CLP DUINO_Alexsandro_Derig

Prévia do material em texto

Anais da Mostra Nacional de Robótica - MNR 2020 
 Ensino Fundamental, Médio e Técnico 
 
 
 
CLP DUINO: Um Controlador Lógico Programável Baseado em Hardware Livre 
 Alexsandro Ferreira Coelho1, Derig Almeida Vidal 1 
sandrocitroen@gmail.com, derigalmeida@yahoo.com.br 
 
1 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DO CEARÁ - IFCE 
Juazeiro do Norte – CE 
 
Categoria: ARTIGO SUPERIOR / MULTIMÍDIA 
 
 
Resumo: O ensino de ferramentas tecnológicas para controle 
industrial esbarra em diversos desafios, dentre eles o custo de 
seus equipamentos e a limitação de conhecimento gerado pela 
utilização de equipamentos de arquitetura fechada. Por outro 
lado, o movimento de software e hardware livres ou abertos está 
em ascensão e a utilização de tais tecnologias permite ao usuário 
acessar todo o conteúdo do desenvolvimento do sistema. Dessa 
forma, o projeto apresentado nesse artigo desenvolveu um 
controlador lógico programável utilizando a plataforma Arduino 
e um software supervisório com finalidades didáticas, através da 
filosofia open source. O sistema desenvolvido pode ser 
facilmente replicado, assim como, melhorado ou expandido 
devido à utilização de materiais, metodologia de 
desenvolvimento e dispositivos de baixo custo ou gratuitos. O 
produto obtido pode ser utilizado no ensino de programação, 
eletrônica, prototipagem de circuitos e disciplinas afins. 
Palavras Chaves: Hardware Livre. Software Livre. Automação 
Industrial. CLP. Arduino. 
Abstract: The teaching of technological tools for industrial 
control comes up against several challenges, among them the 
cost of its equipment and the limitation of knowledge generated 
by the use of closed architecture equipment. On the other hand, 
the movement of free or open software and hardware is on the 
rise and the use of such technologies allows the user to access 
all the content of the system's development. Thus, the project 
presented in this article developed a programmable logic 
controller using the Arduino platform and supervisory software 
for teaching purposes, through the open source philosophy. The 
developed system can be easily replicated, as well as, improved 
or expanded due to the use of materials, development 
methodology and low-cost or free devices. The product obtained 
can be used in the teaching of programming, electronics, 
prototyping of circuits and related disciplines. 
Keywords: Free Hardware. Free software. Industrial 
automation. CLP. Arduino. 
1 INTRODUÇÃO 
O ensino de ferramentas tecnológicas para controle industrial 
esbarra em diversos desafios. Dentre eles o custo de seus 
equipamentos e a limitação de conhecimento gerado pela 
utilização de equipamentos de arquitetura fechada. Isso dificulta 
ou inviabiliza um maior estudo sobre seu funcionamento 
interno, características de construção e desenvolvimento. Esses 
equipamentos são fabricados com finalidade de uso na indústria 
e não no ensino. São utilizados em vários cursos técnicos ou 
tecnológicos, com a finalidade de preparar o profissional a 
desenvolver tarefas em empresas que dispõe dessas tecnologias 
no seu dia a dia. 
Por outro lado, o movimento de software e hardware livres ou 
abertos está em ascensão. A utilização de tal filosofia permite ao 
usuário, se desejar, acessar todo o conteúdo do desenvolvimento 
do sistema, permitindo assim um maior conhecimento, bem 
como, possibilitar que o usuário o altere, seja adaptando-o a suas 
necessidades ou criando novas soluções. Outro ponto 
importante, é que esse conhecimento é obtido de forma gratuita. 
Um bom exemplo disso é a plataforma Arduino, que tem como 
objetivo desenvolver algo que seja acessível e com baixo custo 
para o usuário. 
Assim, por um lado temos novos paradigmas de 
desenvolvimento, comércio e disseminação de softwares e 
hardwares. De outro, produtos de alta tecnologia e custo. E, por 
fim, em um terceiro lado, temos os alunos, futuros profissionais, 
que terão que lidar com essas novas tecnologias e desafios, seja 
mantendo, implantando ou desenvolvendo. 
Dessa forma, o presente artigo apresenta uma placa juntamente 
com um software como uma alternativa para o ensino dessas 
tecnologias de alto custo para os alunos dos cursos técnicos e 
superiores de tecnologias. 
Essa alternativa é composta por um CLP (Controlador Lógico 
Programável) de baixo custo, com arquitetura e circuitos abertos 
(hardware), baseado na placa Arduino Uno, com um programa 
armazenado e software supervisório livre. Tal sistema pode ser 
utilizado em experimentos práticos em bancadas didáticas nas 
disciplinas de microcontroladores, programação, eletrônica, 
redes industriais, bem como em outras disciplinas. 
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 
2.1 Software livre e hardware aberto 
Segundo a FSF (2014), um software gratuito permite ter o 
controle sobre a tecnologia que é utilizada em casas, escolas e 
empresas, onde os computadores trabalham para o benefício 
individual e comunitário, e não para as empresas de software 
proprietário ou governos que pretendam restringir e monitorar. 
O movimento do software livre é um dos movimentos sociais 
mais bem sucedidos a surgir nos últimos 25 anos, impulsionado 
por uma comunidade mundial de programadores éticos 
dedicados à causa da liberdade e da partilha monitorar (FSF, 
2014). 
001 | Página 
 Anais da Mostra Nacional de Robótica - MNR 2020 
 Ensino Fundamental, Médio e Técnico 
 
