CONTROLADORES 1

CONTROLADORES INDUSTRIAIS

Pedro Urbano B. de Albuquerque

Fortaleza – 2007

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Índice

1. INTRODUÇÂO ........................................................................................................................................... 5

1.1 - HISTÓRICO / EVOLUÇÃO ................................................................................................................. 5

1.2 - DEFINIÇÕES........................................................................................................................................ 9

1.3 - SISTEMAS DE CONTROLE...............................................................................................................10

1.4 – CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS DE CONTROLE DE ACORDO COM A APLICAÇÃO.........14

1.4.1 - Servomecanismo: ..........................................................................................................................14

1.4.2 - Regulatório: ..................................................................................................................................14

1.4.3 - Sistema de controle numérico: ......................................................................................................14

1.4.4 - Sistema de controle seqüencial: ....................................................................................................14

1.4.5 - Controle de Processos: .................................................................................................................15

2. CONTROLADORES:...............................................................................................................................16

2.2 - TIPOS DE CONTROLADORES: .................................................................................................................16

2.2.1 - Relés Eletromecânicos: .................................................................................................................16

2.2.2 - Circuitos Eletrônicos com lógica fixa:..........................................................................................18

2.2.3 - Computadores de Processo:..........................................................................................................18

2.2.4 - Unidades Terminais Remotas: ......................................................................................................19

3. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL....................................................................................21

3.1 HISTÓRICO...........................................................................................................................................21

3.2 EVOLUÇÃO .........................................................................................................................................22

3.3 CARACTERÍSTICAS GERAIS: ...................................................................................................................23

3.3.1 Tipos de CLP’s: ...............................................................................................................................24

3.4. PARTES FUNCIONAIS DO CLP: ...............................................................................................................26

3.4.1 - Fonte de Alimentação: ..................................................................................................................26

3.4.2 - Entradas e Saídas: ........................................................................................................................27

3.4.3 - Memória:.......................................................................................................................................34

3.4.4 - Processador: .................................................................................................................................35

3.5 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE UM CLP ...........................................................................................36

3.5.1. ESTADOS DE OPERAÇÃO ...........................................................................................................36

3.5.2 FUNCIONAMENTO.......................................................................................................................37

3.5.3 diagrama simplificado do Ciclo De Execução: ..............................................................................40

4. PROGRAMAÇÃO DE CONTROLADORES PROGRAMÁVEIS .......................................................42

4.1 – PROGRAMA APLICATIVO: ......................................................................................................................44

4.2 PROGRAMAÇÃO EM LADDER................................................................................................................44

4.2.1 - Operandos básicos:.......................................................................................................................44

4.2.2 - Instruções Básicas: .......................................................................................................................45

4.2.3 Conjunto de Instruções....................................................................................................................45

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4.2.3 Diagrama Elétrico LADDER...........................................................................................................46

4.2.3 - Lógicas Básicas.............................................................................................................................49

BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................................................... 52

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Capítulo 01

1. INTRODUÇÂO

Este trabalho tem como objetivo mostrar uma visão geral sobre sistemas de controle e tipos de controladores, seguindo com os Controladores Lógico Programáveis (CLP´s) e finalmente as redes industriais de controladores.

A constante evolução da eletrônica, aliada à redução dos custos,

permitiram que os componentes e circuitos eletrônicos, em alguns casos, pudessem substituir os controladores mecânicos e os hidráulico-pneumáticos, existentes até então. Somente com o advento da microeletrônica associado aos microprocessadores é que a automação pode se tornar flexível sem comprometer a produtividade nem a confiabilidade dos sistemas.

No capítulo 02 abordaremos os diversos tipos de controladores, e nos

demais capítulos falaremos sobre Controladores Lógicos Programáveis, sua estrutura física e programação.

Neste trabalho serão mostradas também com objetividade as

características, arquiteturas, e a estrutura dos sistemas digitais de controle distribuído – SDCD’s atuais, bem como os diversos elementos associados.

Para completar os conhecimentos que se referem ao tema objeto deste

trabalho, será apresentado um capítulo abordando de forma básica e objetiva o processamento de sinais, visando entender os modos e padrões para transmissão de sinais, principalmente as interfaces de comunicação seriais, que representam na verdade o padrão com as características procedurais do nível físico dos padrões de comunicação.

No capitulo 07 serão mostrados os principais protocolos abertos de

comunicação utilizados em redes de automação prediais e industriais. Quanto maior for o emprego do protocolo abordado nas soluções de automação, maior será o nível de detalhamento apresentado.

1.1 - HISTÓRICO / EVOLUÇÃO

Os sistemas de controle datam do século passado com os controles de

velocidade de máquinas a vapor de James Watt. No início do século os controles eram totalmente manuais do tipo liga-desliga (on-off) utilizando indicadores locais de temperatura e pressão e atuadores pneumáticos de válvulas. Entre 1915 e 1930, surgiram os primeiros controles proporcionais e registradores gráficos montados em campo. Após 1930, surgiram os controles de ganho ajustável mais derivativos e a filosofia de ter uma sala de controle central e com isto, a necessidade de transmissão das informações para o centro de controle, onde a

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solução utilizada foi a utilização de transmissores pneumáticos, quando surgiu o primeiro padrão de transmissão de sinais utilizando pressão proporcional aos sinais de entrada: 0,21 a 1,05kgf/cm2 – 3 a 15 PSI (libra por polegada ao quadrado).

Depois da II. Guerra Mundial surgiram as medidas analíticas em linha e

analisadores de gás, tudo isso graças ao início do processo de miniaturização dos instrumentos, principalmente no final dos anos 40 com o impulso produzido pelo advento dos transistores, utilização de controladores eletrônicos analógicos e transmissão de sinais em correntes, surgindo o padrão de sinal em corrente (4 a 20mA).

No final dos anos 50, com o surgimento do circuito integrado, foram

utilizados os primeiros sistemas de controle por computador. Surgiram nesta época os padrões de transmissão de sinais analógicos em tensão (0 a 10V) e transmissão digital.

No início dos anos 60 houve uma grande evolução dos sensores e do

chamado controle digital direto (DDC-Direct Digital Control). No final desta mesma década, surgiram nas industrias automotivas os primeiros controladores programáveis, para substituírem os quadros de comandos elétricos.

Com introdução dos microprocessadores (1971), os Controladores Lógicos

Programáveis (CLP´s), passaram a ser utilizados em diversos tipos de aplicações para automação de processo industriais e não industriais. Em 1976 os CLP’s foram utilizados como parte de um controle integrado de manufatura (CIM).

Uma década após a MODICON (empresa americana pioneira na fabricação

de CLP’s) ter introduzido os CLP’s em sua fabricação, iniciou-se a utilização de redes industriais de comunicação que permitiram a interface entre diversos dispositivos, somado ao rápido desenvolvimento dos microprocessadores e microcomputadores elevando a eficiência, confiabilidade e uma redução substancial dos preços. Desta forma, foi possível uma interconexão lógica para formar um único sistema, logo surgiram os sistemas de controle distribuído. Ainda nos anos 80, houve uma grande migração para os controles distribuídos. Nos anos 90, com o desenvolvimento dos CLP’s e dos componentes de rede, passou-se a utilizar os SISTEMAS DIGITAIS DE CONTROLE DISTRIBUÍDO (SDCD´s) como a melhor solução para sistemas integrados.

No mundo atual, a globalização da economia mundial conduziu-nos a uma nova forma de organização social, onde os impactos podem ser comparados aos da Revolução Industrial.

Neste contexto, novas tecnologias são exigidas no ambiente industrial e

agora com a crescente demanda no setor de Automação Predial, onde mudanças conceituais e de projeto são cada vez mais freqüentes.

A grande maioria dos exemplos de aplicação destas tecnologias está

destacada na integração de vários sistemas, projetados de modo a executar a função que se destina, permitindo a intercambiabilidade, interoperabilidade e a

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expansividade destes sistemas, influindo nos custos e nos modos de gestão e manutenção.

Os sistemas que se caracterizam pelo gerenciamento de processos de

forma integrada, em geral, são designados pelo nome de Controle Integrado de Manufatura ou simplesmente – CIM, ver figura 1.1.

Figura 1.1 - CIM – Comparações entre número de dispositivos e volume de informações.

Os sistemas integrados de manufatura (CIM) possibilitaram a interligação

dos níveis de gerenciamento, controle e supervisão dos sistemas de automação de forma hierárquica com a utilização de complexos algoritmos, distribuição do controle e centralização de macro-decisões, possibilitando o gerenciamento do processo tanto técnico como administrativamente.

Atualmente a base do CIM está no Sistema Digital de Controle Distribuído,

o SDCD, que representa praticamente os níveis de controle e execução (processo) - figura 1.2.

