Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
UMA ABORDAGEM PRÁTICA Jefferson Cutrim CLP INTRODUÇÃO AOS CONTROLADORES LÓGICO PROGRAMÁVEIS Sumário Por que escrevi este material?............................................................3 O que é o CLP e qual é a sua aplicação?..............................................4 Como o CLP conversa com o equipamento/processo?..........................5 As Entradas e Saídas do CLP...............................................................6 • Módulo de E/S Digitais.........................................................6 • Módulos de Saídas a Relé.....................................................7 • Módulos de E/S Analógicos..................................................7 • Módulo de Termopar...........................................................8 • Módulo de Pt100.................................................................9 • Módulo de Motor de passo...................................................9 • Módulo de PID...................................................................10 • Módulo de Protocolo de Redes...........................................10 • Módulo de Pesagem..........................................................11 Como o CLP Processa as Informações? O Ciclo de Scan......................12 Como é a Programação?...................................................................13 A Linguagem Ladder........................................................................14 • As Principais Instruções em Ladder.....................................17 • Ligações das Entradas Digitais no CLP S7-1200...................20 • Ligações de entrada Tipo Sinking.............................22 • Ligações de entrada Tipo Sourcing...........................22 • Ligações das Entradas Analógicas no CLP S7-1200 • Ligações das Saídas Digitais (Relé) no CLP S7-1200 A Plataforma de Programação TIAPortal............................................25 Comece seu Projeto.........................................................................26 • Crie seu Projeto.................................................................27 • Insira as Instruções em Ladder...........................................28 • Endereçamento das Instruções com as TAG’s......................29 • Atribuindo um IP à CPU......................................................30 • Download do Programa de Usuário para a CPU...................31 • Utiliza o monitoramente com a “watch table”.....................32 • Monitore os Dados da CPU.................................................37 Por que escrevi este material? Se você é um estudante, profissional ou até engenheiro da área de elétrica e automação você com certeza sabe que o CLP é uma das ferramentas mais poderosas e por isso mais utilizada para controlar máquinas e processos de forma mais eficiente, segura e rápida. Porém, para isso, é necessário que o projeto tenha sido bem executado. Você sabia que, embora automatizado, um processo automático, que utiliza o CLP, pode ser muito menos eficiente do que um processo 100% manual? É verdade. A falta de conhecimento da melhor aplicação para determinado processo e para cada tipo de cliente é o que quase 100% das vezes torna um projeto de automação um fracasso. Isso mesmo, não existe a melhor opção para todos os projetos com CLP, existe a melhor opção para cada tipo de aplicação e para cada tipo de cliente. Quando não se executa um bom projeto, surgem muitas falhas e muitos erros. Isso leva operadores preferirem trabalhar em modo manual ao invés de automático (CLP). Com certeza você já deve ter ouvido a seguinte frase: “O CLP não funciona, é melhor no manual”. Ou seja, todas as vantagens da automação são perdidas. Observando que a literatura técnica não traz uma visão prática dos CLP’s, resolvi compartilhar este material introdutório que combina o conteúdo teórico com a aplicação prática da automação. Vou te mostrar o CLP S7-1200 da SIEMENS que é o fabricante de CLP mais difundido no mercado brasileiro, o que torna este conteúdo muito mais profissional e supre as lacunas em materiais disponíveis na internet. Se