Notas de aula 1 - CLP

Prévia do material em texto

ORGANIZAÇÃO: PROF. ME. ANTONIO CARLOS LEMOS JÚNIOR 1 
 
 
Conteúdo programático: 
1. Automação 
1.1 Por que automatizar? 
2. Histórico dos CLP’s 
2.1 Especificação Técnica GM para sistemas de controle industriais – 1968 
3. Divisão histórica dos CLP’s 
4. Aplicações para CLP’s 
5. O que é o controlador lógico programável – CLP 
6. Estrutura do CLP 
6.1 Fonte de alimentação 
6.2 Módulo CPU 
1. Automação 
Automação é o conjunto de técnicas através das quais se constroem sistemas ativos capazes 
de atuarem com uma eficiência ótima, pelo uso de informações recebidas do meio sobre o qual 
atuam. Para tal é necessária a Leitura de Informação, Processamento e Atuação no Processo. 
 
1.1 Por que automatizar? 
Podemos elencar algumas razões para se automatizar um processo, dentre eles: 
 Aumento da produtividade (produção x tempo); 
 Aumento da qualidade do produto; 
 Redução dos custos em manutenção; 
 Aumento do poder de decisão; 
 Redução das perdas e retrabalhos; 
 Minimização de consumo de energia e matérias-primas; 
 Economia de mão de obra; 
 Aumento de segurança de pessoal e da planta; 
 Aumento da flexibilidade do sistema para modificações e expansões; 
 
 
FACULDADE DE TALENTOS HUMANOS 
 
NOTAS DE AULA 1 – CONCEITOS INTRODUTÓRIOS: CLP 
Disciplina: Automação Industrial 
Período: 
9 e 10º 
 
Turma: 
EELEN6-A/9 e 
EMECN19-D/10 
 Turno: NOTURNO 
Professor: Me. Antonio Carlos Lemos Júnior 
 
ORGANIZAÇÃO: PROF. ME. ANTONIO CARLOS LEMOS JÚNIOR 2 
 
 Redução de Estoque. 
 
2. Histórico dos CLP’s 
Os primeiros sistemas de controle foram desenvolvidos durante a Revolução Industrial, no final 
do século XIX. Na década de 1920, os dispositivos mecânicos foram substituídos pelos relés e 
contatores. Desde então, os relés têm sido empregados em um grande número de sistemas de 
controle em todo o mundo. Na indústria moderno, a lógica a relés é raramente adotada para 
desenvolvimento de novos sistemas de controle. 
O desenvolvimento da tecnologia dos circuitos integrados (CIs) possibilitou uma nova geração 
de sistemas de controle. Em muitos sistemas de controle, que utilizam relés e CIs, a lógica de 
controle, ou algoritmo, é definida permanentemente pela interligação elétrica. 
No início da década de 1970, os primeiros computadores comerciais começaram a ser 
utilizados como controladores em sistemas de controle de grande porte. 
O Programmable Logic Controller (PLC) ou Controlador Lógico Programável (CLP) foi 
desenvolvido a partir de uma demanda existente na indústria automobilística norte-americana. 
Em 1968 a especificação feita pela GM que refletia o pensamento de vários usuários de 
comandos a relé. As dificuldades encontradas foram elencadas na época: 
 Tempos dilatados para o projeto e implementação; 
 Falta de flexibilidade e expansibilidade; 
 Grandes tempos de parada de máquina por dificuldades de manutenção; 
 Grandes espaços físicos para a instalação dos painéis com os elementos de controle. 
 
Na figura 1 temos a representação temporal da evolução dos sistemas de controle. 
Figura 1 – Evolução dos sistemas de controle desde o final do século XIX 
 
Fonte: FRANCHI ; CAMARGO, 2019 
 
2.1 - Especificação Técnica GM para sistemas de controle industriais – 1968 
 
ORGANIZAÇÃO: PROF. ME. ANTONIO CARLOS LEMOS JÚNIOR 3 
 
As especificações solicitadas pela GM em 1968 procuravam mitigar ou mesmo eliminar os 
problemas encontrados em seu parque industrial. As especificações enumeradas seguem abaixo: 
 Simplicidade de programação e reprogramação; 
 Facilidade de manutenção e expansão; 
 Maior confiabilidade operacional; 
 Dimensões reduzidas; 
 Capacidade de envio de informações para um sistema central; 
 Baixo custo; 
 Capacidade de excitar diretamente cargas como válvulas solenoides e pequenos 
motores. 
 