Open Source Hardware (OSHW), ou hardware aberto, é um 
termo para artefatos tangíveis (máquinas, dispositivos ou outros 
objetos físicos) cujo projeto foi disponibilizado ao público de 
modo que qualquer um pode: construir, modificar, distribuir e 
utilizar estes artefatos. É intenção desta definição, auxiliar no 
desenvolvimento de guias gerais para o desenvolvimento e 
validação de licenças para Open Source Hardware (OSHW, 
2014). 
É importante notar que o hardware se diferencia do software no 
sentido de que recursos físicos devem sempre ser empregados 
na produção de bens físicos. Desse modo, pessoas ou empresas 
produzindo itens (“produtos”) sob uma licença OSHW têm uma 
obrigação de não impor que estes produtos sejam fabricados, 
vendidos, garantidos, ou sancionados de qualquer modo pelo 
desenvolvedor original e também de não fazer uso de registros 
comerciais pertencentes a este desenvolvedor (OSHW, 2014). 
2.2 Arduino 
A plataforma Arduino, que se caracteriza por utilizar um 
microcontrolador da família AVR. “O que antes necessitava de 
5 conhecimentos técnicos específicos de eletrônica e 
programação, agora se tornou extremamente simples e até 
intuitivo. ” (CARVALHO, 2011, p. 34). Além disso, essa 
plataforma facilita o uso de microcontroladores. Com ela, pode-
se monitorar sensores, pode-se comunicar com computadores e 
celulares, inclusive, pode-se controlar algumas funções como 
ligar e desligar cargas (através do controle de relés que 
funcionam como interruptores), abertura de fechaduras elétricas, 
leitura de sensores, etc. Adicionado a tudo isso, tem-se que O 
Arduino (Figura 1) oferece uma interface de hardware 
proporcionando todo o circuito necessário para funcionamento 
do microcontrolador e uma interface e ambiente de 
desenvolvimento em software para programação. 
 
Figura 1 - Arduino UNO. Fonte: Próprio autor, 2020. 
Desenvolvido na Italia no ano de 2005 com intuito de criar uma 
plataforma de baixo custo e de facil acesso. A mesma tem a 
filosofia de plataforma de código aberto (open-source), isso fez 
com que a plataforma ganhasse uma grande comunidade de 
desenvolvedores do mundo inteiro que publicam bibliotecas já 
com toda a programação pronta para se usar, com funções 
específicas, como, por exemplo, o controle de servo motores ou 
leitura de sensores analógicos (CARVALHO, 2011, p. 34). 
2.3 Controlador Lógico Programável - CLPSegundo PETRUZELLA (2013) o controlador lógico 
programável (CLP) é uma tecnologia amplamente utilizada hoje 
em controle de processos industriais. O CLP (Figura 2) é um 
computador industrial que tem a função de controlar processos 
a partir de uma programação. É um sistema que funciona em 
tempo real, tendo em vista que as saídas estão diretamente 
relacionadas as entradas do circuito. 
 