você observar algum ERRO neste material ou quiser dar SUGESTÕES me mande um e-mail . jefferson@fazeduca.com.br 3 O Que é um CLP e qual a sua Aplicação? CLP é um acrônimo para Controladores Lógico Programáveis. Isto é, é um dispositivo que controla máquinas e equipamentos em processos industriais tais como, fábricas de papel e celulose, fábrica de bebidas e alimentos, refinarias de petróleo, sistemas de distribuição de água, entre outros. O CLP recebe instruções de um programa que foi implementado por um projetista e armazena em sua memória para controlar o processo. Portanto o CLP é um computador, pois possui uma CPU para processamento, um bloco de memória para armazenar o programa, código, dados, além de módulos de entrada e saída para “conversar com o processo”. 4 Como o CLP “conversa” com o equipamento/processo? O CLP possui entradas e saídas para se comunicarem com o meio externo. Existem vários tipos de entradas , tais como módulos de sinais analógicos, digitais e protocolos de comunicação. As entradas dos CLP’s recebem informações sobre o processo, provenientes de transmissores e equipamentos. Esses transmissores são sensores ou transdutores que leem estados e variáveis de um sistema e enviam ao CLP. Como por exemplo, temperatura, movimento, nível, pressão, presença de peça etc. As entradas também podem ser conectadas simplesmente à chaves e botões. As saídas também possuem várias opções de comunicação com equipamentos , atuadores e sinalizações. Alguns exemplos são o acionamento de inversores, soft-starters, atuadores, posicionadores de válvulas, sinaleiros, partida de motores, entre outros. 5 As Entradas e Saídas do CLP Módulo de E/S digitais Os módulos de entrada recebem os níveis de tensão recebidos e convertem em nível lógico 0 ou nível lógico 1. Da mesma forma opera a saída digital, que pode ser nível lógico 0 ou nível lógico 1. Existem módulos de E/S que operam com os padrões de tensão de 24Vdc e 110/220Vca. Existem diversos dispositivos que podem se conectar a esse tipo de entrada do CLP tais como: chaves, sensores indutivos e capacitivos, célula fotovoltaica, termostatos, pressostatos, entre outros. Como saída temos: sinaleiros, buzzers, disjuntores, solenóides, contatores, disjuntores e motores que não ultrapassem a corrente drenada da saída. Quando o CLP recebe uma entrada verdadeira, o bit de memória processa a entrada como nível lógico 1. De forma semelhante é a saída, que quando recebe um nível lógico 1 da CPU, o contato de saída do CLP se fecha e entrega energia à carga. 6 Módulo de Saídas à Relé Os módulos de saída a relé são mais versáteis, pois comutam sinais tanto de corrente DC quanto AC. Uma desvantagem é que seus contatos elétricos se desgastam em função do número de chaveamentos realizados. Uma forma de aumentar a vida útil desse tipo de saída é utilizar contatos auxiliares para o acionamento de cargas com correntes altas. Outra desvantagem é a velocidade de chaveamento que é menor comparada ao chaveamento a transistor. Módulo de E/S Analógicos A melhoria da capacidade de processamento do CLP permitiu que houvesse uma quantidade maior de processamento de dados, dessa forma tornou-se possível a implementação de módulos analógicos que recebem uma grande quantidade de dados em um menor intervalo de tempo possível e permite uma leitura mais precisa de uma variável física tornando as técnicas de controle mais eficientes. Os padrões que os módulos de entrada analógica utilizam são: Os módulos de entrada possuem 4, 8 ou 16 entradas. É muito importante que se conheça a taxa de aquisição e a resolução do módulo na hora de especificar oprojeto. As saídas funcionam de forma semelhante porém fornecendo os sinais analógicos padronizados. Em algumas aplicações torna-se necessário a utilização de módulos especiais, os mais comuns são: 7 Entrada analógica diferencial Entrada analógica diferencial Módulo de termopar Como as saídas dos termopares são em mV, é necessário condicionar o sinal proveniente desse transdutor, para isso existe os módulos para termopares. 