LICOP - Laboratório de Instrumentação e Controle de Processos SENAI / CETEL Centro de Eletroeletrônica César Rodrigues

Transcrição

1 Automação Automação é o conjunto de técnicas através das quais se constroem sistemas ativos capazes de atuarem com uma eficiência ótima, pelo uso de informações recebidas do meio sobre o qual atuam. Leitura de Informação Processamento Atuação no Processo

2 Por que automatizar? Aumento da produtividade (produção x tempo) Aumento da qualidade do produto Redução dos custos em manutenção Aumento do poder de decisão Redução das perdas e retrabalhos Minimização de consumo de energia e matérias-primas Economia de mão de obra Aumento de segurança de pessoal e da planta Aumento da flexibilidade do sistema para modificações e expansões Redução de Estoque

3 Histórico dos CLPs Especificação feita pela GM que refletia o pensamento de vários usuários de comandos a relé.

4 tempos dilatados para o projeto e implementação; falta de flexibilidade e expansibilidade ; grandes tempos de parada de máquina por dificuldades de manutenção ; grandes espaços físicos para a instalação dos painéis com os elementos de controle.

5 Especificação Técnica GM para sistemas de controle industriais simplicidade de programação e reprogramação facilidade de manutenção e expansão maior confiabilidade operacional dimensões reduzidas capacidade de envio de informações para um sistema central baixo custo capacidade de excitar diretamente cargas como válvulas solenóides e pequenos motores

6 O CLP foi idealizado pela necessidade de poder se alterar uma linha de montagem sem que tenha de fazer grandes modificações mecânicas e elétricas. O CLP nasceu praticamente dentro da industria automobilística, especificamente na Hydronic Division da General Motors, em 1968, sob o comando do engenheiro Richard Morley e seguindo uma especificação que refletia as necessidades de muitas indústrias manufatureiras. A idéia inicial do CLP foi de um equipamento com as seguintes características resumidas:

7 1. Facilidade de programação; 2. Facilidade de manutenção com conceito plug-in; 3. Alta confiabilidade; 4. Dimensões menores que painéis de Relês, para redução de custos; 5. Envio de dados para processamento centralizado; 6. Preço competitivo; 7. Expansão em módulos; 8. Mínimo de 4000 palavras na memória.

8 Podemos didaticamente dividir os CLP's historicamente de acordo com o sistema de programação por ele utilizado:

9 1ª Geração: Os CLP's de primeira geração se caracterizam pela programação intimamente ligada ao hardware do equipamento. A linguagem utilizada era o Assembly que variava de acordo com o processador utilizado no projeto do CLP, ou seja, para poder programar era necessário conhecer a eletrônica do projeto do CLP. Assim a tarefa de programação era desenvolvida por uma equipe técnica altamente qualificada, gravando-se o programa em memória EPROM, sendo realizada normalmente no laboratório junto com a construção do CLP.

10 2ª Geração: Aparecem as primeiras Linguagens de Programação não tão dependentes do hardware do equipamento, possíveis pela inclusão de um Programa Monitor no CLP, o qual converte (no jargão técnico, compila ), as instruções do programa, verifica o estado das entradas, compara com as instruções do programa do usuário e altera o estados das saídas. Os Terminais de Programação (ou maletas, como eram conhecidas) eram na verdade Programadores de Memória EPROM. As memórias depois de programadas eram colocadas no CLP para que o programa do usuário fosse executado.

11 3ª Geração: Os CLP's passam a ter uma Entrada de Programação, onde um Teclado ou Programador Portátil é conectado, podendo alterar, apagar, gravar o programa do usuário, além de realizar testes (Debug) no equipamento e no programa. A estrutura física também sofre alterações sendo a tendência para os Sistemas Modulares com Bastidores ou Racks.

12 4ª Geração: Com a popularização e a diminuição dos preços dos microcomputadores (normalmente clones do IBM PC), os CLP's passaram a incluir uma entrada para a comunicação serial. Com o auxílio dos microcomputadores a tarefa de programação passou a ser realizada nestes. As vantagens eram a utilização de várias representações das linguagens, possibilidade de simulações e testes, treinamento e ajuda por parte do software de programação, possibilidade de armazenamento de vários programas no micro, etc.

13 5ª Geração: Atualmente existe uma preocupação em padronizar protocolos de comunicação para os CLP's, de modo a proporcionar que o equipamento de um fabricante converse com o equipamento outro fabricante, não só CLP's, como Controladores de Processos, Sistemas Supervisórios, Redes Internas de Comunicação e etc., proporcionando uma integração a fim de facilitar a automação, gerenciamento e desenvolvimento de plantas industriais mais flexíveis e normalizadas, fruto da chamada Globalização. Existem Fundações Mundiais para o estabelecimento de normas e protocolos de comunicação. A grande dificuldade tem sido uma padronização por parte dos fabricantes.

