Controle discreto usando Controladores Lógicos Programáveis

*Introdução

O que é CLP?

O primeiro CLP surgiu na indústria automobilística, até então um usuário em potencial dos relés eletromagnéticos utilizados para controlar operações sequenciadas e repetitivas numa linha de montagem.

Este equipamento foi batizado nos Estados Unidos como PLC (Programable Logic Control), em português CLP (Controlador Lógico Programável) e este termo é registrado pela Allen Bradley           ( fabricante de CLPs).

Histórico

• Criado em 1968 para General Motors pela Bedford Associates;

• Objetivo: Substituir os painéis de relés;

• Desenvolvido inicialmente com componentes discretos;

• Posteriormente, microprocessadores passaram a ser usados;

• Atualmente é o mais popular dos controles de manufaturas.

• Definição segundo a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) É um equipamento eletrônico digital com hardware e software compatíveis com aplicações industriais.

• Definição segundo a NEMA (National Electrical Manufacturers Association ) Aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para o armazenamento interno de instruções para implementações específicas, tais como lógica, sequenciamento, temporização, contagem e aritmética, para controlar, através de módulos de entradas e saídas, vários tipos de máquinas ou processos.

FUNCIONALIDADE

Capaz de armazenar instruções para implementação de funções de controle (sequencia lógica, temporização e contagem, por exemplo);

Além de realizar operações lógicas e aritméticas, manipulação de dados e comunicação em rede, sendo utilizado no controle de Sistemas Automatizados.

Historicamente os CLPs podem ser classificados nas seguintes categorias:

1ª GERAÇÃO: Programação em Assembly. Era necessário conhecer o hardware do equipamento, ou seja, a eletrônica do projeto do CLP.

2ª GERAÇÃO: Apareceram as linguagens de programação de nível médio. Foi desenvolvido o “Programa monitor” que transformava para linguagem de máquina o programa inserido pelo usuário.

3ª GERAÇÃO: Os CLPs passam a ter uma entrada de programação que era feita através de um teclado, ou programador portátil, conectado ao mesmo.

4ª GERAÇÃO: É introduzida uma entrada para comunicação serial, e a programação passa a ser feita através de microcomputadores. Com este advento surgiu a possibilidade de testar o programa antes do mesmo ser transferido ao modulo do CLP, propriamente dito.

5ª GERAÇÃO (atual): Os CLPs de quinta geração vem 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.

* Características de hardware

-Os principais componentes de hardware de um CLP são os seguintes: CPU (Central Processing Unit - Unidade Central de Processamento): compreende o processador (microprocessador, microcontrolador ou processador dedicado ), o sistema de memória (EPROM e RAM) e os circuitos auxiliares de controle;

- Cartões de E/S: Contém os circuitos necessários para interfacear os dispositivos de campo com o processador. Cada circuito de E/S possui isolação ótica para proteger contra transientes. Vários módulos têm filtros também. A maioria tem LEDS indicadores para sinalizar o estado de cada dispositivo de E/S conectado. Podem ser discretos (sinais digitais: 12VDC, 127 VAC, contatos de relés normalmente abertos, contatos normalmente fechados) ou analógicos (sinais analógicos: 4-20mA, 0- 10VDC, termopar);

- Fonte de Alimentação: responsável pela tensão de alimentação fornecida à CPU e aos Circuitos/Módulos de E/S. Em alguns casos, proporciona saída auxiliar (baixa corrente).

- A Base ou Rack é responsável pela sustentação mecânica dos elementos que compõem o CLP. Contém o barramento que faz a conexão elétrica entre eles, no qual estão presentes os sinais de dados, endereço e controle - necessários para comunicação entre a CPU e os Módulos de E/S, além dos níveis de tensão fornecidos pela Fonte de Alimentação - necessários para que a CPU e os Módulos de I/O possam operar.

* Composição

A arquitetura básica de um CLP é formada por:

• Uma fonte de alimentação;

• Uma Unidade Central de Processamento (CPU);

• Um sistema de memória;

• Módulos de entrada e saída.

* Entradas e saídas

- As entradas digitais fornecem apenas um pulso ao controlador, ou seja, elas tem apenas um estado ligado ou desligado, nível alto ou nível baixo, remontando a álgebra boolena que trabalha com uns e zeros.

- Alguns exemplos são: as botoeiras, válvulas eletropneumaticas, os pressostatos e os termostatos.

- Os dispositivos de saída, tais como solenóides, relés, contadores, válvulas, luzes indicadoras e alarmes estão conectados aos módulos de saída do CLP;

- As saídas de maneira similar às entradas podem ser digitais ou analógicas;

- As saídas digitais são geralmente isoladas do campo por meio de isoladores galvânicos, como acopladores ópticos ou relés.

- As saídas digitais exigem do controlador apenas um pulso que determinará o seu acionamento ou desligamento. Como exemplos tem-se: contadores que acionam os motores de indução e as válvulas eletropneumáticas.

* Memória

-Memória Residente (EPROM): contém os programas considerados parte integrante do sistema, permanentemente armazenados, que supervisionam e executam a sequencia de operações, as atividades de controle e comunicação com os dispositivos periféricos, bem como outras atividades.