8 Módulo de PT100 Este módulo possui uma função específica para aquisição de dados de um RTD (resistance temperature detector), uma termoresistência de platina. Módulo motor de passo São módulos que geram os pulsos sequenciais para serem aplicados diretamente às bobinas dos motores de passo. Controlam a velocidade e também a posição através de um encoder . 9 Módulo PID O módulo PID implementa a estratégia de controle em malha fechada. O módulo possui uma CPU dedicada, dessa forma diminuindo a sobrecarga sobre a CPU do CLP. Apesar de ser possível utilizar a própria CPU para implementar o PID, o seu desempenho deixa a desejar na questão de tempo e precisão. Módulo contador rápido Utilizado para leitura de encoders e evita a perda de dados na leitura. 10 Módulo de protocolos de redes Implementa protocolos de redes industriais tais como, PROFIBUS, PROFIBUS DP, PROFIBUS, PROFINET, MODBUS, Fountation Fieldbus, AS-Interface, DeviceNet, HART/4-20mA, entre outros. Módulo de pesagem Módulo utilizado para condicionamento de sinais provenientes dos strain gages instalados em células de carga. 11 Como funciona um CLP? Os CLP é baseado em instruções que são programadas para atender à aplicações que possuem uma rotina. Os sinais dos sensores e transdutores que estão acoplados a um equipamento ou processo são ligados às entradas do CLP e as saídas estão ligadas a comandos elétricos e pneumáticos que acionam máquinas, atuadores, válvulas etc. Em cada ciclo que o programa do CLP executa, há três etapas principais. Etapa de entrada: os sinais provenientes de sensores e transdutores são lidos e armazenados para a memória interna do CLP, que é chamada de imagem da entrada. Etapa de programa: o programa entra em execução, através dos sinais aquisitados, tanto discretos quanto analógicos, que serão processados pelo CLP e transformados em saídas digitais ou analógicas. Os valores das saídas são armazenados na imagem de saída da memória. A menos que haja um interrupção (entrada de elevada prioridade) , os sinais de saída não são alterados. Quando há interrupção, o ciclo de scan é parado e é executado o programa que atende à interrupção. Após o atendimento da interrupção, ocorre o retorno para o programa principal. Etapa de saída: os valores de saída atualizados pelo programa e que estão armazenados na imagem, são aplicados aos módulos de saída. Após o término dessas três etapas, o ciclo de scan é reiniciado. O fluxograma mostra como é realizada a rotina do processo de execução. 12 Como é a programação? A etapa mais importante e trabalhosa do CLP é a programação, já que essa é justamente a característica que torna vantajosa a sua utilização, pois a extrema quantidade de fios que outrora formavam a lógica dos painéis de comando é substituído pela lógica virtual. Logo, o que deveria estar organizado dentro de um painel elétrico agora deve ser organizado no computador, a lógica de programação. A programação do CLP é padronizada pela norma IEC-61131-3. Essa norma define que para Um CLP estar de acordo com os padrões estabelecidos, deve possui pelo menos duas linguagens gráficas e duas linguagens de texto para sua programação. Dessa forma a maioria dos fabricantes adotam a lista de instruções (IL) e o texto estruturado (ST) ,como linguagens textuais, já o diagrama Ladder (LD) e o diagrama de blocos de funções (FBD) são linguagens gráficas. A grande maioria das aplicações atuais que utilizam o CLP adotam a programação em Ladder. Essa popularização se deve principalmente pela facilidade e eficiência de se trabalhar com a linguagem, sendo mais abrangente a profissionais sejam eles de computação, elétrica, mecânica, eletrotécnica ou instrumentação. Isso torna uma linguagem poderosa na capacidade de resolver problemas em menos tempo e consequentemente reduzir tempos de parada da produção. Por isso abordarei a linguagem Ladder nesse Ebook. 