Não se pode pensar em CIM, SDCD, sem destacar a importância dos

programas de supervisão e aquisição de dados e controle (SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition), das redes industriais de comunicação padronizadas (FIELDBUSES), e dos protocolos abertos mais utilizados, portanto serão dedicados capítulos específicos para esses temas.

Os SDCD’ s inicialmente eram implementados com computadores digitais

específicos para este tipo de aplicação, no que se refere ao sistema operacional, programas aplicativos de controle e supervisão, hardware e configurações de seus dispositivos de entrada e saída. Estes equipamentos supriam as deficiências dos controladores lógicos programáveis (CLP´s), quanto a capacidade de processamento, memória de programação, quantidades de entradas e saídas (principalmente analógicas) e interface com o usuário/operador.

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Com o crescente desenvolvimento dos CLP’s e das interfaces homem-

máquina (IHM’s), os SDCD’s passaram a apresentar uma nova arquitetura, tornando-se bem mais flexíveis e com um custo bem menor. Desta forma, a maioria das implementações atuais passaram a ser redes de CLP’s gerenciadas por sistemas SCADA’s. Deve-se levar em consideração que as deficiências apresentadas inicialmente pelos CLP’s, foram totalmente eliminadas, com características de eficiência, confiabilidade e flexibilidade superior às soluções precedentes.

Figura 1.2 – Controle integrado de manufatura – Níveis Hierárquicos.

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1.2 - DEFINIÇÕES

A seguir, serão apresentados breves conceitos de controle, para que se possa padronizar as definições a serem utilizados nos demais capítulos com maior clareza.

Sistema - Conjunto de componentes/elementos relacionados entre si para

executar uma determinada tarefa (Ex. Sistema Elétrico, Sistema Hidráulico e Sistema de Controle).

Controle - Conjunto de procedimentos ou atuações que produzem em um

processo a ação e o desempenho desejado.

Variável Controlada - Variável que se deve manter em um valor desejado, variável de saída do processo.

Variável Manipulada - Variável que recebe a ação controladora, ou seja, é

variável de saída do atuador.

Atuador (ativador) - Elemento que modifica a variável controlada. Variável Secundária - A que interfere na variável controlada.

Referência/Set-Point - Valor preestabelecido para a variável controlada.

Processo - Atividade definida em um sistema, que a partir de informações de

entrada, obtêm-se informações transformadas na saída, isto é, entidade dinâmica capaz de efetuar transformações de energia a partir da entrada, obtendo uma forma de energia transformada na saída.

Na indústria, são conjuntos de atividades que transformam matéria prima

em produtos acabados. Os processos, quanto à forma de transformação podem ser classificados como :

• Contínuos: São aqueles que não sofrem interrupção ao longo de suas transformações (processos químicos, alimentícia, geração de energia).

• Sistemas de controle discretos e semicontínuos: São aqueles que são efetuados em etapas, características da manufatura (laminação, cimento, mineração, etc.).

• Processos em bateladas: São aqueles que as mesmas atividades são executadas diversas vezes e em etapas (calçados, automóvel, etc.)

Quanto ao tipo de produto final os processos se dividem em :

♦ Industriais: São aqueles que se constituem em um conjunto de operações

com objetivo de gerar um ou mais elemento produtivo (gasolina, refrigerantes, asfalto, papel, automóvel, farinha de trigo, sucos, etc.).

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♦ Não industriais: São aqueles com alto grau de associação a serviços

(Tráfego rodoviário, telecomunicações, rede de água e esgoto, distribuições de energia, etc.).

1.3 - SISTEMAS DE CONTROLE Um sistema de controle é um conjunto de componentes agrupados com a

finalidade de controlar uma energia de entrada para alcançar uma saída desejada. Por exemplo,; num sistema de controle de temperatura, a energia térmica é regulada para manter a temperatura em um determinado valor dentro de uma faixa preestabelecida. O sistema de controle consiste em supervisionar, monitorar e comandar as entradas e saídas dos processos, para que as transformações sejam efetuadas dentro dos limites preestabelecidos.

O controle pode ser manual ou automático. O primeiro é efetuado através

dos sentidos e ação humana, enquanto o segundo, não depende da interferência direta humana (sistema automático).

Os sistemas de controle são divididos quanto a Estrutura e Função de

Transferência em:

- Malha aberta: A ação de controle não depende das informações de saída. Este tipo de controle é chamado controle com ajuste manual.

- Malha fechada: A ação de controle depende de informações da reação da

saída (realimentação).

No controle em Malha Aberta a entrada define o comportamento do controlador, cérebro do sistema, e este responde agindo no ambiente, sem verificar depois se o nível da grandeza física corresponde de fato à entrada, ou seja, não há sensor para observar algum eventual desvio, nem realimentação, para corrigi-lo.

Ex.: Uma fonte de alimentação regulada com transistor é, na realidade, um sistema de controle de malha aberta; se a corrente da carga variar, a tensão na saída pode variar até algumas dezenas de mV, devido à variação na tensão Vbe.

Figura 1.3 - Regulador a zener –

malha aberta

A entrada, neste sistema, é a tensão de referência fornecida pelo diodo zener, na base do transistor.

A saída, nesse mesmo sistema, no emissor é de aproximadamente 0.7 V

menor. O transistor, que é o controlador, amplifica a corrente, fornecendo à carga mais corrente que poderia ser obtida sobre o zener, na base.

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Os sistemas de Malha Fechada verificam a ocorrência de desvios, pois

contém um sensor, que monitora a saída (amostragem da variável a ser controlada), fornecendo um sinal que retorna à entrada, formando uma malha de realimentação (feedback). A entrada (referência) é combinada com a realimentação em um comparador que fornece um sinal de erro, diferença entre os sinais, que orienta o controlador.

Poderemos dar dois exemplos de um sistema em malha fechada: 1- O operador de um reservatório verifica se o nível máximo foi atingido

(set-point) através de uma régua de nível, que é o sensor. O sinal de erro é a diferença entre o nível máximo, que é a entrada desejada, e a saída, que é o nível atual. A comparação entre ambos é feita na mente do operador, que age abrindo ou fechando o registro conforme o erro seja para mais (excesso do fluído) ou menos. Ele é ao mesmo tempo o comparador, o controlador e o atuador neste sistema elementar.

2- O outro exemplo, é verificado diariamente quando tomamos banho de

chuveiro e temos a nossa disposição água fria e água quente para regularmos a temperatura ideal da água. Nosso corpo, nesse caso, comporta-se como um medidor de temperatura enquanto o nosso cérebro compara a temperatura que desejamos com a medida. Por intermédio de nossas mãos, o cérebro envia comando para a abertura maior ou menor das torneiras.

Como vemos, os sistemas de controle em malha fechada são mais

precisos, pois detectam e corrigem os desvios. A maioria dos sistemas atuais é deste tipo.

Os sistemas em malha aberta são usados onde a freqüência ou a

conseqüência dos desvios não justificam a complexidade e o custo maior dos sistemas em malha fechada.

Em um sistema em malha aberta, a entrada é o nível desejado da

grandeza a ser controlada. O controlador avalia este sinal e envia um outro (que pode ser elétrico ou mecânico, conforme o sistema) ao atuador, que é o elemento que age no ambiente de modo a alterar a grandeza.

Um sistema elementar de controle de tensão de saída de um gerador C.C.,

pouco em uso, compõe-se de um reostato (resistor ajustável de potência) em série com o enrolamento de campo (excitatriz) do gerador. Um operador (controlador) ajusta o reostato, que é o atuador, comparando com uma escala aferida (dial) variando a tensão de saída (V0). O sistema não é auto regulado, e a tensão de saída poderá mudar conforme a carga (corrente solicitada) na saída ou variação de velocidade da máquina primária.

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Figura 1.4 –

Controle da tensão de saída de um Dínamo – Malha aberta Para efeito de estudo de um controle de processo os diagramas de blocos

para sistemas em malha fechada são representados como mostrado na figura a seguir:

Figura 1.5 – Digrama de blocos simplificado para estudo de sistemas automáticos. R–Referência; ε - Erro; m – V. manipulada; C – V. controlada; F – Feedback)

Além dos blocos que compunham o sistema de controle em malha aberta,

temos um sensor, que reage à grandeza física enviando um sinal ao bloco somador, que subtrai este sinal ao de entrada (observe os sinais + e - nas entradas), fornecendo um sinal de erro ao controlador. Este sinal é a própria entrada do controlador, que o avalia e tenta corrigir o desvio captado pelo sensor, através de um novo comando ao atuador.

A maioria dos sistemas de controle são em malha fechada, devido às

vantagens da realimentação negativa. Considerando os

objetivos específicos deste trabalho, será considerado para estudo o controle automático. Um controle automático possui uma arquitetura básica genérica mostrada a seguir.

