CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS

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1 CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS 1. INTRODUÇÃO 1.1 Histórico Durante a década de 50 os dispositivos eletromecânicos foram os únicos recursos disponíveis para se efetuarem controles lógicos tanto em nível de linhas de produção como em máquinas isoladas. Tais dispositivos, baseados tipicamente em relés, tinham especial importância na indústria automobilística, onde a complexidade dos processos produtivos envolvidos exigiam, não raro, instalações em painéis de cabines de controle com centenas de relés, exigindo uma quantidade maior ainda de interconexões entre eles. Figura 1 Painel de comando eletromecânico. ( control-panel-in-a-machine.html?fromid=nnhpeuy0ou1nz3jbrlgvvfzzk3lvdz09.) UTFPR Cornélio Procópio 1

2 Figura 2 Painel de controle eletromecânico. ( Figura 3 Painel de controle - dispositivos eletromecânicos (esquerda) e CLP (direita). ( Estes sistemas, apesar de funcionais, apresentavam os seguintes fatores negativos: a) Enorme quantidade de elementos que em presença de falhas exigiam horas ou dias para pesquisa e correção do problema. b) Compostos por elementos de dimensões físicas razoáveis, exigindo grande espaço físico e proteções especiais relacionadas à temperatura, umidade, gases inflamáveis, elementos oxidantes,... c) Programação da lógica de controle realizada por interconexões elétricas (hardwired), que exigiam interrupções no processo produtivo para a reconexão dos elementos em caso de alterações (interrupções que oneravam a produção industrial). Consequentemente eram UTFPR Cornélio Procópio 2

3 necessárias a elaboração e atualização das listas de fiação para a documentação do sistema. Com a tecnologia de estado sólido, alguns dispositivos transistorizados foram utilizados no final da década de 50 e início dos anos 60, e com a viabilidade dos componentes eletrônicos em larga escala de integração (LSI) novas tecnologias tornaram viáveis as aplicações dos computadores digitais e tecnologias para a automação industrial. A primeira experiência com um controlador lógico para a programação por recursos de software foi realizada em 1968 na divisão de Hidramáticos da General Motors Corporation. Utilizando dispositivos periféricos com operações de entrada/saída em um minicomputador, aliado à sua capacidade de programação, foram obtidas vantagens que cobriram o custo desta implementação à época pelos benefícios da eliminação dos problemas anteriormente citados. Esta primeira geração de CLPs recebeu melhorias com o desenvolvimento dos microprocessadores durante os anos 70, dispensando o uso de computadores de grande porte, tornando-o uma unidade isolada, e adicionando recursos como interfaces de operação e programação com o usuário, instruções aritméticas e de manipulação de dados mais complexas, recursos de comunicação em redes de CLPs, possibilidades de configuração específica a cada finalidade através de módulos intercambiáveis, dentre outras vantagens encontradas nos modelos comerciais atualmente disponíveis. Assim, o controle de máquinas e processos passou a contar com um dispositivo capaz de: a) Permitir fácil diagnóstico de funcionamento ainda na fase de projeto do sistema e/ou de reparos em falhas que venham a ocorrer durante a operação do mesmo. b) Instalação em cabines reduzidas devido ao pequeno espaço físico exigido, e por se tratar de um equipamento composto por dispositivos de estado sólido, redução no grau de proteção associada à instalação do mesmo. c) Ser facilmente reprogramado sem a necessidade da interrupção do processo produtivo (programação on-line), possibilitando a criação de um banco de dados de armazenamento de programas que podem ser reutilizados a qualquer momento. d) Facilidade na elaboração e atualização da documentação, mantendo-a sempre condizente com o processo em execução. d) Redução no consumo da energia, redução da equipe de pessoal para manutenção, maior confiabilidade pela menor incidência de defeitos, menor nível de emissão de ruídos eletrostáticos;... No Brasil, os CLPs vieram a ser utilizados em maior escala na indústria na década de 80, pela absorção da tecnologia por parte das multinacionais e atualmente nas indústrias em geral, independente de seu porte ou ramo de atividade. UTFPR Cornélio Procópio 3

