CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS COMANDOS NUMÉRICOS COMPUTADORIZADOS E CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS Engenharia Mecatrônica Disciplina: Contexto Social e Profissional da Eng. Mecatrônica 1º Período Professor: Renato de Sousa Dâmaso Divinópolis/MG 10 de setembro de 2012 Grupo 4: Geovanni Henrique Rosa do Carmo Ramon Henrique da Costa Júnior Raul Custódio da Silva Júnior 1
SUMÁRIO 1. Comandos Numéricos Computadorizados 1.1. Introdução...4 1.2. Histórico...5 1.3. Princípios de funcionamentos do CN...6 1.4. Comando Numérico Computadorizado (CNC)...8 1.5. Torno CNC...10 1.6. Fresadora CNC...11 1.7. Eficiência de uma máquina CNC...13 1.8. Programação de uma máquina CNC...14 1.9. Funções preparatórias G...14 1.10. Funções Miscelâneas ou Auxiliares...16 2. Controladores Lógicos Programáveis (CLP) 2.1. Introdução Conceitual Histórica...16 2.2. Controladores Lógicos Programáveis...18 2.3. Princípios de funcionamento...20 2.4. Utilização dos CLPs...22 2.5. Tipos de CLPs...23 2.6. Interfaces de entrada e saída...25 2.7. Módulos de entrada...26 2.8. Módulos de saída...28 2.9. Linguagens de programação...29 2.10. Conclusão...31 2.11. Referências bibliográficas...32 2
RESUMO Para poder competir em um mercado globalizado torna-se necessário o uso de ferramentas mais avançadas, que permitam executar tarefas complicadas ou repetitivas com mais facilidade. Para resolver esses problemas são empregados sistemas de controle e automação, tais como o CNC (Comando Numérico Computadorizado) e o CLP (Controlador Lógico Programável), visando melhorar a qualidade dos produtos e aumentar a produtividade. O seguinte trabalho trata dos CNCs e dos CLPs, apresentando suas características básicas e os princípios de funcionamento, além de suas aplicações, mostrando equipamentos que utilizam tais sistemas.. 3
Comandos Numéricos Computadorizados (C.N. C) Introdução No desenvolvimento histórico das máquinas operatrizes de usinagem, sempre se procurou soluções que permitissem aumentar a produtividade com qualidade superior e a minimização dos desgastes físicos na operação das máquinas. Muitas soluções surgiram, mas, até recentemente, nenhuma oferecia a flexibilidade necessária para o uso de uma mesma máquina na usinagem de peças com configurações diferentes e em lotes reduzidos. Um exemplo desta situação é o caso da fresadora e do torno. A evolução da fresadora universal levou à criação da ferramenteira, da copiadora automática, com programação elétrica ou hidráulica. A evolução do torno universal levou à criação do torno revólver, do torno copiador e do torno automático, com programação elétrica ou mecânica, com emprego de cames. Em paralelo ao desenvolvimento da máquina, visando o aumento dos recursos produtivos, outros fatores colaboraram com sua evolução, que foi o desenvolvimento das ferramentas, desde as de aço carbono, aço rápido, metal duro, às modernas ferramentas com insertos de cerâmica. As condições de corte impostas pelas novas ferramentas exigiram das máquinas novos conceitos de projetos, que permitissem a usinagem com rapidez e flexibilidade. Então, com a descoberta e, conseqüente aplicação do comando numérico à máquina operatriz de usinagem, esta preencheu as lacunas existentes nos sistemas de trabalho com peças complexas, reunindo as características de várias destas máquinas. 4
Histórico Em 1950, já se dizia em voz corrente, que a cibernética revolucionaria completamente as máquinas operatrizes de usinagem, mas não se sabia exatamente como. Houve tendências iniciais de aplicar o computador para comando de máquinas, o que de certa forma, retardou o aparecimento do CN. Somente quando este caminho foi abandonado por ordem econômica principalmente, abriu-se caminho para a pesquisa e o desenvolvimento do que seria o Comando Numérico. No conceito de Comando Numérico, devemos entender Numérico, com significado por meio ou através de números. Este conceito surgiu e tomou corpo inicialmente nos anos de 1949/50, nos Estados Unidos, desenvolveu-se um