-Memória do Usuário (tipo RAM, EEPROM ou FLASH-EPROM): armazena o programa aplicativo do usuário, ou seja, o programa de aplicação.

-Memória de Dados ou Tabela de Dados (RAM): nessa área são armazenados os dados associados com o programa de controle, tais como valores de temporizadores, contadores, constantes, etc.

-Memória Imagem das Entradas e Saídas (RAM): área que reproduz o estado de todos os dispositivos de entrada e saída conectados ao CLP.

* Funcionamento

-O CLP funciona segundo um programa permanentemente armazenado em memória EPROM, que executa um ciclo de varredura chamado scan time e consiste de uma série de operações realizadas de forma sequencial e repetida. Este tempo depende do tamanho do programa e dos recursos utilizados.

-A figura a seguir apresenta, em forma de fluxograma, as principais fases do ciclo de varredura de um CLP.

Inicialização:

No momento em que é ligado o CLP executa uma série de operações pré - programadas, gravadas em sua Memória do Sistema:

# Verifica o funcionamento eletrônico da CPU , memórias e circuitos auxiliares;

# Verifica a configuração interna e compara com os circuitos instalados;

# Verifica o estado das chaves principais ( RUN / STOP , PROG, etc. );

# Desativa todas as saídas;

# Verifica a existência de um programa de usuário;

# Emite um aviso de erro caso algum dos itens acima falhe.

Atualização das entradas: 

Durante a varredura das entradas, o CLP examina os dispositivos externos de entrada quanto à presença ou à ausência de tensão, isto é, um estado “energizado” ou “desenergizado”. O estado das entradas é atualizado e armazenado temporariamente em uma região da memória chamada “tabela imagem das entradas”.

Execução do programa: 

Durante a execução do programa, o CLP examina as instruções do programa de controle (armazenado na memória RAM), usa o estado das entradas armazenadas na tabela imagem das entradas e determina se uma saída será ou não “energizada”. O estado resultante das saídas é armazenado em uma região da memória RAM chamada “tabela imagem das saídas”.

Atualização das saídas: 

Baseado nos estados dos bits da tabela imagem das saídas, o CLP “energiza” ou “desenergiza” seus circuitos de saída, que exercem controle sobre dispositivos externos.

 

 Realização de diagnósticos: 

Ao final de cada ciclo de varredura a CPU verifica as condições do CLP, ou seja, se ocorreu alguma falha em um dos seus componentes internos (fonte, circuitos de entrada e saída, memória, etc).

* Álgebra Booleana

• Na álgebra comum os valores têm um significado numérico, enquanto que na Álgebra de Booleana têm um valor lógico.

• Uma variável booleana pode assumir apenas 2 valores, cada qual em instantes diferentes.

Sensores e atuadores binários utilizados no controle de processo discreto

Porta lógica AND

* Programação CLP

-A forma de programação pode ser remota (off-line) ou programação local (on-line);

-Através de teclados especiais, interfaces gráficas ou através de microcomputador padrão IBM PC;

-A programação é executada e posteriormente transferida para o CLP, via porta de comunicação RS232C ou RS485, USB e Ethernet.

* Linguagem Ladder

-Apesar das tentativas de padronização da norma IEC 61131-3, ainda não existe uma padronização rigorosa para programação em linguagem de diagramas de relés (Ladder Diagram), ou seja, a linguagem Ladder de um fabricante de CLP não funciona no CLP de outro fabricante;

-O que existe é uma semelhança na representação gráfica dos diversos fabricantes, que representa esquematicamente o diagrama elétrico e é de fácil entendimento, tendo boa aceitação no mercado.

ELEMENTOS BÁSICOS DA LINGUAGEM LADDER

(DIAGRAMAS DE RELÉS)

-Relés são pequenos dispositivos eletromecânicos que, quando energizados, fecham (no caso dos relés “normalmente abertos”);

-Ou abrem (no caso dos “normalmente fechados”) um contato elétrico.

-A passagem ou não de corrente elétrica pelo contato pode ser associada aos estados lógicos “verdadeiro” e “falso” respectivamente.

-A representação destes elementos é feita da seguinte forma:

1) Entradas: São na maioria das vezes representadas por contatos normalmente abertos (NA), representados pelo símbolo –||–, e pelos contatos normalmente fechados (NF), cujo símbolo é –|/|–.

 

 -Estes elementos refletem, logicamente, o comportamento real do contato elétrico de um relé, no programa aplicativo.

-A representação destes elementos é feita da seguinte forma:

2) Saídas: São usualmente representadas pela bobina simples, cujo símbolo é –( )–.

 

-As bobinas modificam o estado lógico do operando na memória imagem do Controlador Programável, conforme o estado da linha de acionamento das mesmas.

-Por lidarem com objetos booleanos, todo diagrama Ladder pode ser traduzido para uma diagrama lógico.

 

-Contudo, a notação gráfica e mais compacta dos diagramas lógicos faz com que os mesmos sejam essenciais na documentação de projetos de automação e controle.

Exemplo prático 1

Como um primeiro exemplo de um programa em ladder, imaginemos um motor que é controlado por dois botões independentes, um de LIGA e outro de DESLIGA.

Considerando que ambos botões sejam do tipo pushbutton, a figura seguinte apresenta uma lógica simples para o acionamento do motor com base nos estados dos botões: