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INSTITUTO FEDERAL DO TRIÂNGULO MINEIRO CAMPUS UBERABA PARQUE TECNOLÓGICO ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS FELLIPE AUGUSTO PRATES HÉLIO HIDEO HACHIMINE JÚNIOR JOYCE NUNES OLIVEIRA SETEMBRO, 2017 UBERABA Sumário 1. O que é CLP? ......................................................................................................................... 3 2. Arquitetura do CLP ............................................................................................................... 4 Fonte de alimentação ............................................................................................................... 4 Unidades de Entrada e de Saída .............................................................................................. 4 Unidade Central de Processamento ........................................................................................ 5 Memória ................................................................................................................................... 5 Comunicação............................................................................................................................. 5 3. Ciclo de trabalho ................................................................................................................... 5 4. Entradas Digitais ................................................................................................................... 6 NPN ........................................................................................................................................... 6 PNP ............................................................................................................................................ 6 5. Saídas Digitais ....................................................................................................................... 7 Saída a transistor ...................................................................................................................... 7 Tipos de transistor .................................................................................................................... 8 Saída a Relé ............................................................................................................................... 8 Saída a TRIAC: ........................................................................................................................... 8 6. Entradas Analógicas .............................................................................................................. 9 RTD .......................................................................................................................................... 10 Termopar ................................................................................................................................ 11 7. Saídas Analógicas ................................................................................................................ 13 8. Protocolos de Comunicação ............................................................................................... 14 Modbus ................................................................................................................................... 15 Sinal Hart ................................................................................................................................. 16 Profibus ................................................................................................................................... 17 AS-i (INTERFACE DE ATUADORES E SENSORES) ..................................................................... 18 9. Linguagens de Programação .............................................................................................. 19 LADDER ................................................................................................................................... 19 Referências Bibliográficas .......................................................................................................... 