projeto específico que tratava do desenvolvimento de um sistema aplicável às máquinas-ferramenta para controlar a posição de seus fusos, de acordo com os dados fornecidos por um computador, idéia, contudo basicamente simples. Entre 1955 e 1957, a Força Aérea Norte-Americana utilizou suas primeiras máquinas CN, cujas ideias foram apresentadas pela Parson Corporation. Nesta mesma época, várias empresas pesquisavam isoladamente o CN e sua aplicação. O MIT (Massachussets Institute of Tecnology), também participou das pesquisas e apresentou um comando com entrada de dados através de fitas ou cartões perfurados, cuja aplicação ainda não era significativa, devido ao tempo e esforço necessários para editar programas em fitas. Figura 1. Cartão perfurado criado pelo MI 5
Na década de 60, foram desenvolvidos novos sistemas, máquinas foram especialmente projetadas para receberem o CN e aumentou muito a aplicação no campo da metalurgia. Este desenvolvimento chega à nossos dias trazendo os quesitos de confiabilidade, experiência e viabilidade econômica. Mas a história não termina aí. Com o tempo, abriram-se novas perspectivas de desenvolvimento, que deixaram de envolver somente máquinas operatrizes de usinagem, entrando em novas áreas. O desenvolvimento da eletrônica aliado ao grande progresso da tecnologia mecânica garantiram estas perspectivas de crescimento [1]. Resumo Histórico do CN 1940 Mark I: primeiro computador construído pela universidade de HARVARD e pela IBM. 1949 Contrato da PARSON com a USAF para se fabricarem máquinas com CN. 1952 Demonstração da viabilidade técnica com protótipo funcionando pelo MIT. 1953 Desenvolvimento do sistema de programação pelo MIT. 1956 Desenvolvimento das bases para a linguagem APT, de programação para CN através do computador pelo MIT. 1957 Início da comercialização do CN. 1957 ATA desenvolve a linguagem APT para os computadores IBM. 1959 Primeira máquina com trocador automático de ferramentas IBM ENDICOTT. 1961 A EIA publica as normas RS 244. 1962 A BENDIX desenvolve o comando adaptativo. 1967 Primeiras aplicações do CN pela ROMI, com comando SLO SYN. 1977 Comandos Numéricos com CNC usando a tecnologia dos microprocessadores. 1980 Sistemas flexíveis de fabricação são aplicados em larga escala. 6
Comando Numérico Como definição, pode-se dizer que o comando numérico é um equipamento eletrônico capaz de receber informações através de entrada própria de dados, compilar estas informações e transmiti-las em forma de comando à máquina operatriz de modo que esta, sem a intervenção do operador, realize as operações programadas [5]. O comando numérico pode ser utilizado em qualquer tipo de máquinaferramenta. Tem aplicação nas máquinas de maior versatilidade de operações de usinagem, como tornos, fresadoras, mandriladoras e centros de usinagem. Princípio Básico de Funcionamento do Comando Numérico Figura 2. Princípio básico do Comando Numérico COMANDO: Recebe as informações através de fita papel, fita magnética, introdução manual de dados (MDI), disquete, etc. 7
CONVERSOR: Traduz (converte) os impulsos eletrônicos emitidos pelo comando em impulsos elétricos, proporcionando energia ao motor principal. TACÔMETRO: Instrumento de medição responsável pela fiscalização dos valores de avanço e velocidade informa ao conversor ou ao servo drive da necessidade ou não de realimentação. SERVO MOTOR: Motor de construção especial adequada para trabalhar com alto torque e baixa velocidade, responsável pelo movimento de rotação dos fusos. SERVO DRIVE: Converte os sinais eletrônicos recebidos do comando em energia aos servos motores. ENCODER: Transdutores responsáveis pelas medições micrométricas do posicionamento nos eixos, ou do posicionamento angular no eixo árvore, ou ainda da velocidade. Ele informa ao comando os dados mencionados [5]. Comando Numérico Computadorizado (CNC) O Comando Numérico Computadorizado (CNC) é um equipamento eletrônico que se baseia no Comando Numérico (CN) e é utilizado principalmente no controle de máquinas-ferramenta no processo de manufatura de peças. Permite o controle simultâneo de vários eixos, através de uma lista de movimentos escrita num código específico (código G). Em termos simples, o objetivo de uma máquina com CNC é fazer com que as ferramentas de corte ou usinagem sigam, automaticamente, uma trajetória pré-programada através de instruções codificadas, como a velocidade da trajetória e a rotação da ferramenta. 8