Figura 2 - Controlador Lógico Programável CLIC02. 
Fonte: VIEWTECH, 2020. 
O CLP é basicamente um computador digital projetado para uso 
no controle de máquinas, mas diferentemente de um computador 
pessoal, ele foi projetado para funcionar em um ambiente 
industrial e é equipado com interfaces especiais de entrada/saída 
e uma linguagem de programação de controle (PETRUZELLA, 
2013). 
Um CLP pode ser dividido em partes: A unidade central de 
processamento (CPU), a seção de entrada/saída E/S, a fonte de 
alimentação e o dispositivo de programação. 
O termo arquitetura pode se referir ao equipamento, ao programa 
do CLP ou a uma combinação dos dois. Um projeto de 
arquitetura aberta permite que o sistema seja conectado 
facilmente aos dispositivos e programas de outros fabricantes. 
Um sistema com arquitetura fechada é aquele cujo projeto é 
patenteado, tornando-o mais difícil de ser conectado a outros 
sistemas. A maioria dos sistemas de CLP é patenteada; logo, 
torna-se necessário verificar se o equipamento ou programa 
genérico que será utilizado é compatível com esse CLP 
específico. Consequentemente, os programas não podem ser 
intercambiados entre os diferentes fabricantes de CLP 
(PETRUZELLA, 2013). 
Inicialmente o CLP era usado para substituir o relé lógico, com 
o tempo veio uma gama de novas funções possibilitando assim 
aplicações mais complexas, sua estrutura baseada em uma 
arquitetura de um computador permite que ele faça a função não 
somente de um relé, mas também outras funções como 
temporização, contagem, cálculos, comparações e tratamentos 
de sinais analógicos (PETRUZELLA, 2013). 
Em algumas aplicações, além das funções de controle normal, o 
CLP é responsável pela coleta de dados executando o 
processamento necessário e estruturando os dados para geração 
de relatórios. A coleção de dados é simplificada pelo uso de um 
sistema SCADA (supervisory control and data aquisition – 
supervisório para aquisição de dados). Em geral, o sistema 
SCADA (Figura 3) normalmente se refere a um sistema que 
coordena, mas não controla o processo em tempo real 
(PETRUZELLA, 2013). 
 
Figura 3 - Integração do sistema SCADA. Fonte: 
EFACEC, 2006. 
 Anais da Mostra Nacional de Robótica - MNR 2020 
 Ensino Fundamental, Médio e Técnico 
 
Um sistema SCADA, independe do desempenho das funções de 
controle do módulo de E/S dos CLPs sobre os dispositivos de 
campo enquanto são supervisionados por um pacote de 
programa (software) SCADA/HMI rodando em um computador 
hospedeiro (host). Operadores de controle de processo 
monitoram a operação do CLP no host e enviam comandos de 
controle para os CLPs, se necessário (PETRUZELLA, 2013). 
A grande vantagem de um sistema SCADA é que os dados são 
armazenados automaticamente em uma forma que pode ser 
retornada para análise mais tarde, sem erro ou para um trabalho 
adicional. As medições são feitas sob o controle do processo e 
depois são mostradas na tela e armazenadas (PETRUZELLA, 
2013). 
3 O CLP DUINO 
O uso de CLPs e sistemas supervisórios são bastante onerosos 
além de serem fechados, muitos não permitindo a utilização de 
CPLs de outro fabricante. Por outro lado, os produtos baseados 
em software livre e hardware livre possuem preços bastante 
reduzidos e muitas vezes sem custo algum. 
Assim, por um lado temos novos paradigmas de 
desenvolvimento, comércio e disseminação de softwares e 
hardwares, de outro, produtos de alta tecnologia e custo. E, por 
fim, em um terceiro lado, temos os alunos, futuros profissionais, 
que terão que lidar com essas novas tecnologias e desafios, seja 
mantendo, implantando ou desenvolvendo.Dessa forma, o 
projeto desenvolvido buscou uma alternativa para o ensino 
dessas tecnologias de alto custo para os alunos dos cursos de 
Automação Industrial, Eletrotécnica bem como de outros cursos. 
O CLP DUINO aplica tecnologias livres no desenvolvimento de 
ferramentas para o ensino de Circuitos Lógicos Programáveis, 
bem como do supervisório desses sistemas.O CLP DUINO 
(Figura 4) é um CLP de baixíssimo custo, com arquitetura e 
circuitos abertos (hardware), programa armazenado e software 
supervisório livres. 
 
Figura 4 - CLP com Arduino. Fonte: Próprio autor, 2020. 
Tal sistema pode ser utilizado em experimentos práticos em 
instituições de ensino. Permite a criação de objetos de 
aprendizagem sobre o desenvolvimento de tais aparelhos, 
contribuindo em grande soma para o incentivo e disseminação 
de tais tecnologias em várias aplicações. 
 
4 MATERIAIS E MÉTODOS 
Inicialmente foi realizado um estudo bibliográfico e prático 
sobre o hardware livre e em especial do Arduino, bem como, de 
sua linguagem de programação e suas bibliotecas de 
comunicação serial. 
Após esse primeiro levantamento iniciou-se o projeto do circuito 
eletrônico e seu teste em um simulador de circuitos. Ele 
possibilitou analisar o comportamento do circuito e fazer os 
testes iniciais reduzindo erros na implementação real. O circuito 
criado pode ser visualizado na Figura 5. 
 