13 A Linguagem Ladder Na linguagem Ladder as linhas possuem aparência de degraus (rungs) de uma escada (ladder), que formam um conjunto de colunas e linhas. Em cada linha as instruções correspondem ao programa que processa os operandos e o resultado da lógica do programa é atribuído ao bloco de saída. Os operandos podem ser divididos em três classes: • Memórias: armazenam constantes, resultados parciais, dados e etc. • Entradas: estão associadas apenas aos módulos de entrada do CLP. • Saídas: estão associadas apenas aos módulos de saídas do CLP. Os operandos são divididos em cinco tipos: • Bits: utilizados para implementação lógica. • Bytes (8 bits): utilizados para armazenamento de valores numéricos inteiros. • Words (16 bits): utilizados para armazenamento de valores numéricos inteiros. • Double Word (32 bits): semelhante ao Word. • Word Long (64 bits): semelhante ao Word. 14 Nesse exemplo vou te mostrar uma técnica simples e muito popular em lógica de comandos elétricos, que é a lógica para acionamento de uma saída com um contato de selo (latching). A figura abaixo mostra o acionamento e parada de um motor de indução por partida direta. Antes de começarmos, quero deixar claro que é inviável utilizar um CLP para partida direta já que o custo é muito mais baixo se utilizarmos apenas a lógica de comando. Porém é um exemplo DIDÁTICO para você se familiarizar com essa poderosa ferramenta que é o TIAPortal da SIEMENS e o CLP SIMATIC S7- 1200. Funcionamento da Lógica • O motor é ligado quando o botão “START” é pressionado. • Devido ao contado de selo, o circuito utiliza o estado fechado do contato do “MOTOR” para manter o circuito energizado mesmo se o botão “START” for um push-button, isto é, não permanecer fechado. • Pressionando o botão “STOP”, a saída “MOTOR” é desativada • A saída “motor” permanece desativada até que o botão start seja pressionado novamente. 15 Originalmente , os CLP’s foram concebidos para substituirem lógicas de relés físicos, ou seja, só haviam instruções de contatos NA (normalmente aberto) e contatos NF (normalmente fechados). Com o desenvolvimento, foram implementados contadores, temporizadores, operações mais complexas, etc. Como esse é um material com abordagem prática, você vai utilizar o SIMATIC S7- 1200 com STEP 7 na plataforma TIA Portal. Mesmo não tendo o CLP é possível realizar esse projeto com o simulador PLCsim. Como iremos trabalhar com a programação de um CLP comercial, é importantes conhecermos a configuração física do CLP, ou seja, entradas, saídas alimentação e portas de comunicação. 16 Principais Instruções em Ladder O TP (time pulse) gera um pulso com uma largura de tempo definida em PT. O TON (timer ON) ativa uma saída em Q após o tempo definido em PT. O tempo TONR (retentive on delay) ativa a saída Q após um atraso de tempo definido em PT e armazena o valor corrente do temporizador. 17 O contador CRESCENTE CTU (counter up) conta até o valor máximo quando chega um sinal de borda de subida na entrada CU. O contador DECRESCENTE CTD (counter down) conta de PV até zero quando chega um sinal de borda de subida na entrada CD. O contador CRESCENTE/DECRESCENTE CTUD (counter up down) embarca em um mesmo bloco o contador crescente e decrescente. 18 Os blocos abaixo executam operações matemáticas elementares tais como, multiplicação, subtração, soma e divisão. Acimados blocos você pode observar que as operação são realizadas com as entradas IN1 e IN2 e a resposta é dada pela saída OUT. 19 E por fim, um dos blocos mais importantes para a programação do CLP é o bloco MOV que move dados entre temporizadores, contadores e registradores. Ligações Entradas Digitais S7-1200 Como foi citado anteriormente, as entradas digitais possuem apenas dois estados representador pelos bits “0” ou “1” e podem ser interpretados, geralmente, como ligado e desligado, dependendo da ligação. Geralmente essas entradas estão conectadas a dispositivos elétricos que funcionam como chaves tais como pressostatos, termostatos, botoeiras etc. 20 As entradas são representadas pelas chaves, as quais poderiam ser os equipamentos mostrados acima. As chaves estão ligadas de 0.0 à 0.7 e que estão alimentadas pela fonte interna do CLP de 24Vdc, portanto as entradas são 8 x 24Vdc com capacidade de corrente de 6mA/porta. Para a identificação das entradas no software, utiliza-se a letra I. Ex.: I0.0 Neste modelo de PLC já há conversor AC/DC, por isso não há necessidade de utilizar uma fonte de 24Vdc. 21 Ligações de Entrada do tipo Sinking Os termo sinking refere-se a um tipo de configuração das entradas do CLP. Uma entrada digital do tipo sinking fornece um terra. Ligações de Entrada do tipo Sourcing O termo sourcing é outro tipo de configuração, porém diferentemente do sinking, o sourcing fornece uma fonte de tensão. A utilização de uma configuração ou outra dependerá do circuito do tipo de sensor que se está trabalhando. 