Figura 1.6 - Arquitetura básica de um sistema de controle.

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Os sistemas de controle podem ser de um único laço de realimentação

(SINGLE LOOP CONTROLLERS) ou de multi-laços (MULTIPLE INPUT MULTIPLE OUTPUT).

Os sistemas de controle também se dividem em analógicos e digitais,

conforme os sinais manipulados pelo controlador. Veja que as grandezas físicas são sempre analógicas, variando desde um valor mínimo a um máximo continuamente.

Nos sistemas analógicos, todos os sinais são analógicos, e o controle é

feito em tempo integral. O sistema de controle é mais simples e em geral, mais econômico. Suas desvantagens são a pouca flexibilidade, pois só se pode alterar alguns parâmetros, não o tipo de ação de controle, a menos que se altere o controlador (mudando o circuito, se o sistema de controle for eletrônico).

Os digitais são mais complexos, pois requer sempre uma interface de

entrada, conversor analógico-digital, e uma de saída, conversor digital-analógico, adaptando a saída do controlador (em alguns casos não é necessária, já que muitos atuadores, são digitais - ligam ou desligam). Eles se diferenciam também por atuarem por amostragem, ou seja, de tempos em tempos o controlador atua, de acordo com o programa de controle, formando ciclos, entre os quais o sistema não reage. Seu custo mais elevado (hoje cada vez menor, devido a evolução tecnológica) é contrabalançado pela grande flexibilidade, pois basta alterar o programa para mudar o tipo de ação de controle e seus parâmetros.

Para controladores digitais, no bloco de controle, estão incluídos os

conversores analógicos/digitais (A/D) e digitais/analógicos (D/A), bem como o software de controle (programa aplicativo).

Os sistemas de controle podem ser analógicos ou digitais, contudo nosso

interesse no momento são os controladores digitais, os quais possuem a mesma arquitetura de computadores VON NEUMANN, formada por 03 grandes blocos (unidade central de processamento – CPU, memória e dispositivos de entrada e saída), desta forma o diagrama de blocos passa a ser o seguinte.

Figura 1.7 – Diagramas de Bloco dos Sistemas de Controle digital

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1.4 – CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS DE CONTROLE DE ACORDO COM A APLICAÇÃO

Os sistemas de controle são classificados de acordo com a aplicação a qual foi projetado. Basicamente podemos dividir nos seguintes grandes grupos:

• Servomecanismo • Regulatório • Sistema de controle numérico • Sistema de controle seqüencial • Controle de Processos

1.4.1 - Servomecanismo:

Nesse sistema de controle, a saída ou variável controlada é uma posição

mecânica ou taxa de mudança de um movimento. O controle de posição por um motor CC e a posição de um motor de passos (step motor), são os exemplos mais comuns de servomecanismo. Nos servomecanismos a referência é variável, e a variável manipulada pode assumir diversos valores.

1.4.2 - Regulatório:

Sistema de controle cuja referência é constante e a variável manipulada

assume diversos valores para manter a variável controlada em um valor constante. Como exemplos deste sistema de controle podemos citar : Controle de velocidade de um motor; Controle de temperatura de uma estufa, Tensão de saída de uma fonte, etc.

1.4.3 - Sistema de controle numérico:

Hoje em dia, com o advento dos microprocessadores, muitas operações de

manufatura de peças são feitas através de controles numéricos (CNC – controle numérico por computador). As informações numéricas incluem informações de variáveis a serem controladas, tais como: velocidade, posição, e direção que são codificadas em forma de instruções. Estão incluídos neste tipo de manufatura as seguintes atividades: furação, fresagem, torneamento, retífica e usinagem em geral. A maior vantagem dos controles numéricos esta na facilidade e flexibilidade na troca de medidas a serem adotadas.

1.4.4 - Sistema de controle seqüencial:

É um sistema cujas operações são predeterminadas e em seqüências. As

lavadoras automáticas e as máquinas de lavar em geral são exemplos de controles seqüenciais. Máquinas de beneficiamento de mármores e granitos como talhas blocos e polidoras, também seguem controles em seqüência.

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1.4.5 - Controle de Processos:

Neste tipo de sistema de controle, são controlados as variáveis do processo de manufatura separadamente, visando um resultado comum. Alguns dos mais comuns sistemas de controles de variáveis são: temperatura, pressão, nível , condutividade, ph, etc. Fábricas de automóveis, têxteis, geração de energia e refinarias são exemplos típicos de controle de processos de manufatura.

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Capítulo 02

2. Controladores:

Um controle qualquer é um elemento que recebe informações i(t) relativas

às variáveis de estado do processo e, conforme um programa pré-definido, modifica o valor dessas variáveis pela emissão de comandos c(t), interferindo dessa forma, no processo, através de informações obtidas a partir do mesmo.

Os controles classificam-se em:

• Limitadores: aplicam-se à manutenção dos valores de variáveis do processo dentro de limites preestabelecidos;

• Atuadores: aplicam-se à modificações de valores das variáveis do processo

de acordo com um programa pré-definido.

2.2 - Tipos de Controladores:

De maneira geral, alem dos controladores analógicos tipo PID, pode-se

afirmar que os dispositivos eletro-eletrônicos de controle e de intertravamento disponíveis atualmente no mercado, e que podem ser utilizados para implementação de sistemas de controle de processo, são os seguintes:

• Relês eletromecânicos; • Circuitos eletrônicos com lógica fixa; • Computadores de Processo – PC’s Industriais; • Microcontroladores; • Controladores Lógico Programáveis/Unidades Terminais Remotas.

2.2.1 - Relés Eletromecânicos:

Vantagens: • Projeto de sistemas a relês, é largamente conhecido, assim como sua

operação e manutenção; • São capazes de trabalhar com valores de correntes elétricas bastante

elevadas; • Apresentam custo inicial comparativamente inferior em relação às demais

alternativas; • Dispões de boa imunidade térmica e eletromagnética.

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Desvantagens: • Baixa confiabilidade operacional; • Pequeno tempo de vida útil, limitando-se ao máximo, a 1 milhão de operações,

em média; • As operações das seqüências a serem obedecidas e os intertravamentos

intrínsecos é toda baseada na fiação que interliga os relês, de modo que uma reprogramação é bastante difícil, assim como um erro de ligação pode comprometer o funcionamento de grande parte do programa, prejudicando assim o funcionamento da instalação;

• Em virtude dos relês apresentarem dimensões físicas avantajadas, os

controladores a relês, conhecidos como painéis de relês, ocupam espaço considerável nos painéis de controle, tendo muitas vezes que serem subdivididos em vários painéis, aumentando a fiação e dificultando a manutenção;

• Seu consumo e perdas internas de energia são elevados, apresentando dissipação térmica considerável;

• A velocidade de comutação de estado, tanto de entrada como de saída, fica

limitada a um valor máximo de 33 comutações por segundo, que é considerada baixa para grande parte dos processos;

• A atualização dos documentos de projeto e de manutenção é difícil; • A manutenção de sistemas de médio e grande porte é complexa, em função

da dificuldade de identificação do defeito na caixa de relês, do relê com mau contato ou do fio que se soltou;

• A reutilização dos painéis de relês se limita aos relês que apresentam bom

funcionamento e a pedaços de fios, sendo impossível, na maioria dos casos, a utilização da estrutura de fiação interna;

• A emissão do relatório é impossível, tampouco os relatórios de ocorrência e

normalização de alarmes que são utilizados para determinação da primeira falha durante um shutdown;

• A descentralização de painéis de relês, distribuindo-os de maneira

conveniente pela fábrica, ou a subdivisão da lógica de controle e de intertravamento de um mesmo equipamento em painéis diferentes, apresentam como inconvenientes, o esquema complexo de distribuição e interligações dos painéis, assim como as dificuldades na homogeneização dos critérios de projeto e seleção de componentes.

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2.2.2 - Circuitos Eletrônicos com lógica fixa:

Os circuitos eletrônicos, tanto os de lógica fixa quanto os de lógicas

programáveis, apesar de se apresentarem como alternativa tecnológica, encontram restrições quanto à sua aplicação, uma vez que exigem do pessoal de manutenção um conhecimento de eletrônica mais detalhado do que aquele que os cursos técnicos costumam oferecer. Além disso, e principalmente, tais circuitos apresentam muita pouca flexibilidade, tendo praticamente que ser projetados individualmente para cada aplicação específica. Assim, o tempo de parada, tanto para manutenção quanto para reprogramação, inviabiliza, na maioria das indústrias, a sua aplicação como elementos controladores de processos.

2.2.3 - Computadores de Processo:

De maneira geral, o computador é projetado para processar um grande

volume de informações rapidamente, ao passo que o controlador programável é projetado para controlar uma instalação com uma rápida velocidade de resposta, sem contudo prejudicar a segurança do sistema.