Vantagens do CNC A introdução do CNC na indústria mudou radicalmente os processos industriais. Curvas são facilmente cortadas, complexas estruturas com três dimensões tornam-se relativamente fáceis de produzir e o número de passos no processo com intervenção de operadores humanos é drasticamente reduzido. O CNC reduziu também o número de erros humanos (o que aumenta a qualidade dos produtos e diminui o trabalho e o desperdício), agilizou as linhas de montagens e tornou-as mais flexíveis, pois a mesma linha de montagem pode agora ser adaptada para produzir outro produto num tempo muito mais curto do que com os processos tradicionais de produção. Acompanhando o desenvolvimento tecnológico da informática e a tendência por uma interatividade cada vez maior com o usuário, o código e a linguagem de máquina também evoluíram. Hardware Basicamente, o hardware que compõe o CNC é composto de microcomputadores (16 e 32 bit) e circuitos integrados (CI's). Alguns controles incorporam circuitos integrados projetados para solucionar problemas de clientes específicos. Funções individuais dentro do controlador têm usualmente suas próprias placas, que são instaladas em "slots" na placa mãe. Dentro do hardware das unidades de controle, também se destacam os módulos de memória eletrônica. Pode-se citar alguns tipos de módulos de memória empregados, como: ROM e EPROM - são utilizadas para armazenar partes inalteráveis do sistema de operação do CNC, como ciclos fixos; EEPROM's - armazenam dados que são gerados no momento de instalação do sistema operacional do CNC, tais como parâmetros específicos da máquina. RAM - armazenam os programas e dados de correção, sendo sua capacidade expansível. 9
Principais Máquinas que utilizam o CNC O Comando Numérico pode ser utilizado em diversas máquinasferramenta, tais como mandriladoras, mesas de corte (oxicorte, plasma, laser, água, etc) e mesas de soldagem, mas as mais comuns são o torno e a fresadora. Torno CNC Torno CNC é basicamente um torno automatizado, construído inicialmente para produção de peças de revolução ou cilíndricas, que vem dotado de duas bases às quais são chamadas de barramentos, sobre as quais correm dois eixos sendo um o eixo X (eixo que determina o diâmetro da peça) e outro o eixo Z (eixo que determina o comprimento da peça), a fixação da peça é feita por castanhas fixadas em uma placa que vem aclopada ao eixo central da máquina o qual é chamado de eixo árvore, mas também pode-se usar um ponto que normalmente fica no barramento do eixo Z na posição contrária à placa e à luneta, que fica entre a placa e o ponto que é geralmente usado para fixar peças longas. Principais componentes de um torno CNC 10
Figura 3. Torno CNC ROMI 01- Motor principal 07- Barramento 02- Transmissões do eixo- árvore 08- Cabine de proteção 03- Cabeçote 09- Cabeçote móvel 04- Interface Homem Máquina(IHM) 10-Acionamento do carro 05-Placa porta-ferramentas 06- Carro porta-ferramentas 11- Estrutura ou base Fresadora CNC É uma máquina versátil, chamada assim porque permite que sejam efetuados diversos tipos de trabalhos diferentes. Essa versatilidade deve-se a seus acessórios especiais: cabeçote universal, eixo porta-fresas, cabeçote divisor e contraponta, mesa circular, aparelho contornador e mesa inclinável. A peça pode ser deslocada em qualquer eixo, x, y e z, e ainda pode sofrer rotações nos sentido horário e anti-horário simultaneamente aos movimentos tridimensionais. Este poder de mobilidade confere à peça qualquer formato que se desejar. Figura 4. Fresadora CNC 11