23 1. O que é CLP? Os Controladores Lógicos Programáveis ou CLPs, são equipamentos eletrônicos utilizados em sistemas de automação flexível. São ferramentas de trabalho muito úteis e versáteis para aplicações em sistemas de acionamentos e controle, e por isso são utilizados em grande escala no mercado industrial. Permitem desenvolver e alterar facilmente a lógica para acionamento das saídas em função das entradas. Desta forma, podemos associar diversos sinais de entrada para controlar diversos atuadores ligados nos pontos de saída. Ele pode ser utilizado por exemplo em sistemas de iluminação, energia, ventilação, transporte, alarme, irrigação, refrigeração e ar condicionado, comando de portas e cancelas, controle de silos e elevadores, comando de bombas e compressores, comando de semáforos e outras aplicações. Figura 1: Exemplo de CLP - Weg Clic 02. 2. Arquitetura do CLP A arquitetura do CLP pode ser dividida em 5 partes: Fonte de alimentação Unidade de entrada Unidade de saída Unidade Central de Processamento (CPU) Memória Comunicação Figura 2: diagrama de blocos de um CLP. Fonte de alimentação Fonte de alimentação é a parte responsável por alimentar com energia elétrica todo o sistema do CLP. As vezes com o aumento de periféricos é necessário colocar mais de uma fonte. Ela transforma os 110V ou 220V VCA em +5VCC, +12VCC e +24VCC. Unidades de Entrada e de Saída As unidades de entrada e saída são as interfaces de entrada e saída do CLP, nela são conecta das os atuadores e os sensores. Unidade Central de Processamento Também conhecida como CPU, Central Processing Unit, é a parte responsável por executar a lógica programada. Memória Responsável por armazenar todas as instruções e dados necessários para serem executados. Comunicação Alguns CLPs de pequeno porte ainda possuem uma IHM (Interface Homem- Máquina) que permite o usuário desenvolver o programa. Porém a maioria dos programas utilizados nos sistemas de Automação Industrial atualmente são complexos o suficiente para inviabilizar esta prática. Então hoje é comum que os CLPs se comuniquem com algum computador pessoal para desenvolvimento do programa de controle nestes computadores. 3. Ciclo de trabalho O sistema do CLP executa ciclicamente a leitura das entradas e as salva na memória intermediária de entrada. Então depois de lida as entradas, ele executa o programa inserido pelo usuário e depois atualiza as saídas com base na memória intermediária de saída. O tempo total para realizar o ciclo é denominado CLOCK. Isso justifica a exigência de processadores com velocidades cada vez mais altas. Figura 3: fluxograma do ciclo do CLP. Explicando detalhadamente o fluxograma acima, o CLP funciona da seguinte maneira: Início: Verifica o funcionamento da C.P.U, memórias, circuitos auxiliares, estado das chaves, existência de um programa de usuário, emite aviso de erro em caso de falha. Desativa todas as saídas. Ler as entradas: Lê cada uma das entradas, verificando se houve acionamento. O processo é chamado de ciclo de varredura. Executa programa do usuário: Através das instruções do usuário sobre qual ação tomar em caso de acionamento das entradas o CLP atualiza a memória imagem das saídas. Atualiza as saídas: As saídas são acionadas ou desativadas conforme a determinação da CPU. Um novo ciclo é iniciado. 4. Entradas Digitais Elas recebem dois tipos de estados, 0 e1. Sendo o resultado de 0=0V e de 1=24V. São as portas que leem os dados recebidos como por exemplo os botões, relés e etc. As entradas digitais só recebem dois tipos de estados. Existem dois tipos de ligação de sensores, os NPN e os PNP. NPN A sigla quer dizer Negativo-Positivo-Negativo, nesse modo o sensor deve ser alimentado pelos fios marrom e preto. PNP A sigla quer dizer Positivo-Negativo-Positivo, nesse modo o sensor deve ser alimentado pelos fios azul e preto. Figura 4: Sensor PNP e NPN alimentados 5. Saídas Digitais As saídas digitais possuem dois estados: ligado e desligado ou 1 e 0. Elas são responsáveis pelo acionamento dos atuadores, tais como lâmpadas, motores, entre outros, e podem ser encontrados em três tipos: Saída por transistor Saída por relé Saída por Triac Saída a transistor A saída por transistor possui as seguintes características: comutam corrente de baixa amplitude, trabalham apenas em corrente contínua e possuem vida útil maior que os relés. Figura 5: Saída digital a transistor. Tipos de transistor Tipo N, NPN ou Sink - Quando o canal libera potencial negativo da fonte de alimentação de 24 Vdc para a saída (carga ligada entre o potencial positivo da fonte e a saída); Tipo P, PNP ou Source - Quando o canal libera potencial positivo da fonte de alimentação de 24 Vdc para a saída (carga ligada entre o potencial negativo da fonte e a saída). Saída a Relé Figura 6: Saída a Relé. A saída a relé possui as seguintes características: trabalham com uma ampla faixa de tensão e corrente, podem comutar circuitos em corrente continua e alternada, estão sujeitos a limitações e a desgaste dos contatos devido a seus elementos eletromecânicos. Saída a TRIAC: É um tipo de saída em corrente alternada isolado do sistema por acoplador óptico. Figura 7: Saída a TRIAC. 