Os computadores são capazes de executar muitas tarefas

simultaneamente e em qualquer ordem, ao passo que os controladores programáveis executam um único programa em ordem seqüencial. Entretanto, os modelos mais recentes de controladores programáveis, dispõem de instruções de programação que permitem a execução de sub-rotinas, interrupções de sub-rotinas, jumps e by-passes.

O computador de processo, tem que satisfazer condições temporais

rígidas, na interação com o seu ambiente. Os dados do processo são ciclicamente armazenados pelo computador, com intervalos de amostragem baixos (milisegundos). Entradas calculadas pelo computador são transmitidas em instantes precisos ao processo e existirão eventos que ocorrem de forma aleatória. O funcionamento em tempo real, influência diretamente a estrutura do hardware/software devido, por exemplo à necessidade de atendimento simultâneo de inúmeras (100-1000) entradas/saídas independentes do processo (concorrência da programação), das características muito específicas de cada processo (sistemas personalizados), da dependência temporal da execução das tarefas e de exigências absolutas em confiabilidade e segurança (o processo não pode parar quando o computador vier a falhar).

Do ponto de vista do SOFTWARE, o sistema operacional é voltado a

“multitasking” com rígido controle temporal (relógio tempo real hardware) e são essenciais conceitos de comunicação entre tarefas (semáforos, monitores, etc.) para a implementação rápida e segura da transmissão de dados e mensagens. Hoje em dia, existem inúmeras linguagens de programação tempo real que procuram dar ao usuário alto conforto na programação, contudo, ainda é freqüente a implementação de módulos, críticos no tempo, em linguagem ASSEMBLY.

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2.2.4 - Unidades Terminais Remotas:

A Unidade Terminal Remota (UTR), é o equipamento que possui o mais

baixo nível hierárquico em um sistema de supervisão e controle, fazendo a interface entre os sinais ou variáveis de processo e o canal de comunicação que a liga ao Centro de Operação do Sistema (COS) de sistemas de controle e supervisão de sistemas elétricos (por exemplo). Portanto, a UTR é um equipamento que faz a supervisão e o controle de outros equipamentos e se comunica com o COS para onde envia os dados lidos e de onde recebe as ordens de comando.

As UTR’s são utilizadas principalmente em controle de processo não

industriais, tais como:

Sistema de Energia Elétrica: � Geração � Transmissão � Distribuição � Controle de Demanda � Tarifação Sistema de Telecomunicação: � Comutação � Transmissão � Roteamento Sistema de Abastecimento de Água: � Captação � Reserva � Tratamento � Distribuição � Elevatórias Sistema de Transporte Coletivo: � Ferrovias � Metrô Automação Predial: � Condicionamento de ar � Demanda de Energia Elétrica � Segurança Requisitos básicos de uma UTR: − Manutenção facilitada; − Proteção contra transitórios; − Capacidade de recuperação − Circuito Watch-Dog − Religador

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Outros recursos importantes: − Interface homem-máquina amigável − Diversidade de equipamentos de campo − Interligação em rede Atividades típicas: − Comando remoto nos tapes de transformadores equipados com comutador, − Supervisão da atuação dos relês de proteção convencional e digital, − Alteração das curvas de atuação dos relês digitais, − Reconhecimento, silenciamento e inibição de mensagens de alarme, − Acesso a todas as telas de digramas unifilares, tabulares e de tendência, − Impressão das telas e relatórios operacionais.

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Capítulo 03

3. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL

Este capítulo abordará informações mais específicas sobre os CLP’s tais

como: Características; Princípio de funcionamento; Tipos de linguagens de programação, especificações e aplicações.

3.1 HISTÓRICO

O controlador programável nasceu praticamente dentro da indústria automobilística americana, especificamente na Hydromic Division da General Motors, em 1968, devido a grande dificuldade de se mudar a lógica de controle de painéis de comando a cada mudança na linha de montagem. Estas mudanças implicavam em altos gastos de tempo e dinheiro. Sob a liderança do engenheiro Richard Morley, foi preparada uma especificação que refletia os sentimentos de muitos usuários de relés, não só da indústria automobilística como de toda a indústria manufatureira. Nascia assim a indústria de controladores programáveis, hoje com um mercado mundial estimado em 4 bilhões de dólares anuais, e que no Brasil é estimado em 50 milhões de dólares anuais.

Os controladores lógicos programáveis (CLP), nasceram da necessidade de flexibilizar a produção da indústria automobilística, substituindo as lógicas rígidas de comandos elétricos de relês por lógica de programação em linguagem LADDER. Posteriormente, foi amplamente utilizado nos mais diversos processos industriais e não industriais conforme tabela abaixo explicativas:

Processos Contínuos Processos Discretos Atividade não Industrial

� Petroquímica � Alimentícia � Cimento � Laminação � Siderurgia � Celulose

� Automotiva � Aviões � Motores � Têxtil � Calçados � Eletrodomésticos

� Tráfego rodoviário � Rede de Gás � Sistema de água � Sistema de esgoto � Sistema telefônico � Dist. energia elétrica

Os CLP’s, são conhecidos na indústria há dezenas de anos. Inicialmente executaram funções de chaveamento (conhecidos na teoria de controle como controladores de malha aberta). Basicamente dois sinais binários de entrada (0 ou 1) são ligados logicamente, por uma operação lógica, gerando um sinal de saída (0 ou 1). Os valores “0” ou “1” representam estados lógicos do processo como “switch on” / “switch off” , “tensão on” / “tensão off” , “motor on” / ”motor off”, etc., e por isso chamados de sinais “on-off”. As funções lógicas consideradas são descritas pela lógica Booleana, e foram implementadas inicialmente por

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elementos eletromecânicos (relês), e depois substituídos por circuitos transistorizados mais confiáveis. A lógica “hardwired” foi finalmente substituída pelos microprocessadores após 1973, surgindo as unidades lógicas com programas armazenados e de grau elevado de flexibilidade programável.

Além das funções de intertravamento (Lógica Combinacional) surgiram

funções de sequenciamento (Lógica Seqüencial), em que condições temporais do processo (por exemplo, introdução de tempo de espera ou de supervisão) determinam a execução das operações lógicas citadas. Os CLP’s possuem estruturas em processamento que garantem tempos de resposta baixos (milisegundos) para processamento cíclico de programa para um grande número de entradas/saídas digitais (“on/off”). Os processadores usados são chamados “bit-processor’s” e são constituídos de circuitos customizados ou realizados por estruturas microprogramadas por microcontroladores. Hoje, observa-se de forma crescente a inclusão de algoritmos de controle PID no CLP’s com funções de processamento aritmético.

3.2 EVOLUÇÃO

Desde o seu aparecimento até hoje, muita coisa evoluiu nos

controladores lógicos. Esta evolução está ligada diretamente ao desenvolvimento tecnológico da informática em suas características de software e de hardware.

O que no seu surgimento era executado com componentes

discretos, hoje se utiliza de microprocessadores e microcontroladores de última geração, usando técnicas de processamento paralelo, inteligência artificial, redes de comunicação (fieldbus) etc.

Até recentemente não havia nenhuma padronização entre fabricantes, apesar da maioria utilizar as mesmas normas construtivas. Porém, pelo menos ao nível de software aplicativo, os controladores programáveis podem se tornar compatíveis com a adoção da norma IEC (6)1131-3, que prevê a padronização da linguagem de programação e sua portabilidade. Outra novidade que está sendo incorporada pelos controladores programáveis é o fieldbus (barramento de campo), que surge como uma proposta de padronização de sinais em nível de chão-de-fábrica. Este barramento se propõe a diminuir sensivelmente o número de condutores usados para interligar os sistemas de controle aos sensores e atuadores, além de propiciar a distribuição da inteligência por todo o processo. Hoje os CLP’s oferecem um considerável número de benefícios para aplicações industriais, que podem ressaltar em economia que excede o custo do CLP e devem ser considerados quando da seleção de um dispositivo de controle industrial. As vantagens de sua utilização, comparados a outros dispositivos de controle industrial incluem:

• Menor ocupação de espaço; • Potência elétrica requerida menor;

CONTROLADORES 23

• Reutilização; • Programável, se ocorrerem mudanças de requisitos de controle; • Confiabilidade maior; • Manutenção mais fácil; • Maior flexibilidade, satisfazendo um maior número de aplicações; • Permite a interface através de rede de comunicação com outros CLP’s e

microcomputadores; • Projeto do sistema mais rápido.

Todas estas considerações mostram a evolução da tecnologia, tanto de hardware quanto de software, o que permite o seu acesso a um maior número de pessoas, tanto nos projetos de aplicação de controladores programáveis, quanto na sua programação.