Eixos Coordenados Eixo é o nome que se dá a qualquer direção na qual é verificado um movimento da mesa ou do carro, este movimento pode ser tanto de translação como de rotação. Os principais eixos ortogonais dispostos na máquina de forma normalizada, que servem para direcionar os movimentos da mesa e/ou ferramentas, são denominados X, Y e Z. Nos tornos CNC são utilizados somente dois destes eixos ortogonais, o X e o Z. Já nas fresas necessitamos dos três, ou seja, X, Y e Z. Figura 5. Eixos de um torno CNC Figura 6. Eixos de um Fresa CNC 12
Eficiência de uma máquina CNC Um dos principais fatores que contribuem para a eficiência de máquinas CNC é sem dúvida nenhuma os fusos de esferas circulantes. Estes são sistemas de acionamento de alta eficiência, no qual a esfera realiza um movimento helicoidal entre o eixo do fuso e a castanha com baixo atrito. Comparado com fuso trapezoidal ou rosca quadrada convencional, esse produto necessita de um terço do torque de transmissão necessário, tornandoo mais adequado para economizar a energia de acionamento. O fuso de esferas recirculantes é responsável pela conversão de energia de rotação (gerada por um motor AC, motor de passo, servomotor, etc.) em movimentação linear. Na aplicação mais comum, um fuso mancalizado nas extremidades recebe movimento de giro de um motor e, por contato direto com esferas de aço que se alojam entre a castanha e o fuso, provoca o deslocamento de uma castanha ou porca (onde está presa a carga a ser movimentada). As esferas metálicas são, por sua vez, guiadas e realimentadas por canais de recirculação na castanha ou porca, dando linearidade e suavidade ao movimento. Figura 7. Tipos de recirculação de esferas (NSK) 13
Figura 8. Fusos de esferas recirculantes (NSK) Programação de uma máquina CNC Com o surgimento do controle numérico foi necessário se desenvolver uma linguagem entendível pelos controles das máquinas e estas deveriam ser padronizadas para que minimizassem o efeito "Torre de Babel" tão comum em tecnologias emergentes, deste modo a EIA Standards, (Associação das indústrias elétricas dos EUA) e posteriormente e mais em nível mundial a ISO (International Organization for Standardization). Adotaram algumas prerrogativas, uma delas a distinção entre código G (general ou preparatory) e código M (miscelaneous). Funções Preparatórias G São funções que definem ao comando e à máquina o que fazer, preparando-a para uma determinada operação (deslocamento linear, circular, etc.). As funções preparatórias descrevem o tipo de movimento do carro, tipo de interpolação, tipo de mediação, a influência temporal e ativam determinados estados de operação do comando. 14
Resumo das Funções Preparatórias G00 Interpolação linear com velocidade rápida G01 Interpolação linear com velocidade programada G02 Interpolação circular no sentido horário G03 Interpolação circular no sentido anti-horário G04 Tempo de espera em segundos dados em X G33 Corte de rosca passo constante G34 Corte de rosca corte crescente G35 Corte de rosca passo decrescente G40 Cancela correção do raio de corte da ferramenta G41 Seleciona correção de raio de corte à esquerda da peça G42 Seleciona correção de raio de corte à direita da peça G53 Deslocamento com relação ao zero máquina G54 Seleciona deslocamento de zero número 1 G55 Seleciona deslocamento de zero número 2 G56 Seleciona deslocamento de zero número 3 G57 Seleciona deslocamento de zero número 4 G58 Ativa o quinto deslocamento de ponto zero G59 Ativa o sexto deslocamento de ponto zero G60 Diminuição da velocidade no final da linha G63 Corte de rosca com mandril de compensação G64 Parada sem precisão G70 Seleciona medidas em polegada G71 Seleciona medidas em milímetros G90 Seleciona medidas em absoluto G91 Seleciona medidas em incremental G94 Seleciona velocidade de avanço em mm/min G95 Seleciona velocidade de avanço em mm/rotação 15