4 1.2 CONCEITOS Devido à ampla gama de equipamentos e sistemas disponíveis para controle industrial, aliada ao desenvolvimento dos sistemas CLPs, existe a possibilidade de se classificar outros tipos de equipamentos como um CLP. A seguir são citadas três características básicas que servem de referência para identificar um equipamento de controle industrial como um CLP: a) Em funcionamento o equipamento deve executar uma rotina cíclica de operação; b) A forma básica de programação deve ser feita através de uma linguagem oriunda de diagramas elétricos de relés; c) O produto deve ser projetado para operação em ambiente industrial e suas condições adversas. A norma NEMA define mais formalmente um CLP como: "Suporte eletrônico-digital para armazenar instruções de funções específicas como de lógica, sequencialização, temporização, contagem e aritméticas; todas dedicadas ao controle de máquinas e processos". As partes componentes associadas a um equipamento Controlador Lógico Programável são descritos a seguir: Variáveis de entrada Sinais recebidos pelo CLP de fontes pertencentes ao processo controlado, ou fontes oriundas das condições ambientais no qual o processo se encontra ou ainda comandos gerados por um operador durante o ciclo do processo. Tais sinais poderão ser gerados por dispositivos como: botoeiras, chaves de seleção, contatos de relés, encoders, termopares, instrumentos digitais ou analógicos, transdutores de grandezas físicas, Variáveis de saída Dispositivos controlados por cada ponto de saída do CLP. Estes pontos poderão servir para sinalização de estados ou para intervenção direta no processo controlado. Como exemplo: contatores, lâmpadas, motores, displays, relés, válvulas, solenóides, Programa Sequência específica de instruções, selecionadas de um conjunto de opções oferecidas pelo CLP em uso, que irão efetuar as ações de controle desejadas, ativando ou não os pontos de saída a partir da monitoração dos estados dos pontos de entrada. UTFPR Cornélio Procópio 4

5 2. Funcionamento Um CLP é basicamente composto por dois elementos principais: uma Unidade Central de Processamento (CPU) e interfaces para entradas e saídas. Figura 4 Componentes de um CLP. A CPU de um CLP segue padrões semelhantes às arquiteturas dos computadores digitais, composta basicamente por um processador, um banco de memória (para dados e programas) e um barramento de interligação. O princípio básico de funcionamento de um CLP é a execução, por parte da CPU, de um programa que realiza continuamente um ciclo de varredura: Figura 5 Ciclo de varredura de um CLP. O tempo total do ciclo de varredura (scanning) de um CLP depende da frequência do sinal de clock do processador utilizado, do número de passos inseridos no programa de controle e da quantidade e tipo de pontos de entrada/saída. Como regra geral, tal tempo se encontra em média na faixa de menos de um milisegundo. UTFPR Cornélio Procópio 5

6 2.1 Componentes de um CLP Na descrição da CPU, observa-se os tipos de memória existentes e sua organização básica, além do detalhamento dos módulos de entrada e saída CPU A Unidade Central de Processamento (CPU) pode ser interpretada como o controle de todas as operações de um CLP e é constituída por um processador, memórias e um sistema de interligação (barramento). O nível de eficiência e complexidade dos atuais CLPs é devido à capacidade de controle e processamento disponível nos circuitos integrados microprocessadores, com características como a solução de operações matemáticas, manipulação de dados, e controle no fluxo de programa (não é possível a implementação em diagramas de relés). A principal função do microprocessador é o gerenciamento de todo o sistema composto pelo CLP através da execução de um programa fixo residente em uma parte da memória, denominado "executivo". Este programa fica permanentemente instalado na memória (firmware) sendo responsável pela execução do ciclo de varredura, com atuação semelhante ao BIOS das placas-mães dos computadores pessoais. O microprocessador dos CLPs podem ser classificados pelo número de bits capazes de operar a cada instrução, como 8, 16 ou 32 bits. A velocidade de operação (clock), o conjunto de instruções de programação disponíveis (que poderão fornecer maior ou menor grau de complexidade e consequente poder de programação), e a quantidade de memória que pode ser "endereçada" são outros fatores que definem a qualidade de um microprocessador. O termo "controlador programável" define que a sequência de instruções, ou programa, assim como outras informações, devem estar armazenadas e disponíveis em uma região de armazenamento denominada de sistema de memória, organizada de modo a formar o "mapa de memória". A célula de memória é a unidade básica para o armazenamento de um conjunto de bits de informação em um sistema de memória. As memórias do tipo semicondutoras (eletrônicas), juntamente com a gravação em massa nas mídias óticas, magnéticas, ou eletrônicas; são os métodos mais largamente usados para o armazenamento de informação digital, substituindo fitas e discos magnéticos, utilizados antigamente em substituição aos núcleos de ferrite. Os dispositivos utilizados para construir memórias semicondutoras são usualmente flipflops, projetados com transistores bipolares, MOS, ou outra tecnologia mais moderna. As memórias podem ser voláteis e não voláteis, sendo que o CLP utiliza ambos os tipos, incluindose em alguns equipamentos um sistema de fornecimento de energia emergencial via baterias, para manter os dados armazenados em memórias voláteis. A classificação, de acordo com o desenvolvimento destes circuitos, é feita ainda na seguinte ordem: ROM, RAM, PROM, EPROM, EEPROM e Flash. Como os processadores manipulam mais de um bit de cada vez, a célula de memória é organizada de acordo com o número de bits que o processador pode acessar: nibble, byte, word, UTFPR Cornélio Procópio 6