3.3 Características Gerais:

Basicamente, um controlador programável apresenta as seguintes

características:

• Hardware e/ou dispositivo de controle de fácil e rápida programação ou reprogramação, com a mínima interrupção da produção.

• Capacidade de operação em ambiente industrial. • Sinalizadores de estado e módulos tipo plug-in de fácil manutenção e

substituição. • Hardware ocupando espaço reduzido e apresentando baixo consumo de

energia. • Possibilidade de monitoração do estado e operação do processo ou

sistema, através da comunicação com computadores. • Compatibilidade com diferentes tipos de sinais de entrada e saída. • Capacidade de alimentar, de forma contínua ou chaveada, cargas que

consomem correntes de até 2 A. • Hardware de controle que permite a expansão dos diversos tipos de

módulos, de acordo com a necessidade. • Custo de compra e instalação competitivo em relação aos sistemas de

controle convencionais. • Possibilidade de expansão da capacidade de memória. • Conexão com outros CLP´s através de rede de comunicação. • Microprocessador (microcontrolador); • Modulação de fácil expansão; • Pontos de saída analógico e digital; • Alto ciclo de varredura; • Fácil manutenção; • Programação local, terminais e CP; • Fácil programação por EPROM; • Totalmente constituído de componentes eletrônicos de estado sólido; • Especificação para utilização em ambientes industrial, dispensando

refrigeração, ventilação, blindagem eletromagnética e proteção anti-fuligem;

CONTROLADORES 24

• Qualquer alteração na operação do sistema, ou reprogramação de seqüência, temporização e comandos são feitas totalmente pelo terminal de programação, dispensando qualquer alteração na fiação;

• A programação do controlador pode ser feita por qualquer pessoa que já trabalhe com relês, de modo que o único preparo necessário é relativo ao conhecimento do terminal de programação, o que pode ser adquirido num aprendizado de cerca de 40 horas (desde que a pessoa já tenha experiência de trabalho com relês).

Desvantagens:

O fator que, em princípio, se apresenta como desvantagem para a utilização de controladores programáveis na indústria é o investimento inicial, que comparativamente aos painéis de relês convencionais resulta, atualmente, entre 1 e 10 vezes maior. Contudo, sabe-se que, se forem levados em conta os fatores de facilidade e rapidez de manutenção, tempo de parada por defeito, confiabilidade, versatilidade e segurança a partir dos primeiros anos de utilização, o controlador programável passa a ser mais barato que o painel convencional respectivo.

3.3.1 Tipos de CLP’s:

Não existe um padrão para os CLP’s disponíveis no mercado mundial. Eles são construídos de vários formatos e com características de entrada e saída, capacidade de memória, tempo de processamento que dependem do tipo de aplicação, contudo pode-se separar em 04 grandes blocos: Micro CLP’s; CLP’s compactos; CLP’s modulares CLP’s modulares de grande porte. Os micros CLP’s – que na realidade são reles industriais programáveis, tais como: LOGO; EASY, ZÉLIO; SMART; QUICK; etc. Estes reles normalmente são utilizados em pequenas aplicações isoladas, onde não é necessário um grande numero de entradas e saídas (E/S).

Figura 3.1 – Exemplo de rele programável Os CLP´s compactos são montados em uma única caixa, onde além da fonte e CPU (Unidade central de processamento), estão disponíveis algumas E/S digitais, e em alguns casos, E/S analógicas. Estes CLP´s possuem uma capacidade de memória limitada (8 a 32 kbytes), e para determinados fabricantes não existe a possibilidade de expansões remotas além de seis ou sete expansões locais. Apesar da aparente limitação dos CLP´s compactos, eles são muito utilizados, pois atendem a grande maioria das aplicações. Figura 3.2 – Exemplos de CLP´s compactos

CONTROLADORES 25

Os CLP´s modulares são montados em Racks (bastidores) onde são inseridos os cartões separadamente. Para cada dispositivo (fonte, CPU, entradas digitais, etc) existe uma placa (módulo) específica. Quando existe a necessidade de uma maior capacidade, velocidade de processamento e numero de entradas e saídas, os modelos modulares são mais aplicáveis. Outro critério que leva a escolha de CLP´s modulares é quando existe necessidade de troca à quente de algum módulo de E/S. Os CLP´s modulares de grande porte são equipamentos grande capacidade de processamento e memória (acima de 1Mbytes). Estes CLP´s podem controlar milhares de E/S (entre locais e remotas) e alguns fabricantes disponibilizam CPU´s que podem trabalhar em redundância via hardware em sistemas tolerantes a falhas. Na figura 3.3 são especificados os múltiplos da disponibilidade para CPU redundantes comparados com o sistema padrão (baseline).

Figur 3.3 – CPUs redundantes montadas em Racks separados e em único rack e fatores de aumento na disponibilidade

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Unidade Central de Processamento

(CPU)

MEMÓRIA

INTERFACE DE E/S

PROCESSADOR FONTE DE

ALIMENTAÇÃO

CARTÕES DE

ENTRADA

CARTÕES DE

SAÍDA

TERMINAL DE PROGRAMAÇÃO

3.4. Partes Funcionais do CLP:

O diagrama de blocos a seguir (Figura 3.4), ilustra a estrutura básica de um controlador programável:

Dentre as partes integrantes desta estrutura temos:

• CPU • Memória • E/S (Entradas e Saídas) • Fonte de alimentação

Figura 3.4 – Diagramas de Bloco dos Sistemas de Controle digital

3.4.1 - Fonte de Alimentação:

Fornece alimentação em tensão contínua adequadamente filtrada e

regulada para o bom funcionamento do programador e sua capacidade varia em função do tamanho do sistema a ser controlado.

As tensões de entrada das fontes de alimentação disponíveis no mercado e mais utilizadas são : 100-240Vca; 24Vcc; 24Vca e, em Micro-CLP´s (relés industriais), além das tensões já citadas, é disponível a tensão de alimentação de 12Vcc.

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3.4.2 - Entradas e Saídas:

Esse bloco é o responsável pela interface entre o controlador e o processo.

Entradas típicas são oriundas de botoeira, pressostatos, chaves de fim de curso e sinais de instrumentos e controle. Algumas saídas típicas destinam-se a, energizar ou desenergizar motores ou válvulas solenóides e acionar alarmes ou sinalização. Esses pontos de entrada e saída podem ser digitais ou analógicos.

De forma geral, os dispositivos de entrada e saída são os circuitos

responsáveis pela interação entre o homem e a máquina; são os dispositivos por onde o homem pode introduzir informações na máquina ou por onde a máquina pode enviar informações ao homem. Como dispositivos de entrada podemos citar os seguintes exemplos: leitor de fitas magnéticas, leitor de disco magnético, leitor de cartão perfurado, leitor de fita perfurada, teclado, painel de chaves, conversor A/D, mouse, scanner, etc. Estes dispositivos têm por função a transformação de dados em sinais elétricos codificados para a unidade central de processamento.Como dispositivos de saída podemos citar os seguintes exemplos: gravador de fitas magnéticas, gravador de discos magnéticos, perfurador de cartão, perfurador de fita, impressora, vídeo, display, conversor D/A, canal de som, etc. Todos eles têm por função a transformação de sinais elétricos codificados pela máquina em dados que possam ser manipulados posteriormente ou dados que são imediatamente entendidos pelo homem.

Estes dispositivos são conectados à unidade central de processamento por intermédio de "portas" que são interfaces de comunicação dos dispositivos de entrada e saída. A estrutura de E/S (entradas e saídas) é encarregada de filtrar os vários sinais recebidos ou enviados para os componentes externos do sistema de controle. Estes componentes ou dispositivos no campo podem ser botões, chaves de fim de curso, contatos de relés, sensores analógicos, termopares, chaves de seleção, sensores indutivos, lâmpadas sinalizadoras, display de LEDs, bobinas de válvulas direcionais elétricas, bobinas de relés, bobinas de contatores de motores, etc.

Em ambientes industriais, estes sinais de E/S podem conter ruído elétrico, que pode causar operação falha da CPU se o ruído alcançar seus circuitos. Desta forma, a estrutura de E/S protege a CPU deste tipo de ruído, assegurando informações confiáveis. A fonte de alimentação das E/S pode também se constituir de uma única unidade ou de uma série de fontes, que podem estar localizadas no próprio compartimento de E/S ou constituir uma unidade à parte.

Os dispositivos do campo são normalmente selecionados, fornecidos e instalados pelo usuário final do sistema do CLP. Assim, o tipo de E/S é determinado, geralmente, pelo nível de tensão (e corrente, nas saídas) destes dispositivos. Os circuitos de E/S são tipicamente fornecidas pelos fabricantes de CLP´s em módulos, cada um com 4, 8, 16 ou mais circuitos.