O CLP foi idealizado pela necessidade de poder se alterar uma linha de montagem sem que 
tenha de fazer grandes modificações mecânicas e elétricas. 
O CLP nasceu praticamente dentro da indústria automobilística, especificamente a Hydronic 
Division da General Motors, em 1968, sob o comando do engenheiro Richard Morley e seguindo 
uma especificação que refletia as necessidades de muitas indústrias manufatureiras. 
A ideia inicial do CLP foi de um equipamento com as seguintes características resumidas: 
 
1. Facilidade de programação; 
2. Facilidade de manutenção com conceito plug-in; 
3. Alta confiabilidade; 
4. Dimensões menores que painéis de relês, para redução de custos; 
5. Envio de dados para processamento centralizado; 
6. Preço competitivo; 
7. Expansão em módulos; 
8. Mínimo de 4000 palavras na memória. 
 
3. Divisão histórica dos CLP’s 
Podemos didaticamente dividir os CLP's historicamente de acordo com o sistema de 
programação por ele utilizado: 
• 1ª Geração: Os CLP's de primeira geração se caracterizam pela programação intimamente 
ligada ao hardware do equipamento. A linguagem utilizada era o Assembly que variava de 
acordo com o processador utilizado no projeto do CLP, ou seja, para poder programar era 
 
ORGANIZAÇÃO: PROF. ME. ANTONIO CARLOS LEMOS JÚNIOR 4 
 
necessário conhecer a eletrônica do projeto do CLP. Assim a tarefa de programação era 
desenvolvida por uma equipe técnica altamente qualificada, gravando-se o programa em 
memória EPROM, sendo realizada normalmente no laboratório junto com a construção do 
CLP. 
• 2ª Geração: Aparecem as primeiras “Linguagens de Programação” não tão dependentes 
do hardware do equipamento, possíveis pela inclusão de um “Programa Monitor” no CLP, o 
qual converte (no jargão técnico, “compila”), as instruções do programa, verifica o estado 
das entradas, compara com as instruções do programa do usuário e altera o estados das 
saídas. Os Terminais de Programação (ou maletas, como eram conhecidas) eram na 
verdade Programadores de Memória EPROM. As memórias depois de programadas eram 
colocadas no CLP para que o programa do usuário fosse executado. 
• 3ª Geração: Os CLP's passam a ter uma Entrada de Programação, onde um Teclado ou 
Programador Portátil é conectado, podendo alterar, apagar, gravar o programa do usuário, 
além de realizar testes (Debug) no equipamento e no programa. A estrutura física também 
sofre alterações sendo a tendência para os Sistemas Modulares com Bastidores ou Racks. 
• 4ª Geração: Com a popularização e a diminuição dos preços dos microcomputadores 
(normalmente clones do IBM PC), os CLP's passaram a incluir uma entrada para a 
comunicação serial. Com o auxílio dos microcomputadores a tarefa de programação passou 
a ser realizada nestes. As vantagens eram a utilização de várias representações das 
linguagens, possibilidade de simulações e testes, treinamento e ajuda por parte do software 
de programação, possibilidade de armazenamento de vários programas no micro, etc. 
• 5ª Geração: Atualmente existe uma preocupação em padronizar protocolos de comunicação 
para os CLP's, de modo a proporcionar que o equipamento de um fabricante “converse” com 
o equipamento outro fabricante, não só CLP's, como Controladores de 
Processos, Sistemas Supervisórios, Redes Internas de Comunicação e etc., 
proporcionando uma integração a fim de facilitar a automação, gerenciamento e 
desenvolvimento de plantas industriais mais flexíveis e normalizadas, fruto da chamada 
Globalização. Existem Fundações Mundiais para o estabelecimento de normas e protocolos 
de comunicação. A grande dificuldade tem sido uma padronização por parte dos fabricantes. 
 