Funções Miscelâneas ou Auxiliares - M As funções auxiliares abrangem os recursos da máquina não cobertos pelas funções preparatórias. Estas funções têm formato M2 e apenas o código M pode ser programado em cada bloco. M00 Parada de programa M01 Parada opcional de programa M02 Fim de programa M03 Sentido horário de rotação do eixo-árvore M04 Sentido anti-horário de rotação do eixo-árvore M05 Desliga o eixo-árvore M08 Liga óleo refrigerante M09 Desliga óleo refrigerante M17 Fim de sub-programa M30 Fim de programa principal Controladores Lógicos Programáveis (CLP) Introdução Conceitual Histórica Os primeiros sistemas de controle foram desenvolvidos durante a Revolução Industrial, no final do século XIX. As funções de controle eram implementadas por engenhosos dispositivos mecânicos, os quais automatizavam algumas tarefas críticas e repetitivas das linhas de montagem da época. Estes dispositivos precisavam ser desenvolvidos para cada tarefa e devido à natureza mecânica, eles tinham uma pequena vida útil. Na década de 1920, os dispositivos mecânicos foram substituídos por relés e contatores. A lógica a relés viabilizou o desenvolvimento de funções de controle mais complexas e sofisticadas. O desenvolvimento da tecnologia de circuitos integrados (CIs) possibilitou uma nova geração de sistemas de controle. Em comparação com os relés, os CIs baseados nas tecnologias TTL ou CMOS são muito menores e mais 16
rápidos e possuem uma vida útil muito maior. Em muitos sistemas de controle, que utilizam relés e CIs, a lógica de controle, ou algoritmo, é definida permanentemente pela interligação elétrica. Sistemas com lógica definida pela interligação elétrica são fáceis de implementar, mas o trabalho de alterar o seu comportamento ou sua lógica é muito difícil e demorado. O Programmable Logic Controller (PLC) ou Controlador Lógico Programável (CLP) foi desenvolvido a partir de uma demanda existente na indústria automobilística norte-americana [2]. Suas primeiras aplicações foram na Hydronic Division da General Motors, em 1968, devido à grande dificuldade de mudar a lógica de controle de painéis de comando a cada mudança na linha de montagem. Tais mudanças implicavam em altos gastos de tempo e de dinheiro. Sob a liderança do engenheiro Richard Morley, foi elaborada uma especificação que refletia as necessidades de muitos usuários de circuitos a relés, não só da indústria automobilística, como de toda a indústria manufatureira. Para aplicação industrial era necessário um controlador com as seguintes características: Facilidade de programação e reprogramação, preferivelmente na planta, para ser possível alterar a sequência de operações na linha de montagem; Possibilidade de manutenção e reparo com blocos de entrada e saída modulares; Confiabilidade para que possa ser utilizado em um ambiente industrial; Redução de tamanho em comparação ao sistema tradicional que utilizava relés; Ser competitivo em custo com relação a painéis de relés e eletrônicos equivalentes; Possibilitar entradas em 115V e saídas com 115V e com capacidade mínima de 2A para operar com válvulas solenoides e contatores; Possibilitar expansões sem grandes alterações no sistema; Memória programável com no mínimo 4 KBytes e possibilidade de expansão; Estações de operação com interface mais agradável; 17
Possibilidade de integração dos dados de processo do CLP em bancos de dados gerenciais, para tornar disponíveis informações sobre o chão de fábrica para os departamentos envolvidos com o planejamento da produção [2]. Controladores Lógicos Programáveis (CLP) Um Controlador Lógico Programável é definido pelo IEC (International Electrotechnical Commission) como: Sistema eletrônico operando digitalmente, projetado para uso em um ambiente industrial, que usa uma memória programável para a armazenagem interna de instruções orientadas pelo usuário para implementar funções específicas, tais como lógica sequencial, temporização, contagem e aritmética, para controlar, através de entradas e saídas digitais ou analógicas, vários tipos de máquinas ou processos. O controlador lógico programável e seus periféricos associados são projetados para serem facilmente integráveis em um sistema de controle industrial e facilmente usados em todas suas funções previstas. De acordo com a definição da NEMA (National Electrical Manufactures Association), é: Um equipamento eletrônico que funciona digitalmente e que utiliza uma memória programável para o armazenamento interno de instruções para implementar funções específicas, tais como lógica, sequenciamento, registro e controle de tempos, contadores e operações aritméticas para controlar, através de módulos de entrada/saída digitais (LIGA/DESLIGA) ou analógicos (1-5 Vcc, 4-20 ma etc), vários tipos de máquinas ou processos. Podemos didaticamente dividir os CLPs historicamente de acordo com o sistema de programação por ele utilizado: 1ª Geração: Os CLPs 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 18
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. 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 estado das saídas. Os Terminais de Programação (ou maletas, como eram conhecidas) eram na verdade Programadores de Memória EPROM. As memórias depois de programadas eram colocadas no CLP para que o programa do usuário fosse executado. 3ª Geração: Os CLPs passam a ter uma Entrada de Programação, onde um Teclado ou Programador Portátil é conectado, podendo alterar, apagar, gravar o programa do usuário, além de realizar testes (Debug) no equipamento e no programa. A estrutura física também sofre alterações sendo a tendência para os Sistemas Modulares com Bastidores ou Racks. 4ª Geração: Com a popularização e a diminuição dos preços dos microcomputadores (normalmente clones do IBM PC), os CLPs passaram a incluir uma entrada para a comunicação serial. Com o auxílio dos microcomputadores a tarefa de programação passou a ser realizada nestes. As vantagens eram a utilização de várias representações das linguagens, possibilidade de simulações e testes, treinamento e ajuda por parte do software de programação, possibilidade de armazenamento de vários programas no micro, etc. 5ª Geração: Atualmente existe uma preocupação em padronizar protocolos de comunicação para os CLPs, de modo a proporcionar que o equipamento de um fabricante converse com o equipamento de outro fabricante, não só CLPs, 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, 19
fruto da chamada Globalização. Existem Fundações Mundiais para o estabelecimento de normas e protocolos de comunicação [4]. A grande dificuldade tem sido uma padronização por parte dos fabricantes. Princípios de funcionamento Para melhor compreensão do que seja um CLP e do seu princípio de funcionamento, são apresentados, em seguida, alguns conceitos associados, os quais são de fundamental importância que sejam assimilados. Variáveis de entrada: são sinais externos recebidos pelo CLP, os quais podem ser oriundos de fontes pertencentes ao processo controlado ou de comandos gerados pelo operador. Tais sinais são gerados por dispositivos como sensores diversos, chaves ou botoeiras, dentre outros. Variáveis de saída: são os dispositivos controlados por cada ponto de saída do CLP. Tais pontos podem servir para intervenção direta no processo controlado por acionamento próprio, ou também para sinalização de estado em painel sinótico, podem ser citados como exemplos de variáveis de saída os contactores, válvulas, lâmpadas, displays, dentre outros. Programa: sequência específica de instruções selecionadas de um conjunto de opções oferecidas pelo CLP em uso e, que irão efetuar as ações de controle desejadas, ativando ou não as memórias internas e os pontos de saída do CLP a partir da monitoração do estado das mesmas memórias internas e/ou dos pontos de entrada do CLP [6]. Os principais blocos que compõem um CLP são: CPU (Central Processing Unit Unidade Central de Processamento): é o cérebro que controla todas as ações de um CLP, compreende o processador (microprocessador, microcontrolador ou processador dedicado), o sistema de memória (ROM e RAM) e os circuitos auxiliares de controle; Módulos de Entrada (Input Modules): recebem os sinais dos dispositivos de entrada, tais como: sensores, chaves e transdutores, e os convertem em níveis adequados para serem processados pela CPU; Módulos de Saída (Output Modules): enviam os sinais aos dispositivos de saída, tais como: motores, atuadores e sinalizadores. Esses sinais 20