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Além disso, a alimentação para estes dispositivos no campo deve ser fornecida externamente ao CLP, uma vez que a fonte de alimentação do CLP´s é projetada para operar somente com a parte interna da estrutura de E/S e não dispositivos externos.

3.4.2.1. CARACTERÍSTICAS DAS ENTRADAS E SAÍDAS - E/S

A saída digital basicamente pode ser de quatro tipos: transistor, triac, contato seco e TTL podendo ser escolhido um ou mais tipos. A entrada digital pode se apresentar de várias formas, dependendo da especificação do cliente, contato seco, 24 VCC, 110 VCA, 220 VCA, etc. A saída e a entrada analógicas podem se apresentar em forma de corrente (4 a 20 mA, 0 a 20 mA), ou tensão (1 a 5 Vcc, 0 a 10 VCC, -10 a 10 VCC etc). Em alguns casos é possível alterar o ranger da saída através de software. MÓDULOS DE ENTRADA Os módulos de entrada são interfaces entre os sensores localizados no campo e a lógica de controle de um controlador programável. Estes módulos são constituídos de cartões eletrônicos, cada qual com capacidade para receber em certo número de variáveis. Pode ser encontrada uma variedade muito grande de tipos de cartões, para atender as mais variadas aplicações nos ambientes industriais. Mas apesar desta grande variedade, os elementos que informam a condição de grandeza aos cartões, são do tipo: ELEMENTO DISCRETO -Trabalha com dois níveis definidos; ELEMENTO ANALÓGICO - Trabalha dentro de uma faixa de valores. Entradas digitais

A entrada digital com fonte externa é o tipo mais utilizado, também neste caso a característica da fonte de alimentação externa dependerá da especificação do módulo de entrada. Observe que as chaves que acionam as entradas situam-se no campo. As entradas dos CLP´s têm alta impedância e por isso não podem ser acionadas diretamente por um triac, como é o caso do acionamento por sensores a dois fios para CA, em razão disso é necessário, quando da utilização deste tipo de dispositivo de campo, o acréscimo de uma derivação para a corrente de manutenção do tiristor. Essa derivação consta de um circuito resistivo-capacitivo em paralelo com a entrada acionada pelo TRIAC, cujos valores podem ser encontrados nos manuais do CLP, como visto abaixo. Se for ser utilizado um sensor capacitivo, indutivo, óptico ou indutivo magnético, saída à transistor com alimentação de 8 a 30 VCC, basta especificar um cartão de entrada 24 VCC comum negativo ou positivo dependendo do tipo de sensor, e a saída do sensor será ligada diretamente na entrada digital do CLP.

CONTROLADORES 29

A entrada digital do tipo contato seco fica limitada aos dispositivos que apresentam como saída a abertura ou fechamento de um contato. É bom lembrar que em alguns casos uma saída do sensor do tipo transistor também pode ser usada, esta informação consta no manual de ligação dos módulos de entrada.

Figura 3.5 – Circuito de entradas digitais em 220Vca Figura 3.6 – Tipos de entradas discretas

Figura 3.7 – Circuito de entradas digitais 24Vcc/Vca referência a terra

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Figura 3.8 – Circuito de entradas digitais 24Vcc/Vca referência ao positivo da fonte Entradas analógicas

A entrada analógica em corrente é implementada diretamente no transmissor como mostra o diagrama. Em alguns casos, a entrada analógica em tensão necessita de um shunt para a conversão do valor de corrente em tensão, como mostra o diagrama O valor do resistor shunt dependerá da faixa de saída do transmissor e da faixa de entrada do ponto analógico.

Figura 3.9 – Tipos de entradas analógicas (CA – Conversor analógico digital)

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MÓDULOS DE SAÍDA Os módulos de saída são elementos que fazem a interface entre o processador e os elementos atuadores. Estes módulos são constituídos de cartões eletrônicos, com capacidade de enviar sinal para os atuadores, resultante do processamento da lógica de controle. Os cartões de saída irão atuar basicamente dois tipos: ATUADORES DISCRETOS - Podem assumir dois estados definidos; ATUADORES ANALÓGICOS -Trabalham dentro de uma faixa de valores.

Figura 3.10 – Tipos de saídas digitais - ATUADORES DISCRETOS

Saídas digitais De acordo com o tipo de elemento de comando da corrente das saídas, estas apresentam características que as diferem como as seguintes: - saída a TRANSÍSTOR promove comutações mais velozes, mas só comporta cargas de tensão contínua; - saída a TRIAC tem maior vida útil que o tipo a contato seco, mas só pode acionar cargas de tensão alternada; - saída a CONTATO SECO pode acionar cargas alimentadas por tensão tanto contínua quanto alternada. A ligação dos circuitos de entrada e ou saída é relativamente simples, dependendo apenas do tipo em questão. A seguir vêm-se os diagramas de ligação dos vários tipos.

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Figura 3.11 – Saídas digitais à rele

Figuras 3.11 – Saídas digitais a TRIAC

As saídas digitais independentes possuem a vantagem de poder acionar no mesmo módulo, cargas de diferentes fontes sem o risco de interligá-las. Apresentam a desvantagem de consumir mais cabos.

As saídas digitais com ponto comum possuem a vantagem de economia de cabo. Se neste tipo de saída for necessário acionar cargas com fontes incompatíveis entre si, será necessária a utilização de relés cujas bobinas se energizem com as saídas do CLP e cujos contatos comandem tais cargas.

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Figuras 3.11 – Saídas digitais a Transistor Saídas analógicas

A saída analógica em corrente ou tensão é implementada diretamente no dispositivo em questão. É bom lembrar a questão da compatibilidade dos sinais, saída em tensão só pode ser ligada no dispositivo que recebe tensão e saída em corrente pode ser ligada em dispositivo que recebe corrente ou tensão, dependendo da utilização ou não do shunt de saída.

Figura 3.11 – Tipos de saídas analógicas - ATUADORES ANALÓGICOS

CONTROLADORES 34

3.4.3 - Memória:

Responsável por armazenar as informações contidas no programa do

usuário. Existe uma parte da memória que contem o programa interpretador do CLP que geralmente está em EPROM.

Estrutura independente dos tipos de memórias utilizadas, o mapa de

memória de um controlador programável pode ser dividido em cinco áreas principais:

• Memória de execução • Memória do sistema • Memória de status dos cartões de E/S ou Imagem • Memória de dados • Memória do usuário

Memória de execução

É formada por memórias do tipo ROM ou PROM e em seu conteúdo está armazenado o sistema operacional responsável por todas as operações que são realizadas no CLP. O usuário não tem acesso a esta área de memória.

Memória do Sistema

Esta área é formada por memórias tipo RAM, pois terá o seu conteúdo constantemente alterado pelo sistema operacional.

Armazena resultados e/ou operações intermediárias, geradas pelo sistema, quando necessário. Pode ser considerada como um tipo de rascunho. Não pode ser acessada nem alterada pelo usuário.

Memória de Status de E/S ou Memória Imagem

A memória de status dos módulos de E/S são do tipo RAM. A CPU, após ter efetuado a leitura dos estados de todas as entradas, armazena essas informações na área denominada status das entradas ou imagem das entradas. Após o processamento dessas informações, os resultados serão armazenados na área denominada status das saídas ou imagem das saídas.

Memória de Dados As memórias de dados são do tipo RAM, e armazenam valores do

processamento das instruções utilizadas pelo programa do usuário. Funções de temporização, contagem, aritméticas e especiais, necessitam

de uma área de memória para armazenamento de dados, como:

• valores pré-selecionados ou acumulados de contagem e temporização; • resultados ou variáveis de operações aritméticas; • resultados ou dados diversificados a serem utilizados por funções de

manipulação de dados.

CONTROLADORES 35

Memória do Usuário

A CPU efetuará a leitura das instruções contidas nesta área a fim de executar o programa do usuário, de acordo com os procedimentos predeterminados pelo sistema operacional. As memórias destinadas ao usuário podem ser do tipo:

• RAM • RAM/EPROM • RAM/EEPROM

3.4.4 - Processador:

Responsável pelo gerenciamento de todas funções do CLP. Podem ser baseados em computadores pessoais, assim sendo, são constituídos de microprocessadores. Também, podem ser constituídos de processadores dedicados a controles, nesses casos, são adotados os microcontroladores.

A Unidade Central de Processamento (CPU) é responsável pelo processamento do programa, isto é, coleta os dados dos cartões de entrada, efetua o processamento segundo o programa do usuário, armazenado na memória, e envia o sinal para os cartões de saída como resposta ao processamento.