4. Aplicações para CLP’s 
 
• Indústria de alimentos - dosagem, mistura, embalagem,etc; 
• Indústria de plástico - injeção, sopro, tratamento térmico, etc; 
 
ORGANIZAÇÃO: PROF. ME. ANTONIO CARLOS LEMOS JÚNIOR 5 
 
• Indústria siderúrgica - injeção, forja, fornos, acabamento de peças, controle de qualidade, 
pontes rolantes, etc; 
• Indústria automobilística - montagem, teste, pintura, transporte de itens etc; 
• Construçãocivil - elevadores, sistemas de climatização, ventilação, iluminação. 
 
5. O que é o controlador lógico programável – CLP 
 
O CLP é um equipamento eletrônico digital, dedicado ao controle de máquinas e/ou processos 
em ambiente industrial, que recebe informações através de módulos de entrada, realiza com elas 
processamentos compostos de operações lógicas, aritméticas, de sequenciamento, temporização 
e contagem, determinados pelo programa do usuário armazenado em memória, e envia resultados 
através de módulos de saída. 
Além de interagir com o sistema a ser controlado, o CLP pode também trocar informações com 
um operador, recebendo dele comandos, que poderão interferir no controle, e enviando para ele 
informações que lhe servirão para monitorar a evolução do sistema. 
Para realizar controle, o CLP deverá executar os seguintes procedimentos: 
• receber informações do sistema a ser controlado; 
• processar essas informações com base em um conjunto de instruções, denominado 
programa, previamente armazenado em memória; 
• enviar informações para atuar no sistema, de forma a fazê-lo aproximar do objetivo 
desejado. 
Toda planta industrial necessita de algum tipo de controlador para garantir a 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. 
• Sensores/Transdutores: dispositivo que converte uma condição física do elemento sensor 
em um sinal elétrica para ser utilizado pelo CLP através da conexão às entradas do CLP. 
Um exemplo tipo é um botão de pressão momentânea, em que um sinal elétrico é enviado 
do botão de pressão ao CLP, indicando sua condição atual (pressionando ou liberado). 
• Atuadores: função é converter o sinal elétrico oriundo do CLP em uma condição física, 
normalmente ligando ou desligando algum elemento. Os atuadores são conectados às 
saídas do CLP. Um exemplo típico é fazer o controle do acionamento de um motor através 
do CLP. Neste caso a saída do CLP vai ligar ou desligar a bobina do contator que o comanda. 
• Controladores: de acordo com os estados das suas entradas, o controlado utiliza um 
programa de controle para calcular os estados de suas saídas. Os sinais elétricos das saídas 
 
ORGANIZAÇÃO: PROF. ME. ANTONIO CARLOS LEMOS JÚNIOR 6 
 
são convertidos no processo através dos atuadores. Muitos atuadores geram movimentos, 
tais como válvulas, motores, bombas; outros utilizam energia elétrica e pneumática. O 
operador pode interagir com o controlador por meio dos parâmetros de controle. Alguns 
controladores podem mostrar o estado do processo em uma tela ou em um display. 
Na Figura 2 temos o esquema tipo de controle usando um CLP. 
Figura 2 – Sistema de controle típico usando um CLP 
 
Fonte: SENAI/CETEL-BH, ? 
Uma das grandes vantagens de utilizarmos o CLP deve-se ao fato de possuir características 
de programação que o tornam mais eficiente que outros equipamentos industriais, tais como: 
 Facilidade e flexibilidade para alterar programas. O CLP pode ser reprogramado e operar 
com uma lógica distinta; 
 O programa pode ser armazenado em memória para replicação em outro sistema ou ser 
guardado como sistema reserva (backup); 
 No caso de defeito, sinalizadores visuais do CLP informam ao operador a parte do sistema 
que está defeituosa. 
 
Os CLP’s apresentam as seguintes desvantagens em relação aos relés: 
 Custo mais elevado; 
 Uso de algum tipo de programação ou álgebra booleana no projeto, técnicas que são 
desconhecidas de uma boa parte dos eletricistas; 
 Sensibilidade à interferência e ruídos elétricos, comuns em instalações elétricas; 
 Necessidade de maior qualificação da equipe de manutenção. 
 