22 Ligações das Entradas Analógicas no S7-1200 Esse modelo de CLP possui duas entradas analógicas 0-10Vdc x 10bits no SLOT X11, a figura mostra a configuração em modo comum de um sensor com fonte externa ligado á entrada 2. 23 Ligações das Saídas Digitais no S7-1200 De maneira análoga às entradas digitais, as saídas digitais são como chaves, mais especificamente, são relés. Quando acionadas, fornecem para a carga energia proveniente da fonte L1 que pode ser Vdc ou Vca, ou seja, dependendo da carga utiliza-se uma fonte de corrente alternada ou corrente contínua. O CLP consegue entregar para a carga uma corrente somente até 2A. Para cargas que exigem um valor de corrente maior que 2A utiliza-se uma configuração de fonte externa 24 A Plataforma de Programação TIAPortal A plataforma TIAPortal é uma plataforma de automação da SIEMENS através da qual é possível configurar os CLP’s, inversores, IHM’s, etc. É uma plataforma modular, poderosa e de fácil utilização. Com o conceito de modularidade, cada parte pode ser adquirida separadamente. Dentro do TIAPortal, a parte que configura o CLP é o STEP 7 e a parte que configura a IHM/SCADA é chamada de WinCC. É possível aprender CLP mesmo sem ter o equipamento em mãos, já que há um simulador chamado PLCsim. Agora você vai colocar a mão na massa! Tela do Portal Tela do Projeto 25 26 Comece o seu projeto! Passo 1 – Crie o seu projeto Após abrir o STEP 7, clique em “Create new project” no portal “Start”. Digite o nome do projeto no campo “Project name”, nesse caso iremos digitar Partida_Direta_CLP e clicar no botão “create”. Clique em “Configure a Device” -> “Add new Device” para inserir o CLPS7-1200. Na aba SIMATIC S7-1200->CPU->CPU 1212C AC/DC/Rly escolha o modelo 6ES7 212-1BE40-0XB0 e no campo versão de firmware escolha a última versão. Após isso, clique no botão Add e o STEP 7 criará o “Main Program Block” para inserir o programa principal além de mostrar, no campo “Device View”, o modelo do CLP escolhido. 27 Passo 2 – Insira as Instruções em Ladder Para acionar a saída do circuito, utiliza-se um contato normalmente aberto. O contato normalmente aberto energizará a bobina (saída) quando o botão “start” for pressionado. Para desenergizar a saída do circuito, você deve inserir um contato normalmente fechado. O contato normalmente fechado permite a energização do circuito até que o botão “stop” seja pressionado. Após ser pressionado, o contato normalmente fechado se abre, interrompendo a energização da bobina (saída). 28 Passo 3 – Endereçamento das instruções com as TAG’s Nesse passo você deve deve associar os contatos de bobinas inseridas com as entradas e as saídas que a CPU possui, além de criar as TAG’s que identificam o contatos e relaciona com a aplicação que está sendo desenvolvida. • Para isso, selecione o primeiro contato NA e dê um duplo clique onde há os símbolos de interrogação. • Insira o endereço “I0.0” para criar uma TAG padrão para esta entrada. • Insira o endereço “I0.1” para o contato normalmente fechado. • Clique na bobina e digite o endereço de saída “Q0.0”. Para inserir as TAG’s clique com o botão direito ou selecione e pressiona Ctrl + Shift + T sobre os contatos e a bobina e em seguida clique em “Rename Tag” e nomeie as TAG’s com “START” em %I0.0, “STOP” em %I0.1 e “MOTOR” %Q0.0. Após isso clique em “compile” para compilar o programa e observar se há erros. 29 Passo 4 – Atribuindo um IP à CPU O CLP utiliza o protocolo de comunicação PROFINET com a camada física ETHERNET, portanto é necessário atribuir um endereço de IP à CPU. • Clique na porta PROFINET (entrada conector RJ45) para acessar as interface de configuração. É possível também acessar através na aba “General Properties”. Agora a CPU já está configurada com um IP e já pode entrar em modo RUN e receber o programa do usuário. PROFINET • Selecione “Ethernet Adresses” na janela de inspeção e modifique o endereço de IP, para 192.168.0.100, por exemplo. 