Figura 5 - Circuito no simulador. Fonte: Próprio autor, 
2020. 
A programação do sistema contido no microcontrolador da placa 
de controle utilizada, o firmware do Arduino, foi desenvolvido 
na IDE (Integrated Development Environment) da própria placa. 
Exemplo de uma tela e parte do código é exibido a seguir na 
Figura 6. 
Com o conhecimento obtido nas simulações foi criado um 
protótipo de circuito de controle com base no Arduino UNO. 
Esse primeiro protótipo foi implementado em protoboard em 
laboratório (Figura 7). 
 
Figure 6 - Firmware do CLP. Fonte: Próprio autor, 2020. 
 
Figure 7 - Protótipo do CLP montado na protoboard. 
Fonte: Próprio autor, 2020. 
O circuito desenvolvido possui entradas protegidas por 
acopladores ópticos (Figura 8), evitando que erros na ligação 
externa danifiquem o circuito de controle, da mesma forma que 
é implementado em alguns CLPs industriais. O centro do 
circuito de controle é a placa Arduino UNO, ela é responsável 
por manter o programa de controle (firmware) e processar as 
 Anais da Mostra Nacional de Robótica - MNR 2020 
 Ensino Fundamental, Médio e Técnico 
 
entradas e gerar as saídas. Já as saídas são acionadas através de 
relés eletromecânicos controlados por transistores, 
possibilitando ativar cargas com maiores tensões e correntes. 
Elas são utilizadas para acionar os atuadores pneumáticos, por 
exemplo. 
 
Figure 8 - Acoplador Óptico. Fonte: 
ELETROPEÇAS,2020. 
Para os testes, foi utilizada uma bancada educacional no 
laboratório do curso de Automação Industrial do IFCE Campus 
Juazeiro do Norte. Nessa bancada existem atuadores 
pneumáticos (três cilindros), uma esteira acionada por um motor 
elétrico, sensores ópticos (para determinar a altura das peças que 
passam na esteira e entradas de peças nos “armazéns”), sensores 
eletromecânicos (passagem de peças), indutivos (detecção de 
peças metálicas) e capacitivos (para detecção de peças de outros 
materiais). Com a ajuda dos sensores e atuadores, essa bancada 
permite ao aluno controlar uma planta simples detectando e 
selecionando peças da esteira, seja por sua altura ou material, e 
colocá-las em quatro compartimentos separados. 
Quanto ao supervisório que fica no PC, o mesmo foi 
desenvolvido em Java. Utilizou-se a API (Application 
Programming Interface) RXTX para realizar a comunicação 
com a porta USB do PC e assim acessar a placa de controle.A interface de controle é intuitiva. Nessa primeira versão é 
possível acionar os vários atuadores pneumáticos. Na interface 
existe uma área para configuração da conexão e diversos botões 
para acionamento da bancada didática. Os botões podem acionar 
o avanço ou o recuo dos cilindros, bem como, especificar se o 
sistema irá trabalhar em modo automático ou manual. No modo 
manual, o sistema simplesmente obedece aos comandos do 
usuário selecionados via cliques nos botões da interface no PC. 
No modo automático, o sistema faz uso dos sensores presentes 
na bancada e a operação fica por conta da placa controladora. A 
interface é exibida na Figura 9, percebe-se uma imagem 
ilustrativa da esteira da bancada pedagógica ao lado esquerdo e 
os botões de controle no lado direito, bem como as opções de 
configuração da conexão na parte superior da tela. 
 
Figura 9 – O sistema supervisório desenvolvido. Fonte: 
Próprio autor, 2020. 
Para testes, foi criado um programa que liga a esteira, percebe a 
altura da peça através de sensores e aciona o cilindro que irá tirar 
a peça da esteira e colocar no compartimento desejado, um para 
cada uma das três alturas de peça. Ao cair no compartimento, a 
peça aciona um sensor e esse libera o recuo do cilindro 
pneumático. Após, o sistema volta a aguardar novas peças e a 
repetir o ciclo. 
Ao finalizar todos os testes do protótipo montado na protoboard, 
foi iniciado a criação do layout (Figura 10) da placa de circuito 
impresso, para que fosse confeccionado a placa final do projeto. 
 
Figura 10 - Layout da placa do CLP. Fonte: Próprio autor, 
2020. 
Como produto final a nossa placa ficou conforme as figuras 11 
e 12. 
 