6. Entradas Analógicas As entradas analógicas permitem que o CLP possa manipular grandezas analógicas, enviadas por sensores eletrônicos. O sinal padrão de transmissão eletrônico é o de 4 a 20 mA dc (24Vdc), recomendado pela International Electromechanical Commission (IEC), em maio de 1975. Mas existe outras faixas de utilização tanto para tensão como para corrente. No caso de tensão, temos as seguintes faixas de utilização: 0 a 10 VCC 0 a 5 VCC 1 a 5 VCC -5 a +5 VCC -10 a +10 VCC No caso de corrente, as faixas utilizadas são: 0 a 20 mA 4 a 20 mA Os principais dispositivos utilizados com as entradas analógicas são: Sensores de pressão manométrica; Sensores de pressão mecânica; Taco - geradores para medição rotação de eixos; Transmissores de temperatura; Transmissores de umidade relativa; Uma observação a deixar é que o sinal de transmissão de 1 a 5 Vdc não é adequado pois ocorre atenuação na transmissão da tensão. A resolução das entradas analógicas é normalmente de forma binaria usando conversores A/D (analógico para digital). Uma entrada analógica com um maior número de bits permite uma melhor representação da grandeza analógica. Os mais comuns são 8, 10, 12 e 16 bits. Figura 8: Exemplo de um circuito de entrada analógica. RTD Também chamados de termorresistências ou termômetros de resistência, os RTDs são dispositivos cujo princípio de funcionamento baseia-se na variação da resistência elétrica de seus elementos condutores em virtude da variação de temperatura no ambiente a qual estes encontram-se submetidos. Os RTDs são instrumentos sensores que podem ser constituídos de um fio de material resistivo enrolado - que usualmente é feito de Platina (mais utilizado devido à sua ampla faixa de temperatura, exatidão e estabilidade), Níquel (com vários graus de pureza), de Balco ou Cobre (menos utilizado)) - envolto em um encapsulamento cerâmico (ou de vidro), ou sob a forma de uma película fina (este além de ser mais barato, possui uma velocidade de resposta maior do que os RTDs de fio enrolado). Figura 9: Construção física do RTD. Termopar Um termopar é um sensor utilizado para a medição da temperatura. Ele é constituído de dois metais distintos, unidos por suas extremidades e ligados a um termômetro termopar ou outro dispositivo com capacidade termopar, na outra extremidade. Quando configurado corretamente, termopares podem fornecer medições de temperatura em uma ampla faixa de temperatura. Um termopar é também conhecido por sua versatilidade como sensor de temperatura, portanto, normalmente são utilizados em uma ampla gama de aplicações: desde um termopar de uso industrial à um termopar regularmente encontrado em utilitários e aparelhos regulares. Devido à sua vasta gama de modelos e especificações técnicas, é extremamente importante entender a sua estrutura básica, como um termopar funciona, suas escalas para melhor determinar qual é o tipo certo e material do termopar para sua aplicação. Quando dois fios compostos por metais diferentes são unidos em ambas as extremidades e uma das extremidades é aquecida, há uma corrente contínua que flui no circuito termoeléctrico. Se este circuito é interrompido no centro, a tensão de circuito aberto líquido (a tensão Seebeck) é uma função da temperatura de junção e da composição dos dois metais. O que significa que, quando a junção dos dois metais é aquecida ou arrefecida até uma tensão que é produzida pode ser correlacionada de volta para a temperatura. Figura 10: Representação experimental relacionada ao termopar. Existem vários tipos de termopares industriais que permitem medir temperaturas entre -270 graus até + 2320 graus Célsius são eles: Figura 11: Tabela tipos de termopar. PRINCIPAIS DIFERENÇAS ENTRE RTD E TERMOPAR Termopar De acordo com a temperatura ele gera milivolts. São mais barato. Não é tão preciso quanto o RTD. Aguenta uma maior temperatura. RTD De acordo com a temperatura, a