30 Passo 5 – Download do programa do usuário para a CPU Agora você já pode realizar o download do programa. Abra o editor e simplesmente clique no botão “Download”. Após conectar á CPU, o STEP 7 mostra a tela “Load Preview”. Clique em “Load” para realizar o download do programa do usuário para a CPU. Depois clique em “Finish”, selecione “start all” para garantir que a CPU entre em modo “RUN”. O próximo passo é testar a operação do programa! PROFINET 31 Passo 5 – Utilize a watch table para o monitoramento. O que é a “watch table”? A watch table permite você monitorar ou modificar os valores da TAG’s enquanto a CPU executa o programa. Na árvore de projeto vá em Watch and Force Tables-> Add new watch table. Em seguida coloque os nomes das TAG’s na primeira coluna e automaticamente a segunda coluna “Adress” será preenchida com o endereço das respectivas TAG’s. 32 Passo 6 – Monitore a os dados da CPU. Para monitorar as TAG’s do seu projeto, você deve estar ONLINE com a CPU. Portanto, cllique no botão Go Online na barra de ferramentas. Quando você está conectado à CPU, o cabeçalho da área de trabalho fica na cor laranja. A árvore de projeto mostra círculos em verde que significa que a CPU e o projeto estão sincronizados têm a mesma configuração e programa do usuário. Para monitorar a execução do programa do usuário e mostrar os valores da execução em tempo real, clique em “Monitor All” na barra de ferramentas. Assim, o valor de cada TAG é mostrado. 33 Você pode observar que as saídas e entradas acionadas na “watch table” e na lógica feita em ladder, apresentam coerência com os LED’s ativados no CLP. • Nessa PRIMEIRA ETAPA a chave “START” é colocada na posição ON e a saída “MOTOR” é acionada 34 • Na SEGUNDA ETAPA a chave “START” é colocada na posição OFF, mas a saída do motor continua acionada, e deve, pois a ideia é que a saída se mantenha acionada, dando a possibilidade de utilizar um botão do tipo push button, como observa-se em muitos painéis elétricos. Essa técnica chama-se de contato de selo ou latching. 35• Na TERCEIRA E ÚLTIMA ETAPA a chave “STOP” é colocada na posição ON, e como é um contato NA (NORMALMENTE ABERTO), esse contato se abre e desenergiza a bobina “MOTOR”. 36 Conclusão Uma abordagem mais prática no estudo de ferramentas de engenharia, como a que foi apresentada neste material, torna a educação nesta área muito mais eficiente e rápida, pois ao mesmo tempo o estudante estuda a profissão ao invés de conceitos abstratos. A utilização de ferramentas de automação para otimizar equipamentos ou processos torna-se muitas vezes desvantajoso, mas não é pelo preço, e sim pela falta de mão de obra com conhecimento técnico especializado da ferramenta. Você sabe que quanto mais automatizado um processo ou uma máquina, mais complexo é o seu projeto, porém se bem especificado, você conseguirá extrair o máximo desempenho da sua produção e consequentemente tornar o sistema muito eficiente. Porém, a abordagem da educação tecnológica brasileira ainda está muito estratificada, apresentando conceitos muito separados mas nunca os relacionando com a realidade industrial do nosso país. Você conseguiu observar que o CLP traz uma visão sistêmica da automação, pois ele é o cérebro, ele é quem conversa com o seu sistema. Para o profissional de elétrica e automação é extremamente importante estar envolvido com a automação, pois as empresas buscam curto prazo para otimizar sua produção e o melhor caminho é automatizar ao invés de capacitar o profissional que é a longo prazo. Ou seja, as empresas buscam um profissional já pronto para o mercado. Por isso considero que o CLP é a ferramenta mais importante e mais viável para se especializar em automação, já que abrange muitos setores da indústria brasileira, desde fábricas têxteis, a petroquímicas, montadoras, industrias químicas, entre muitas outras. 37
Compartilhar