A lógica a relé foi durante um longo tempo utilizada como lógica de intertravamentos. Esses 
sistemas tiveram uma grande aceitação devido ao fato de possuírem: 
 Facilidade de verificação de funcionamento, pois quando um relé atua, é visível sua atuação; 
 Imunidade a ruídos elétricos e interferências eletromagnéticas; 
 
ORGANIZAÇÃO: PROF. ME. ANTONIO CARLOS LEMOS JÚNIOR 7 
 
 Simplicidade de entendimento, fiação e manutenção (em sistemas simples). 
 
Entretanto, havia muitos problemas com o uso de relés: 
 Grande complexidade da fiação e sua verificação em sistemas grandes e complexos; 
 Pouca flexibilidade para mudanças, pois qualquer modificação na lógica dos relés implicava 
refazer todos os desenhos esquemáticos, fiação e testes; 
 Ocupam grande espaço dentro dos painéis. 
 
6. Estrutura do CLP 
A estrutura do CLP pode ser dividida entre módulos de entrada, CPU e os módulos de saída. 
Na figura 3 e 4 podemos ver essa divisão: 
Figura 3 – Estrutura do CLP: Módulos de entrada, módulos de saída e CPU 
 
Fonte: SENAI/CETEL-BH, ? 
O módulo CPU ainda é constituído do processador, memória, fonte de alimentação além de 
incorporar os circuitos de comunicação do CLP. Esses módulos de comunicação podem ser seriais, 
RS232, RS485 além da comunicação utilizando protocolo TCP/IP. 
Na Figura 4 temos a representação das interligações entre dos módulos do CLP. 
Figura 4 – Interligação interna dos módulos de um CLP 
 
Fonte: FRANCHI, 2009 
 
ORGANIZAÇÃO: PROF. ME. ANTONIO CARLOS LEMOS JÚNIOR 8 
 
6.1 Fonte de alimentação 
A fonte de alimentação é um módulo cuja função é converter a tensão AC aplicada em sua 
entrada em níveis de tensão DC, necessários ao funcionamento dos demais elementos do CLP. 
Um barramento de alimentação conduz as diversas tensões de saída da fonte de alimentação 
a todos os módulos que façam parte arquitetura do CLP. 
Em alguns CLP’s, a bateria que preserva as informações das memórias RAM da CPU fica 
acondicionada na fonte de alimentação. 
6.2 Módulo CPU 
O módulo CPU contém a inteligência do CLP. Ele é composto por elementos responsáveis por 
armazenar e executar os programas de aplicação dos usuários. Local do processador. Na Figura 5 
temos a CPU da Siemens. 
Figura 5 – CPU do CLP Siemens 
 
 
 
 
 
Fonte: SENAI/CETEL-BH, ? 
Na Figura 6 em detalhes a CPU do CLP Step7 200 da Siemens. 
Figura 6 – CLP Siemens Step7 200 da Siemens 
 
Fonte: SENAI/CETEL-BH, ? 
Seletor de modo de operação 
• STOP = Modo Stop; o programa não é executado. 
• TERM = Execução do Programa, é possível escrita/leitura pelo PG. 
• RUN = Execução do Programa, é possível somente leitura pelo PG 
LEDs de Status 
• SF = Erro interno da CPU; vermelho 
 
ORGANIZAÇÃO: PROF. ME. ANTONIO CARLOS LEMOS JÚNIOR 9 
 
• RUN = Modo Run; verde 
• STOP = Modo Stop; amarelo 
• DP = I/O Distribuído (somente CPU 215) 
 
Referências: 
Apresentação Controladores Lógicos Programáveis. Belo Horizonte – MG: LICOP – Laboratório 
de Instrumentação e Controle de Processos, SENAI/CETEL – Centro de Eletroeletrônica – César 
Rodrigues. 
 
FRANCHI, C. M. ; CAMARGO, V. L. A. Controladores lógicos programáveis: sistemas 
discretos. 2. Ed. São Paulo: Érica, 2009. 352p. 
 
Questionário: 
1) Quando surgiu o CLP? Quais problemas o CLP pretendia resolver inicialmente? 
2) Defina sensores, controladores e atuadores. 
3) Cite as vantagens e desvantagens do CLP com relação a outros sistemas de controle. 
4) Quais são os componentes essenciais da arquitetura de um CLP? 
5) O que é CPU, quais seus componentes e qual a sua função? 
6) Quais os modos de operação de um CLP? O que diferencia um modo de outro?