Geralmente, cada CLP tem uma CPU, que pode controlar vários pontos de

E/S (entradas e saídas) fisicamente compactadas a esta unidade - é a filosofia compacta de fabricação de CLP´s, ou constituir uma unidade separada, conectada a módulos onde se situam cartões de entrada e saída, - esta é a filosofia modular de fabricação de CLP´s.

Este processamento poderá ter estruturas diferentes para a execução de

um programa, tais como: Processamento cíclico; Processamento por interrupção; Processamento comandado por tempo; Processamento por evento.

O Processamento Cíclico é a forma mais comum de

execução que predomina em todas as CPUs conhecidas, e de onde vem o conceito de varredura, ou seja, as instruções de programa contidas na memória, são lidas uma após a outra seqüencialmente do início ao fim, daí retornando ao início ciclicamente.

Figura 3.12 – Ciclo de execução

Um dado importante de uma CPU é o seu tempo de ciclo, ou seja, o tempo gasto para a execução de uma varredura. Este tempo está relacionado com o tamanho do programa do usuário (em média 10 ms a cada 1.000 instruções).

CONTROLADORES 36

O Processamento por interrupção é mais utilizado em computadores pessoais e em Distributed Control Systems (DCS) na sua concepção original. Certas ocorrências no processo controlado não podem, algumas vezes, aguardar o ciclo completo de execução do programa. Neste caso, ao reconhecer uma ocorrência deste tipo, a CPU interrompe o ciclo normal de programa e executa um outro programa chamado de rotina de interrupção. Esta interrupção pode ocorrer a qualquer instante da execução do ciclo de programa. Ao finalizar esta situação o programa voltará a ser executado do ponto onde ocorreu a interrupção.

Uma interrupção pode ser necessária, por exemplo, numa situação de emergência onde procedimentos referentes a esta situação devem ser adotados.

Figura 3.13 – Ciclo de execução com interrupção O Processamento por evento é processado em eventos específicos, tais como no retorno de energia, falha na bateria e estouro do tempo de supervisão do ciclo da CPU. Neste último, temos o chamado Watch Dog Time (WD), que normalmente ocorre como procedimento ao se detectar uma condição de estouro de tempo de ciclo da CPU, parando o processamento numa condição de falha e indicando ao operador através de sinal visual e as vezes sonoro.

3.5 Princípio de Funcionamento de um CLP

Um controlador lógico programável, tem seu funcionamento baseado num sistema de microcomputador onde se tem uma estrutura de software que realiza continuamente ciclos de varredura.

3.5.1. ESTADOS DE OPERAÇÃO

Basicamente a CPU de um controlador programável possui dois estados de operação : Programação e Execução. A CPU pode assumir também o estado de erro, que aponta falhas de operação e execução do programa.

No estado de Programação, o CLP não executa programa, isto é, não assume nenhuma lógica de controle, ficando preparado para ser configurado ou

CONTROLADORES 37

receber novos programas ou até modificações de programas já instalados. Este tipo de programação é chamado off-line (fora de linha).

No estado de Execução, o CLP assume a função de execução do programa do usuário. Neste estado, alguns controladores, podem sofrer modificações no programa. Este tipo de programação é chamado on-line (em linha).

3.5.2 FUNCIONAMENTO

Ao ser energizado, estando o CLP no estado de execução, o mesmo cumpre uma rotina de inicialização gravada em seu sistema operacional. Esta rotina realiza as seguintes tarefas :

- Limpeza da memória imagem, para operandos não-retentivos; - Teste de memória RAM; - Teste de executabilidade do programa.

Após a execução desta rotina, a CPU passa a fazer uma varredura (ciclo) constante, isto é, uma leitura seqüencial das instruções em loop (laço). Entrando no loop, o primeiro passo a ser executado é a leitura dos pontos de entrada. Com a leitura do último ponto, irá ocorrer, a transferência de todos os valores para a chamada memória ou tabela imagem das entradas. Após a gravação dos valores na tabela imagem, o processador inicia a execução do programa do usuário de acordo com as instruções armazenadas na memória. Terminando o processamento do programa, os valores obtidos neste processamento, serão transferidos para a chamada memória ou tabela imagem das saídas, como também a transferência de valores de outros operandos, como resultados aritméticos, contagens, etc. Ao término da atualização da tabela imagem, será feita a transferência dos valores da tabela imagem das saídas, para os cartões de saída, fechando o loop. Neste momento é iniciado um novo loop. Para a verificação do funcionamento da CPU, é estipulado um tempo de processamento, cabendo a um circuito chamado de Watch Dog Time supervisioná-lo. Ocorrendo a ultrapassagem deste tempo máximo, o funcionamento da CPU será interrompido, sendo assumido um estado de erro. O termo varredura ou scan são usados para um dar nome a um ciclo completo de operação (loop). O tempo gasto para a execução do ciclo completo é chamado Tempo de Varredura, e depende do tamanho do programa do usuário, e a quantidade de pontos de entrada e saída.

CONTROLADORES 38

Figura 3.14 – Diagrama de blocos de um CLP

CONTROLADORES 39

Figura 3.15 –

Fluxograma de funcionamento de um CLP

START PARTIDA

- Limpeza de memória - Teste de RAM - Teste de Execução

OK

Tempo de Varredura

OK

Atualização da Tabela Imagem das

Entradas

Execução do Programa do

Usuário

Atualização da Tabela Imagem das

Saídas

STOP PARADA

Leitura dos Cartões de Entrada

Transferência da Tabela para

a Saída

Não

Não

Sim

Sim

CONTROLADORES 40

3.5.3 diagrama simplificado do Ciclo De Execução:

As instruções são executadas de forma

seqüencial e cíclica. A seqüência de operações é basicamente a mesma para todos os fabricantes de CLP, isto é: 1. Verificam a situação de todas as entradas; 2. Armazena a matriz de entrada na memória; 3. Resolvem a lógica a fim de determinar as

saídas; 4. Armazenam a matriz de saída na memória; 5. Executam as saídas.

Figura 3.16 – Ciclo de execução

Memória imagem das entradas: Local onde foram guardados os valores (0 e 1) de varredura das entradas

Memória imagem das saídas: Local onde são guardados os valores (0 ou 1) resultantes das combinações das entradas com o programa de usuário.

CONTROLADORES 41

Figura 3. - Exemplo de um Ciclo de Operação de um CLP

o - 00 o - 01 o - 02 o - 03 o - 04 o - 05 o - 06 o - 07

OUT

1 0

1

Memória Imagem

E N T R A D A S

S A Í D A S

IN 00 IN 03

OUT 04

Cartão de Saída

o - 00 o - 01 o - 02 o - 03 o - 04 o - 05 o - 06 o - 07

IN

Cartão de Entrada

CONTROLADORES 42

Capítulo 04

4. Programação de Controladores Programáveis

O padrão internacional mais aceito para programação de CLP’s é o (6)

1131-3 do IEC(International Electrotechnical Committee). Nesse padrão existe a intercambialidade de linguagem de programação, ou seja; um programa que foi desenvolvido em uma linguagem pode ser bem interpretado em outra linguagem, e é nessa linguagem de programação que os CLP’s apresentam sua maior potencialidade. Uma vez conectados os instrumentos ao CLP, toda lógica de comando será definida por um programa, permitindo assim, uma maior flexibilidade nas mudanças dos comandos uma máquina que contenha CLP.

As linguagens de programação obedecem as mais diversas características,

que varia de fabricante para fabricante. As principais que obedecem as especificações da IEC são:

LADDER Diagram (LD): Uma linguagem gráfica que associa as entradas a

contatos (interruptores) e as saídas a bobinas. Structured Text (ST): A STL é baseada na álgebra de Boole, onde

contém instruções do tipo E (and) e OU (or), etc. Instructions list (IL): É uma linguagem particular onde cada linha é

composta por um contato contendo, entre outras, instruções de salto, desvio condicionais.

Além das acima descritas, temos mais outras gráficas: Seqüencial Function

Charts (SFC), Function Block Diagrams (FBD) e Programação gráfica (PG).

Normalmente podemos programar um controlador através de um software que possibilita a sua apresentação ao usuário em uma ou mais linguagens diferentes, possibilitando a conversão de uma para outra de forma rápida e sem nenhum procedimento adicional.

A linguagem LADDER é também conhecida como Diagrama de relés. Esta

forma gráfica de apresentação está muito próxima a normalmente usada em diagrama de comandos elétricos.

Figura 4.1 – Exemplo de parte de um programa em LD

CONTROLADORES 43

Os diagramas de blocos lógicos é mesma linguagem utilizada em lógica

digital, onde sua representação gráfica é feita através das chamadas portas lógicas.

Figura 4.2 – Exemplo de parte de um programa em FB

Lista de Instruções é uma Linguagem que está entre as utilizadas na

elaboração de programas para computadores pessoais e linguagens em assembly.