Figura 11 - Vista superior da placa. Fonte: Próprio autor, 
2020. 
 
Figura 12 - Vista inferior da placa. Fonte: Próprio autor, 
2020. 
 Anais da Mostra Nacional de Robótica - MNR 2020 
 Ensino Fundamental, Médio e Técnico 
 
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO 
Os testes iniciais apresentaram dificuldades de conexão entre a 
placa de controle e a bancada didática, devido à complexidade 
de seus conectores. A solução para conexão foi a adaptação de 
um cabo D25F (Figura 13) na qual possui os mesmos tipos de 
conectores da bancada. 
 
Figura 13 - Cabo D25F. Fonte: KVMCHOICE, 2020. 
O posicionamento de alguns sensores ópticos da bancada 
também dificultaram a detecção da passagem das peças na 
entrada dos compartimentos, tal problema foi solucionado 
colocando-se anteparos que forçavam as peças a passarem mais 
próximas aos sensores. 
Outro ponto que complicou o desenvolvimento foi a grande 
quantidade de componentes necessários no circuito e o seu 
posicionamento na placa de prototipagem, gerando erros na 
montagem. Na modelagem do layout da placa de circuito 
impresso foi necessário a utilização de uma placa de dupla face, 
para que a mesma pudesse ter as suas trilhas nos dois lados.Após 
a solução de tais problemas, tanto o circuito de controle quanto 
o seu firmware e o software supervisório trabalharam a contento. 
Controlaram a bancada didática sem problemas, tanto em modo 
manual, como no modo automático 
6 CONCLUSÕES 
O projeto mostrou-se viável e funcional, cumpre com o 
esperado, um protótipo operacional de um Circuito Lógico 
Programável de arquitetura aberta, bem como, de um 
supervisório interativo para PC. Os dois utilizam hardware 
aberto e software livre, no caso, o Arduino e o JAVA. 
Como resultados, tem-se a placa de circuito impresso, de baixo 
custo, criada na filosofia open source permitindo assim que a 
mesma possa ser replicada facilmente. 
Como trabalho futuro, podemos destacar a adição de algumas 
funcionalidades ao supervisório, dentre elas, a possibilidade de 
acompanhar as entradas em tempo real. Outro requisito a ser 
adicionado é o controle da velocidade do motor da esteira pelo 
CLP e a conexão do sistema via rede cabeada ou sem fio, 
utilizando a Ethernet ou outros protocolos de rede, até mesmo 
redes industriais. 
 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
ACOPLADOR Óptico TLP 521-1= PC 817X1 = NEC 2501 = 
LE 641. [S. l.], 2010. Disponível em: 
https://www.eletropecas.com/Produto/acoplador-optico-
tlp-521-1-pc-817x1--nec-2501--le-641. Acesso em: 8 
jun. 2020. 
 
ALVES MARTINS, Marcos Roberto. Integração de sistema 
SCADA. [S. l.], 2010. Disponível em: 
https://www.researchgate.net/figure/Figura-70-
Integracao-de-sistema-SCADA-Fonte-EFACEC-
06_fig47_46213286. Acesso em: 18 jul. 2020. 
CARVALHO, Mauricio Feo Pereira Rivello de. Automação e 
controle residencial via internet utilizando arduino. In: 
SEMANA DE EXTENSÃO, 1., Rio de Janeiro. Anais... 
Rio de Janeiro: [online], 2011. Acesso em: 20 jun. 2020. 
CONTROLADOR Logico Programavel Weg CLP CLIC02 
24VCC 20VR. [S. l.], 2019. Disponível em: 
https://www.viewtech.ind.br/controlador-logico-
programavel-weg-clp-clic02-24vcc-20vr. Acesso em: 18 
jul. 2020. 
FSF. About Free Software Foundation. Disponível em: 
<http://www.fsf.org/about/>. Acesso em: 07 de maio de 
2020. 
LADYADA. Open Hardware. Disponível em: 
www.ladyada.net/library/openharware/whatisit.html. 
Acesso em: 18 mai. 2020. 
OSHW. Definição de Open Source Hardware (OSHW) 1.0. 
Disponível em: 
<http://www.oshwa.org/definition/portuguese/>. Acesso 
em: 7 de maio de 2020. 
P05-02 extensão D25 moldada com fio reto D25M-D25F, 2 
metros. [S. l.], 2010. Disponível em: 
https://www.kvmchoice.com/detail_switch.asp?id=1272
&nav1st=4. Acesso em: 22 jun. 2020. 
PETRUZELLA, Frank D. Controladores Lógicos Programáveis. 
4. ed. Porto Alegre: McGraw-Hill, 2013.