resistência se altera. São mais caro. Porem são mais precisos. Mais fácil de instalação 7. Saídas Analógicas O controlador necessita de um conversor digital para analógico, para trabalhar com este tipo de saída. As saídas analógicas são utilizadas para enviar sinais contínuos para atuadores como: Válvulas proporcionais; Inversores de frequência; Indicadores; Conversores I/P(corrente/pressão). A interface das saídas analógicas recebe do processador dados numéricos que são convertidos em valores proporcionais de corrente ou tensão e aplicados nos dispositivos de campo. Figura 12: Exemplo de um circuito de saída analógica. Na figura 10 mostrado abaixo é demonstrado um CLP com suas entradas e saídas, sendo digitais e analógicas. Figura 13: Representação de E/S digitais e analógicas. 8. Protocolos de Comunicação Os CLPs mais atuais trabalham com padrões de protocolo de comunicação para facilitar a interface com equipamentos de outros fabricantes, e também com Sistemas Supervisórios e Redes Internas de comunicação para realizar transferências de objetos entre diferentes aplicações. E não apenas os CLPs, mas todo sistema envolvido do mais baixo nível até o mais alto precisa de um protocolo de comunicação na sua rede. Abaixo vamos citar alguns protocolos de comunicação que pode ser utilizado pelo CLP e na indústria. Modbus Sinal Hart Profibus AS-i Modbus Foi criada em 1979 para comunicação entre controladores da MODICON (Schneider), no qual era totalmente aberta desde seu iníciocom grande facilidade de operação e manutenção, isto faz com que todos os demais fabricantes adotem este padrão, podendo até mesmo ser usado em sistemas de supervisão. É um protocolo de comunicação da camada de aplicação (Camada 7 do modelo OSI). Este protocolo define uma estrutura de mensagem que os controladores irão reconhecer e utilizar, independentemente do tipo de redes sobre as quais eles se comunicam O modelo original rodava sobre o RS-232 para conexão ponto-a-ponto. Foi adaptado para rodar em RS-485 (barramento) para ganhar maior velocidade, alcançar maiores distâncias e possibilitar conexão de vários dispositivos. A Modbus possui três tipos de protocolos usados em diferentes níveis da automação industrial. São eles: modbus padrão, o modbus TCP/IP e modbus Plus Modbus padrão É utilizado para comunicar CLP‘s com Dispositivos de entrada e saída de dados, Instrumentos eletrônicos inteligentes ( relés de proteção, atuadores deválvulas, etc). Ele usa os meios físicos RS-232 e RS-485 em conjunto com a tecnologia de comunicação mestre/escravo. Modbus TCP/IP É usado para comunicação entre sistemas supervisórios e CLP‘s. Nele, o protocolo Modbus é encapsulado no protocolo TCP/IP e transmitido por redes com padrão Ethernet e com controle de acesso ao meio CSMA/CD. Modbus Plus É usado para comunicação entre CLP‘s, Módulos E/S, IHM‘s e etc. Utiliza meio físico RS-485 com taxa de transmissão de 1Mbps e controle de acesso ao meio por HDLC. Ele tem modo de operação síncrona, transmissão half-duplex e full-duplex e suporta configurações ponto-a-ponto e multiponto Sinal Hart Este protocolo foi introduzido pela Fisher Rosemount em 1980. Hart é um acrônimo de “Highway Addressable Remote Transducer”. Em 1990 o protocolo foi aberto à comunidade e um grupo de usuários foi fundado. A grande vantagem oferecida por este protocolo é possibilitar o uso de instrumentos inteligentes em cima dos cabos 4 a 20mA tradicionais. Como a velocidade é baixa, os cabos normalmente usados em instrumentação podem ser mantidos. Os dispositivos capazes de executarem esta comunicação híbrida são denominados smart. O sinal Hart é modulado em FSK (Frequency Shift Key) e é sobreposto ao sinal analógico de 4 a 20mA. Para transmitir 1 é utilizado um sinal de 1mA pico a pico na freqüência de 1200Hz e para transmitir 0 a freqüência de 2200Hz é utilizada, além disto a comunicação é bidirecional. Figura 14: Representação do sinal HART em um sinal analógico Hart é um protocolo do tipo mestre/escravo, o que significa que um instrumento de campo (escravo) somente responde quando é questionado por um mestre. O protocolo permite o uso de até dois mestres. O mestre primário é um computador ou CLP ou multiplexador. O mestre secundário é geralmente representado por terminais de mão (Hard-Held) de configuração e calibração. Profibus O PROFIBUS é um padrão de rede de campo aberto e independente de fornecedores, onde a interface entre eles permite uma ampla aplicação em processos, manufatura e automação predial. Esse padrão é garantido segundo normas EM 50170 e EM 50254. Em Janeiro de 2000, o PROFIBUS foi firmemente estabelecido com a IEC (Comissão Eletrotécnica Internacional) 61158, ao lado de mais sete outros fieldbuses. Até 126 dispositivos podem ser ligados juntos em uma mesma rede profibus, mas como utiliza-se o RS485 existe uma limitação de 32 dispositivos por segmento. O PROFIBUS, em sua arquitetura, está dividido em três variantes principais: PROFIBUS DP O PROFIBUS DP é a solução de alta velocidade (high-speed) do PROFIBUS. Seu desenvolvimento foi otimizado especialmente para comunicações entres os sistemas de automações e equipamentos descentralizados. Voltada para sistemas de controle, onde se destaca o acesso aos dispositivos de I/O distribuídos. É utilizada em substituição aos sistemas convencionais 4 a 20 mA, HART ou em transmissão com 24 Volts. Utiliza-se do meio físico RS-485 ou fibra ótica. Requer menos de 2 ms para a transmissão de 1 kbyte de entrada e saída e é amplamente utilizada em controles com tempo crítico. PROFIBUS FMS O PROFIBUS-FMS provê ao usuário uma ampla seleção de funções quando comparado com as outras variantes. É a solução de padrão de comunicação universal que pode ser usada para resolver tarefas complexas de comunicação entre CLPs e DCSs. Essa variante suporta a comunicação entre sistemas de automação, assim como a troca de dados entre equipamentos inteligentes, e é geralmente utilizada em nível de controle. Recentemente, pelo fato de ter como função primária a comunicação mestre-mestre (peer-to-peer), vem sendo substituída por aplicações em Ethernet. PROFIBUS PA O PROFIBUS PA é a solução PROFIBUS que atende os requisitos da automação de processos, onde se tem a conexão de sistemas de automação e sistemas de controle de processo com equipamentos de campo, tais como: transmissores de pressão, temperatura, conversores, posicionadores, etc. Pode ser usada em substituição ao padrão 4 a 20 mA. AS-i (INTERFACE DE ATUADORES E SENSORES) A rede As-i é uma rede simples para conexão direta a sensores e atuadores discretos, do nível mais baixo em automação (nível de entrada e saída) até a comunicação com redes mais alto e dispositivos de controle. Substituindo painéis e cablagem, permite reduzir o tempo de projeto e o custo de instalação e manutenção. É usada visando a redução de custos. A As-i define parâmetros para uma ligação direta por cabo, levando sinal e alimentação a sensores e dispositivos não inteligentes, operando via estação tipo mestre-escravo. O controlador central, seja um CLP ou PC, ou o módulo de acesso à rede redes hierarquicamente mais elevadas, funciona como estação escrava-mestra. Características da rede AS-i Os sensores e atuadores se ligam às estações escravas que participam de um enlace por meio do cabo As-i. Cada escravo As-i pode comandar 8 elementos discretos, sendo quatro de entrada e quatro de saída. A configuração máxima do enlace é de 31 escravos, ou seja até 248 elementos discretos de automação. Pode alcançar até 200 metros com a rede As-i usando repetidores, em configuração árvore ou barramento. O cabo As-i contém um par de fios sem blindagem e transporta dados e alimentação, com 24Vcc e até oito ampéres, em mestra ou é escolhido manualmente. O tempo de ciclo de acesso é de 5ms, com 31 escravos, e há uma detecção de erro de comunicação, com correção automática. A As-i usa o código Manchester, que lhe possibilita uma boa imunidade à interferência e ao transporte tanto de dados como de alimentação no mesmo cabo. 9. Linguagens de Programação A programação traduz as funções a serem executadas; para tanto ela deve ser o mais simples possível. Utilizando-se de linguagem específica, baseando-se na memotécnica, a linguagem de programação usa abreviações, figuras e números de tal forma a formar se acessível a todos os níveis tecnológicos. Os CLPs vieram a substituir elementos e componentes eletro-eletrônicos de acionamento e a linguagem utilizada na sua programação é similar à linguagem de diagramas lógicos de acionamento desenvolvidos por eletrotécnicos e profissionais da área de controle, esta linguagem é denominada linguagem de contatos ou simplesmente LADDER. LADDER A linguagem Ladder foi a primeira que surgiu na programação dos Controladores Lógico Programáveis (CLPs), pois sua funcionalidade procurava imitar os antigos diagramas elétricos, utilizados pelos Técnicos e Engenheiros da época. O objetivo era o de evitar uma quebra de paradigmas muito grande, permitindoassim a melhor aceitação do produto no mercado. A simbologia na linguagem de programação Ladder segue a padrões e normas internacionais, apesar de há uma pequena variação em alguns símbolos dentre os diferentes fabricantes. A linguagem Ladder permite que se desenvolvam lógicas combinacionais, seqüenciais e circuitos que envolvam ambas, utilizando como operadores para estas lógicas: entradas, saídas, estados auxiliares e registros numéricos. Abaixo uma representação dos 3 principais símbolos de programação. Figura 15: Tabela com principais simbolos usados no LADDER. Para entendermos a estrutura da linguagem vamos adotar um exemplo bem simples: o acionamento de uma lâmpada L a partir de um botão liga/desliga. Na figura abaixo temos o circuito elétrico, o programa (usando o software clic02 edit). Para entendermos o circuito com o CLP, vamos observar o programa desenvolvido para acender a lâmpada L quando acionamos o botão B1. Figura 16: Acionamento de uma lâmpada. O botão B1, normalmente aberto, está ligado a entrada I01 e a lâmpada está ligada à saída Q01. Ao acionarmos B1, I01 é acionado e a saída Q01 é energizada. Caso quiséssemos que a lâmpada apagasse quando acionássemos B1 bastaria trocar o contato normal aberto por um contato normal fechado, o que representa a função NOT. Podemos desenvolver programas para CLPs que correspondam a operações lógicas combinacionais básicas da álgebra de Boole, como a operação AND. Na área elétrica a operação AND corresponde a associação em série de contatos, como indicado logo abaixo. Figura 17: Função AND. Outra operação lógica básica é a função OR, que corresponde a associação em paralelo de contatos. Figura 18: Função OR. Assim podemos afirmar que todas as funções lógicas combinacionais podem ser desenvolvidas em programação e executadas por CLPs, uma vez que todas derivam dos básicos: NOT, AND e OR. Obs. – O software utilizado para exemplificação de LADDER foi o Clic 02 Edit, da WEG, devido ao fato que durante o curso está sendo utilizado o CLP Weg CLIC 02 (CLW- 02/20VT-D). Disponível em: www.weg.net Abaixo a imagem do CLP e do software utilizado na disciplina de Controladores Programáveis, do curso de engenharia da computação IFTM. Figura 19: CLP Weg Clic 02 utilizado no curso. Figura 20: Software Clic 02 Edit. Referências Bibliográficas FRANCHI, C.M., Controladores Lógicos Programáveis – Sistemas Discretos. 1. ed. São Paulo: Érica, 2008. NETO, J.T.C., Controladores Lógicos Programáveis. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Natal: 2011. Apostila de sensores protocolos e redes industriais. Colégio Impacto SILVEIRA, P.R., SANTOS, W.E. Automação e controle discreto. São Paulo: Érica, 2008 FREITAS, Carlos Márcio. Controlador Logico Programável – CLP – parte 2. Embarcados. Disponível em: <https://www.embarcados.com.br/controlador-logico-programavel-clp- parte-2/>. Acesso em: 16 ago. 2017. FREITAS, Carlos Márcio. Controlador Logico Programável – CLP – parte 3. Embarcados. Disponível em: <https://www.embarcados.com.br/clp-parte-3/>. Acesso em: 16 ago. 2017. MADEIRA, Daniel. Medição de Temperatura: Introdução a RTDs. Disponível em: < https://www.embarcados.com.br/medicao-de-temperatura-introducao-a-rtds/>. Acesso em: 16 ago. 2017. MADEIRA, Daniel. Medição de Temperatura: Termopares – Introdução. Disponível em: < https://www.embarcados.com.br/medicao-de-temperatura-termopares/>. Acesso em: 16 ago. 2017. Saiba o que é um termopar. Omega. Disponível em: <https://br.omega.com/prodinfo/termopares.html>. Acesso em: 16 ago. 2017. LACERDA, Robson de Medeiros. Trabalho sobre CLP. Disponível em: <http://www.ebah.com.br/content/ABAAAelZIAA/trabalho-sobre-clp?part=2>. Acesso em: 16 ago. 2017. HELSON, Ron. Os benefícios do protocolo de Comunicação HART em Sistemas de Instrumentação Inteligentes. Smar. Disponível em:<http://www.smar.com/brasil/hart>. Acesso em: 17 ago. 2017. FLORENCIO, H.M. Protocolos de Comunicação em ambientes Industriais. UFRN, 2013. OGATA, KATSUMI – Engenharia de Controle Moderno – Editora Prentice Hall do Brasil. FILHO, B. S. S., Curso de Controladores Lógicos Programáveis. Universidade do Estado do Rio de Janeiro.
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