14 Aplicações para CLPs Indústria de alimentos - dosagem, mistura, embalagem,etc; Indústria de plástico - injeção, sopro, tratamento térmico, etc; Indústria siderúrgica - injeção, forja, fornos, acabamento de peças, controle de qualidade, pontes rolantes, etc; Indústria automobilística - montagem, teste, pintura, transporte de itens etc; Construção civil - elevadores, sistemas de climatização, ventilação, iluminação

15 CLP é um equipamento eletrônico digital, dedicado ao controle de máquinas e/ou processos em ambiente industrial, que recebe informações através de módulos de entrada, realiza com elas processamentos compostos de operações lógicas, aritméticas, de seqüenciamento, temporização e contagem, determinados pelo programa do usuário armazenado em memória, e envia resultados através de módulos de saída

16 Além de interagir com o sistema a ser controlado, o CLP pode também trocar informações com um operador, recebendo dele comandos, que poderão interferir no controle, e enviando para ele informações que lhe servirão para monitorar a evolução do sistema. Para realizar controle, o CLP deverá executar os seguintes procedimentos :

17 receber informações do sistema a ser controlado; processar essas informações com base em um conjunto de instruções, denominado programa, previamente armazenado em memória; enviar informações para atuar no sistema, de forma a fazê-lo aproximar do objetivo desejado.

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20 ESTRUTURA DO PLC TERMINAL DE PROGRAMAÇÃO FONTE DE ALIMENTAÇÃO CPU MEMÓRIA MÓDULO DE ENTRADA INTERFACE DE I/O MÓDULO DE SAÍDA

21 Fonte de alimentação A fonte de alimentação é um módulo cuja função é converter a tensão AC aplicada em sua entrada em níveis de tensão DC, necessários ao funcionamento dos demais elementos do CLP. Um barramento de alimentação conduz as diversas tensões de saída da fonte de alimentação a todos os módulos que façam parte arquitetura do CLP. Em alguns CLPs, a bateria que preserva as informações das memórias RAM da CPU fica acondicionada na fonte de alimentação.

22 Módulo CPU LICOP - Laboratório de Instrumentação e Controle de Processos O módulo CPU contém a inteligência do CLP. Ele é composto por elementos responsáveis por armazenar e executar os programas de aplicação dos usuários. Local do processador.

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24 Seletor de modo de operação STOP = Modo Stop; o programa não é executado. TERM = Execução do Programa, é possível escrita/leitura pelo PG. RUN = Execução do Programa, é possível somente leitura pelo PG LEDs de Status SF = Erro interno da CPU; vermelho RUN = Modo Run; verde STOP = Modo Stop; amarelo DP = I/O Distribuído (somente CPU 215)

25 Cartão de Memória Slot para cartão de memória. O cartão de memória salva o conteúdo do programa no caso de desergenização da CPU sem a necessidade de bateria. Interface PPI Nesta interface pode ser conectado o terminal de programação, equipamentos SIMATIC HMI (TDs / OPs), outra CPU, modems ou outros tipos de equipamentos.

26 MEMÓRIA Responsável pelo armazenamento do programa do usuário e dados do sistema. Existem 3 tipos básicos: RAM (Random Access Memory) Volátil EPROM (Erasable and Programmable) Não volátil, apagável com Ultra Violeta. EEPROM (Electrical Erasable and Programmable) Não volátil, apagável eletricamente.

27 Tipo de memória Descrição Observações RAM Dinâmica estática Memória de acesso randômico Volátil Gravada pelo usuário ROM Memória somente para leitura não volátil, não permite apagamento, gravada pelo fabricante PROM Memória programável somente de leitura não volátil, não permite apagamento, gravada pelo usuário EPROM Memória programável/ apagável somente de leitura não volátil, apagamento por ultra violeta, gravada pelo usuário. EEPROM E2PROM FLASH-EPROM Memória programável/ apagável somente de leitura não volátil, apagável eletricamente, gravada pelo usuário

28 TIPOS DE MEMÓRIA (no clp) MEMÓRIA EXECUTIVA É formadas por memórias do tipo ROM ou PROM, foi desenvolvida pelo fabricante do CLP não deverá ser alterada pelo usuário. Armazena o sistema operacional, o qual é responsável por todas as funções e operações que podem ser executadas pelo CLP.

29 MEMÓRIA DO SISTEMA É formadas por memórias do tipo RAM, pois terá seu conteúdo alterado constantemente pelo sistema operacional. Armazenar resultados e/ou informações intermediários, gerados pelo sistema operacional quando necessário.

30 MEMÓRIA STATUS DE I/O Memórias do tipo RAM. A CPU, após ter efetuado a leitura dos estados de todas as entradas, armazenará essas informações na área status das entradas. Após o processamento dessas informações os resultados lógicos serão armazenados na área status das saídas antes de serem enviados para as respectivas saídas.

