2, M3.... 
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Linguagem Ladder
Conversão de Diagramas Elétricos em Diagrama Ladder 
Diagrama Elétrico
Diagrama Ladder
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Linguagem Ladder
Circuitos de auto – Retenção. 
Contatos “Selo”
Há situações em que é necessário manter uma saída energizada, mesmo quando a entrada venha a ser desligada.
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Linguagem Ladder
Circuitos de auto – Retenção. 
Instruções SET E RESET 
Outra maneira de fazer a auto-retenção de uma bobina e pela instrução set
A instrução set liga uma saída e a mantém liga uma saída e a mantém ligada mesmo que o contato de entrada deixa de conduzir. Para desligar a saída é utilizada a instrução reset. 
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Linguagem Ladder
Partida direta de um motor (ligado à saída Q1), utilizando bobinas set (↑) e reset (↓) 
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Linguagem Ladder
 Leitura das Entradas
O programa de um CLP é executado de forma cíclica. Antes da execução de programa
principal, são lidos os estados das entradas e alterados os conteúdos dos endereços correspondentes na Tabela de Imagem das Entradas (TIE) da seguinte forma: se a entrada está energizada (recebendo alimentação), armazena o valor 1; caso contrário, armazena o valor 0 
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Linguagem Ladder
 Utilização de chaves externas do tipo NF
Uma atenção especial é necessária quando se utilizam elementos de entrada com contatos do tipo NF.
Deve-se lembrar que, no programa do CLP, um contato NF só permanece assim se sua entrada não estiver energizada. Como as chaves externas do tipo NF alimentam continuamente a entrada do CLP, seu contato equivalente externo estará sempre comutado da sua posição original. Assim, para que o contato interno tenha comportamento equivalente a um contato NF, e preciso programá-lo como um contato NA. 
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Linguagem Ladder
Temporizadores
A instrução temporizador realiza a mesma função do relé de tempo dos comandos elétricos. Geralmente são habilitados por contatos NA ou NF e, quando o valor do tempo decorrido se iguala ao valor prefixado, o temporizador energiza um bit interno que indica que já transcorreu o tempo pré-programado. Esse bit normalmente é representado como um contato NA ou NF e pode ser utilizado para energizar ou desativar uma instrução de saída.
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Linguagem Ladder
Valor pré-selecionado (PT - Preset Time): deve ser definido pelo usuário, indica o intervalo de tempo desejado.
Valor acumulado (ET – Elapsed Time): armazena o valor do tempo decorrido desde a habilitação do temporizador, isto é, a energização da bobina do temporizador.
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Linguagem Ladder
Instrução Contador
Os contatores são blocos muito importantes porque na maioria das aplicações os processos evoluem em função de eventos internos, como, por exemplo, transcorrência de um determinado tempo, ou ainda, de eventos externos, como a contagem de um certo número de peças.