LD NIVEL_MAX ANDN F OR ( NIVEL_MAX AND AUX_F ) ST AUX_F

Figura 4.2 – Exemplo de parte de um programa em IL

CONTROLADORES 44

4.1 – Programa aplicativo:

Os Requisitos necessários e a seqüência para a elaboração de um programa aplicativo para um CLP , são mostrados a seguir: 1. Um computador pessoal; 2. Um programa para desenvolvimento e comunicação com CLP; 3. Um cabo de comunicação entre o CLP e o computador.

Figura 4.3 – Fluxograma para elaboração de aplicativos para CLP

4.2 Programação em LADDER

A seguir será apresentado uma Introdução à elaboração de programas

aplicativos em Linguagem LADDER que é formada por operandos e instruções:

4.2.1 - Operandos básicos:

Operando de entrada e saída: Associa um endereço lógico aos pontos físicos

de entrada e saída. Constantes: Usados como valores de referência, limites de

temporização, contagem e etc.

CONTROLADORES 45

Registros (Auxiliares, Marcadores): São posições de memória reservadas para

conter valores acumulados, valores vindo de entradas e saída analógicas, guarda set-point variáveis etc.

4.2.2 - Instruções Básicas:

O diagrama LADDER utiliza lógica de relé, com contatos (ou chaves) e

bobinas, e por isso é a linguagem de programação de CLP mais simples de ser assimilada por quem já tenha conhecimento de circuitos de comando elétrico.

Quando o controle é do tipo liga-desliga ou seqüencial, pontos de entradas e saídas digitais são suficientes. Nestes casos, são necessários apenas três tipos de instruções que são: --| |-- ou –|/|-- Representação lógica respectivamente do contato

normalmente aberto (NA) e do contato normalmente fechado (NF), de qualquer instrumento de chaveamento do tipo liga-desliga (ex.: chaves fim de curso, sensores de proximidade digitais, pressostato, termostato e etc.).

--( )— ou -O- BOBINAS. Representação gráfica de qualquer instrumento de chaveamento de saída do tipo liga-desliga (ex.: válvulas, motores, relês, etc.).

4.2.3 Conjunto de Instruções

É o conjunto de funções que definem o funcionamento e aplicações de um CLP.

• - Funções Lógicas; • - Memorização; • - Temporização; • - Contagem.

Manipulação de variáveis analógicas:

• - Movimentação de dados; • - Funções aritméticas.

Para funções de algoritmos complexos, comunicação de dados, interfaces homem-máquina, podem ser necessárias:

• - Saltos controlados; • - Indexação de instruções; • - Conversão de dados; • - PID; • - sequenciadores; • - aritmética com ponto flutuante;

CONTROLADORES 46

4.2.3 Diagrama Elétrico LADDER

A lógica de diagrama de contatos do CLP assemelha-se à de relés. Para que um relê seja energizado, necessita de uma continuidade elétrica, estabelecida por uma corrente elétrica.

N circuito da figura 4.4, ao ser fechada a CH1, a bobina K1 será energizada, pois será estabelecida uma continuidade entre a fonte e os terminais da bobina.

K1

CH1

-+ALIMENTAÇÀO

Figura 4.4 – Circuito elétrico simples desenhado horizontalmente

Compõe-se de vários circuitos dispostos horizontalmente, com a bobina na

extremidade direita, alimentada por duas barras verticais laterais. Por esse formato é que recebe o nome de LADDER que significa escada, em inglês.

Cada uma das linhas horizontais é uma sentença lógica onde os contatos

são as entradas das sentenças, as bobinas são as saídas e a associação dos contatos é a lógica. No LADDER cada operando (nome genérico dos contatos e bobinas no LADDER) é identificado com um endereço da memória à qual se associa no CLP. Esse endereço aparece no LADDER com um nome simbólico, para facilitar a programação. O programa equivalente do circuito (figura 4.4) anterior, na linguagem LADDER, será o seguinte o mostrado na figura 4.5.

E1 S1

Figura 4.5 – Programa em LADDER equivalente ao circuito da figura 4.4

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Os programas em linguagem LADDER evoluíram a partir dos diagramas LADDER elétricos. Representa a maneira, como a corrente elétrica circula pelos dispositivos, de forma a completar um circuito elétrico.

Analisando os módulos de entrada e saída do CLP, quando o dispositivo ligado à entrada digital E1 fechar, este acionará o contato E1, que estabelecerá uma continuidade de forma a acionar a bobina S1, conseqüentemente o dispositivo ligado à saída digital S1 será acionado.

Outro exemplo é mostrado na figura 4.6, que representa uma partida direta

de um motor (M1) de indução .

Figura 4.6 – Diagrama de comando de uma partida direta

O programa equivalente do circuito anterior (figura 4.6), na linguagem LADDER, será o seguinte o mostrado na figura 4.7.

Figura 4.7 – Programa em LADDER equivalente ao circuito da figura 4.6

Um programa em linguagem LADDER do CLP se assemelha bastante a

diagrama LADDER elétrico. Em diagrama elétrico, os símbolos representam os dispositivos reais e a maneira como estão conectados. O programa do CLP utiliza

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símbolos semelhantes, só que aqui eles representam instruções lógicas para aplicação. Um programa em linguagem LADDER existe apenas no software do CLP, ele não considera a barra de alimentação nem o fluxo de corrente através dos circuitos. Uma outra diferença é que, em um diagrama elétrico, descreve-se os dispositivos como aberto ou fechados (desenergizados ou energizados respectivamente). Em um programa LADDER, as instruções são verdadeiras ou falsas.

As instruções de controle são energizadas ou desenergizadas com base no estado das instruções de condição da linha. Para isto, o CLP examina uma linha quanto à sua continuidade lógica (ou seja, quando todas as instruções de condições são verdadeiras).

Se não existir continuidade lógica, o CLP mantém a instrução de controle

no estado desligado ou desenergizado. OBSERVAÇÃO:

Lembre-se de fazer uma distinção entre dispositivo de entrada real e a sua representação em linguagem LADDER e observe que uma instrução em programa LADDER é programada independentemente da forma de conexão do dispositivo de entrada. Assim, o estado de um botão NA pode ser testado como instrução NF e vice versa. Lembre-se também de que quando as instruções do CLP mudam de estado (ou seja, fazem uma transição do estado Falso ao Verdadeiro), uma instrução NA não se transforma em uma NF. Nos casos em que contatos de relês eletromecânicos abrem e fecham, as instruções do CLP verificam a memória quanto à ocorrência de 1 ou 0.

Figura 4.8 – Programa em LADDER, FB e STL

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4.2.3 - Lógicas Básicas

A seguir serão apresentadas as principais portas, suas tabelas verdades,

circuitos elétricos equivalentes e linhas de programação em linguagem LADDER e listas de instruções(IL).

Porta “AND” ou “E ”:

Porta “OR” ou “OU “:

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Porta “NOT” ou “NÃO” :

Porta “NAND” ou “NE “:

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Porta “NOR” ou “NOU “:

Porta “OR Exclusive” :

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BIBLIOGRAFIA

[1] SOARES, L. F. G – Redes Locais – Editora Campos, Rio de Janeiro, 1986 [2] ZAKIR JR.., J – Redes Locais : Estudo de Seus Elementos – LTC Editora, Rio de Janeiro, 1988 [3] Fortunato, B. Di . & Farroni, P. – Transmissioni Numerichi e Sistemi su Fibra Ottica – Asourana Editrici, Fermo, 1986 [4] AXIOM – AX4285 User’s Manual – Taiwan, 1992 [5] XPTO – MOS 485 – Manual do Usuário – S. Paulo, 1994 [6] SOUSA, L. C. & PELUSO, M. – Tutorial Fieldbus – SMAR Equipamentos Ind. LTDA [7] CONCETTI, C. & CUPIDO, A.& LOTTI, E. – Eletronica Industrialle : Componenti e Applicazioni – La Tecno Editrice – Fermo, 1976 [8] TANENBAUM, A. S. – Redes de Computadores – Campus, Rio de Janeiroo, 1997 [9] BOSCOV, J. A. & ALBUQUERQUE, P. U. B. de – Curso de Supervisão e Controle de Sistemas Elétricos – ETFCe , Fortaleza, 1997 [10] ELIPSE SOFTWARE LTDA – Tutorial Elipse Versão 2.00 – Porto Alegre - 1997 [11] NATIONAL SEMICONDUCTOR – National Interface Databook – California –1996 [12] REVISTA SABER ELETRONICA [13] WARNOK, Ian G. – Programmable Controllers – Operation and Application, Prentice Hall – 1988 [14] ORTOLANI ,Giuliano, Ezio Venturi – Schemi e Apparecchi Nell’Automazione Industriale – Hoepli -1998