31 MEMÓRIA DE DADOS Memórias do tipo RAM. Funções de temporização, contagem ou aritméticas necessitam de uma área de memória para armazenamento de dados, como: valores pré-selecionados ou acumulados de contagem ou temporização. Armazena dados referentes ao programa do usuário.

32 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, que se encontra gravado na memória executiva. Armazena o programa de controle desenvolvido pelo usuário.

33 Processador o processador é o cérebro do CLP e trabalha, tendo seu tempo dividido entre a execução do sistema operacional e o programa do usuário.

34 Módulos de entrada Os módulos de entradas digitais são aplicados para receber informações de dispositivos cuja operação se resume em apenas dois estados possíveis : ligado / desligado ou tem tensão (corrente) / não tem tensão (corrente). Alguns exemplos de dispositivos mais comuns conectados a módulos de entradas digitais : Contatos de chaves seletoras; Contatos de botões; Contatos auxilares de contatores e relés; Sensores de proximidade indutivos, capacitivos e fotoelétricos; Fins-de-curso; Chaves de nível.

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38 Os módulos de entradas analógicas são empregados para receber informações na forma de tensão ou corrente que variam dentro de um faixa de valores como 0 ~20 ma ou 0 ~ 5V, por exemplo. Alguns elementos sensores e transdutores que necessitam de módulos de entrada analógicas são : termopares; transdutores de pressão; sensores potenciométricos, etc;

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40 Módulos de saída Assim como ocorre como os módulos de entrada, os módulos de saída podem ser : digitais ou analógicos; tensão ou corrente; DC ou AC.

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43 Barramentos internos O barramento de entrada / saída é formado por um grupo de condutores na forma de trilhas de uma placa de circuito impresso ou veias de um flat cable, por onde fluem sinais de dados e controle relacionados aos módulos de entrada e saída do CLP.

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46 IHM - Interface Homem Máquina IHM é a denominação que se dá a todo equipamento externo ao CLP cuja função é permitir a interação do operador com o processador para troca de informações. Através da IHM o operador pode monitorar condições do sistema controlado ou nele interferir, indiretamente, através de comandos enviados para o processador.

47 Algumas operações que podem ser realizadas com IHMs: Monitorar uma determinada variável do processo; Ajustar um valor de tempo; Ler o número de peças produzidas em uma determinada linha de produção; Atuar manualmente ligando ou desligando elementos do sistema controlado;

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49 touch screen.

50 Outros módulos posicionamento; funções de controle em malha fechada; contadores rápidos; distribuição de funções de entrada / saída; distribuição de inteligência; etc.

51 Juntando as partes

52 Principio de funcionamento do PLC O programa é colocado na memória do PLC utilizando-se do software. O programa lógico é baseado na linguagem de programação utilizada. O conteúdo deste programa são instruções que controlam sua aplicação no momento em que o controlador é passado para o modo de operação (modo run). Um ciclo de operação é iniciado (ciclo de scan).

53 Ciclo de Scan Tempo requerido pelo processador para scanear e ler todas as entradas. Tempo requerido pelo processador para executar todas as instruções presentes no programa, este tempo depende das instruções utilizadas. Tempo requerido pelo processador pra scanear e escrever em todas as saídas. Parte do ciclo de operação em que a comunicação troca dados com outros dispositivos como o computador pessoal. Housekeeping é o tempo gasto com atualização de registros internos do controlador.

54 Configuração Centralizada

55 Configuração com I/O remoto ou distribuído

56 Rede de CLP s LICOP - Laboratório de Instrumentação e Controle de Processos

57 MEIOS FÍSICOS PARA COMUNICAÇÃO EM REDE Par trançado Cabo coaxial Fibra ótica Radiodifusão Etc. EXEMPLOS DE REDES Ethernet FieldBus / Profibus: ASI (Rede de Sensores e Atuadores)

58 Endereçamento de módulos de entrada / saída de CLPs Os módulos de um CLP são instalados lado a lado em racks, bastidores o trilhos A fonte de alimentação e o módulo de CPU possuem posições fixas, na maioria dos casos as duas mais à esquerda, sendo as demais ocupadas por módulos de entrada e/ou saída (E/S). Na maioria dos CLPs, módulos de E/S digitais não possuem posição definida, podendo ser instalados em qualquer uma que esteja livre. Esses módulos, geralmente, acomodam quatro, oito ou dezesseis pontos que devem ser referenciados individualmente no programa de aplicação e para tal devem possuir um endereço único e distinto.