7 double word; e a quantidade total de grupos irá depender da capacidade máxima de endereçamento disponível em cada processador. O mapa de memória em um CLP varia de acordo com o fabricante e entre modelos diferentes de um mesmo fabricante, sendo possível generalizar como: Tabela 1 Mapa de memória geral de um CLP. PROGRAMA EXECUTIVO AREA DE TRABALHO (EXECUTIVO) TABELA DAS ENTRADAS / SAÍDAS AREA DE TRABALHO (PROGRAMA APLICAÇÃO) PROGRAMA DE APLICAÇÃO (USUÁRIO) A área referente ao executivo deve ser do tipo não volátil e, juntamente com sua área de trabalho (dedicada ao armazenamento temporário de dados) constituem-se ambas em uma região transparente ao usuário do CLP e normalmente inacessíveis por serem exclusivas do fabricante do equipamento. Na área dedicada das entradas e saídas que se encontram as informações referentes ao estado nos quais se encontram cada um dos dispositivos periféricos. As áreas restantes: programa e dados da aplicação; contém as linhas de código referentes ao controle do processo e os dados, constantes, ou variáveis, necessários ao mesmo Sistema de entrada e saída O sistema de entradas e saídas realiza a conexão física entre a CPU e os dispositivos restantes do sistema em que está inserido o CLP através de circuitos de interfaceamento. Estes circuitos possuem alguns padrões pré-definidos dados por dois grupos distintos: os de caráter discretos (ou de um único bit de informação) e de caráter numéricos (multi-bits ou analógicos). A) Entradas e saídas discretas Interface em que a informação consiste em um estado binário da variável de controle (ligado ou desligado, por exemplo): Tabela 2 Exemplos de dispositivos de entradas e saídas discretas. Dispositivos de Entrada Dispositivos de Saída - chaves seletoras - alarmes (lâmpadas, buzinas,...) - push buttons (botoeiras) - válvulas (pneumáticas, acionamento elétrico,...) - chaves fim de curso - relés de controle UTFPR Cornélio Procópio 7

8 - sensores fotoelétricos - partida de motores - sensores de proximidade - solenóides (relés, contatores, atuadores,...),... - chaves sensores de nível - contatos de partida - contatos de relés,... Cada um destes dispositivos é acionado por fontes de alimentação distintas, normalmente de magnitude ou natureza diferentes, disponíveis em vários níveis de tensão CA ou CC: 12/24 Vcc, 110/220 Vca, por nível TTL, isoladas, sem tensão (por contatos abre/fecha),... A seguir são ilustrados diagramas de exemplos típicos de interfaces de entrada/saída do tipo discreto: Figura 6 Diagrama de exemplo de interface de entrada para sinais CA. Figura 7 Diagrama esquemático exemplo de interface de saída para sinais CA. Figura 8 - Diagrama esquemático exemplo de interface de saída para sinais CC. UTFPR Cornélio Procópio 8

9 B) Entradas e saídas numéricas Com a funcionalidade do processamento aritmético e de manipulação de dados, disponíveis nos microprocessadores, novas características de controle foram adicionadas aos CLPs em relação aos antigos diagramas de relés, como a capacidade de controlar grandezas da forma analógica ou oriundas de conversões analógico para digital (ADC). Em relação às entradas/saídas discretas, mais de um bit deverá ser manipulado pelas entradas e saídas analógicas, seja paralelamente ou serialmente, para controle da grandeza física do processo em questão. Tabela 3 Exemplos de dispositivos de entradas e saídas analógicas e multi-bits. Entradas Analógicas Saídas Analógicas - transdutores de temperatura - válvulas analógicas - transdutores de pressão - atuadores analógicos - transdutores óticos - mostradores gráficos - transdutores de umidade - acionamentos eletrônicos de motores - transdutores de temperatura - medidores analógicos - transdutores de vazão - potenciômetros - L.V.D.T - conversores D/A,... Entradas Multi-bits Saídas Multi-bits - chave Thumbwhell - display de 7 segmentos - leitor de código de barras - display inteligente - encoder Como as entradas/saídas discretas, as de formato analógico também possuem padrões pré-definidos como: 0 a 20 ma; 0 a +1 Vcc; 0 a +5 Vcc; 0 a + 10 Vcc; +1 a +5 Vcc; -5 a +5 Vcc;... A seguir são exibidos exemplos de diagramas esquemáticos de interfaces de entrada/saída do tipo numérico: UTFPR Cornélio Procópio 9

10 Figura 9 Diagrama em blocos de exemplo de entrada/saída de sinais analógicos. Figura 10 - Exemplo em diagrama de blocos da entrada com chave Thumbwheel e saída para display de 7 segmentos. Figura 11 Exemplo de interface de entrada para encoder. UTFPR Cornélio Procópio 10