59 O endereço de cada ponto de E/S digital é formado por uma letra que informa se o ponto é de entrada ou saída e uma seqüência numérica que informa a posição física do ponto a ser acessado. Os elementos que formam os endereços de pontos de E/S digitais dependem das convenções estabelecidas pelo fabricante do CLP, uma vez que ainda não existe nenhum tipo de padronização. O endereço de cada ponto de E/S é obtido da seguinte forma : a letra E identifica um ponto de entrada e a letra S identifica um ponto de saída; as letras E ou S são seguidas por um número que indica o número do byte; na seqüência temos um ponto e logo a seguir um outro número que se refere à posição do bit dentro do byte em questão.

60 Posição 0 E0.0 Posição 1 S4.0 Posição 2 S8.0 E0.7 E1.0 S4.7 S5.0 E1.7 E2.0 S5.7 S6.0 S8.7 S9.0 E2.7 E3.0 S6.7 S7.0 E3.7 S7.7 S9.7 Fonte de alimentação CPU Módulo de saída com 16 bits Módulo de saída com 32 bits Módulo de entrada com 32 bits

61 PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO DE CLPS D L C C

62 Módulo de entrada Módulo de saída + 24V L D E 1.0 E 1.1 CPU S 4.0 C o acionamento do botão L levará a entrada E 1.0 a estado lógico 1; o acionamento do botão D levará a entrada E 1.1 a estado lógico 0; o relé só será energizado quando a saída S 4.0 for levada a estado lógico 1. O passo seguinte é escrevermos um programa de aplicação que realize a mesma função da lógica implementada através do arranjo dos elementos no diagrama elétrico de comando original.

63 Existem algumas linguagens de programação de CLPs mas talvez a mais simples e preferida no meio industrial seja a linguagem de diagrama de contatos ou linguagem ladder, como é mais conhecida. Na linguagem ladder, o programa de aplicação é representado empregando-se símbolos similares àqueles utilizados em diagramas elétricos e, por esse motivo, a sua compreensão e assimilação é extremamente fácil por profissionais que já tenham experiência em equipamentos e sistemas industriais.

64 D L C E 1.0 E 1.1 S 4.0 ( ) S 4.0 C A programação é feita em um ambiente de desenvolvimento de aplicações fornecido pelo próprio fabricante do CLP. A próxima etapa é enviar o programa para a memória da CPU do CLP e colocá-la em modo de execução.

65 Ao executar um programa de aplicação a CPU realiza essencialmente três operações : varre todas as entradas digitais, armazenando seus estados na área de memória de sistema dedicada para imagem de entradas; varre seqüencialmente todo o programa, executando, com os estados imagem das entradas, as operações definidas no programa e atualiza os estados dos bits correspondentes às saídas, na área de memória de sistema dedicada para imagem de saídas; copia para as saídas, os estados presentes nos respectivos bits da área de memória relativa à imagem das mesmas. As três operações são realizadas ciclicamente e ininterruptamente controlando o sistema para o qual foi desenvolvida a aplicação. Cada ciclo formado pelas três operações é denominado scan.

66 Além do modo de execução, alguns outros modos de operação comuns para CPUs de CLPs são : inicialização; programação; inativo por falha; inativo por ausência de aplicação; ciclo a ciclo.

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73 Além do modo de execução, alguns outros modos de operação comuns para CPUs de CLPs são : inicialização; programação; inativo por falha; inativo por ausência de aplicação; ciclo a ciclo.

74 SOFTWARE Utilização de linguagem de alto nível, permitindo grande flexibilidade de programação quando da utilização de periféricos. Utilização de microcomputadores compatíveis como ferramentas de programação. Diagnósticos e detecção de falhas na monitoração de máquinas e processos. Representação do programa em diagramas de contato, diagrama de blocos funcionais e lista de instrução.

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81 Área de memória Siemens

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83 Classificação das áreas de memórias

84 Double Word 00 Word 00 Word 02 Byte 00 Byte 01 Byte 02 Byte 03 Double Word 04 Word 04 Word 06 Byte 04 Byte 05 Byte 06 Byte 07

85 VD 00 VW 00 VW 02 VB 0 VB 01 VB 02 VB 03 VD 04 VW 04 VW 06 VB 04 VB 05 VB 06 VB 07

86 Tipos de Áreas ( I ) Memória de entrada. ( Q ) Memória de Saída ( V ) Memória principal ( M ) Memória auxiliar ( S ) Memória de controle ( L ) Memória local ( T ) Área de memória para temporizador ( C ) Área de memória para contador ( AC ) Área de memória para acumulador ( HC ) Área de memória para contador de alta velocidade

87 Temporizador

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89 Interrupção: Associar um evento a uma interrupção Attach interrupção (anexar uma interrupção) Detach interrupção (desligar uma interrupção).

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92 INT: constante do tamanho de um byte que se refere ao nome da interrupção que se deseja chamar Retorno condicional de uma interrupção Habilita / desabilita interrupção