podem ser resultantes da lógica de controle, pela execução do Programa de Aplicação, ou podem ser forçados pelo usuário, independente da lógica de controle. Fonte de Alimentação: responsável pela tensão de alimentação fornecida à CPU e aos Circuitos/Módulos de I/O. Em alguns casos, proporciona saída auxiliar (baixa corrente); Base ou Rack: proporciona conexão mecânica e elétrica entre a CPU, os Módulos de I/O e a Fonte de Alimentação. Contém o barramento de comunicação entre eles, no qual os sinais de dados, endereço, controle e tensão de alimentação estão presentes; Pode ainda ser composto por Circuitos/Módulos Especiais: contador rápido (5kHz, 10kHz, 100kHz, ou mais), interrupção por hardware, controlador de temperatura, controlador PID, co-processadores (transmissão via rádio, posicionamento de eixos, programação BASIC, sintetizador de voz, entre outros) e comunicação em rede, por exemplo[3]. A CPU segue padrões similares ás arquiteturas dos computadores digitais, os quais são compostos basicamente por um processador, um banco de memória (tanto pra dados como para programas) e um barramento para 21
interligação (controle, endereçamento de memória e fluxo de dados) dos elementos do sistema. O princípio fundamental de funcionamento de CLP é a execução por parte da CPU de um programa, conhecido como executivo e de responsabilidade do fabricante, que realiza ciclicamente as ações de leitura das entradas, execução do programa de controle do usuário e atualização das saídas. O tempo total para execução dessas tarefas, chamado ciclo de varredura ou scanning, depende dentre outros fatores, da velocidade e características do processador utilizado, do tamanho do programa de controle do usuário, além da quantidade e tipo de pontos de entrada/saída. Como regra geral, tal tempo se encontra na faixa média de milissegundos (até microssegundos nos CLPs de última geração). Em algumas situações críticas de controle, em que o processo não pode esperar todo o tempo de execução do ciclo de varredura, pois deve executar uma rotina imediatamente, ou ainda quando o sinal de entrada é emitido por um tempo inferior ao mesmo ciclo, há casos em que o CLP tem a capacidade de interromper a execução do ciclo de varredura para, prioritariamente, atender a essa situação. Entretanto, apesar de não ser regra geral, a compreensão do ciclo de varredura é suficiente para conhecer seu princípio básico de funcionamento. Utilização dos CLPs Toda planta industrial necessita de algum tipo de controlador para garantir uma operação segura e economicamente viável. Desde o nível mais simples, em que pode ser utilizado para controlar o motor elétrico de um ventilador para regular a temperatura de uma sala, até um grau de complexidade elevado, controlando a planta de um reator nuclear para produção de energia elétrica. Embora existam tamanhos e complexidades diferentes, todos os sistemas de controle podem ser divididos em três partes com funções bem definidas: os transdutores (sensores), os controladores e os atuadores. Sensores/transdutores: transdutor é um dispositivo que converte uma condição física do elemento sensor em um sinal elétrico para ser utilizado pelo CLP através da conexão às entradas do CLP. Um exemplo 22
típico é um botão de pressão momentânea, em que um sinal elétrico é enviado do botão de pressão ao CLP, indicando sua condição atual (pressionado OU liberado). Atuadores: sua função é converter o sinal elétrico oriundo do CLP em uma condição física, normalmente ligando ou desligando algum elemento. Os atuadores são conectados às saídas do CLP. Um exemplo típico é fazer o controle do acionamento de um motor através do CLP. Neste caso a saída do CLP vai ligar ou desligar a bobina do contator que o comanda. Controladores: de acordo com os estados das suas entradas, o controlador utiliza um programa de controle para calcular os estados das suas saídas. Os sinais elétricos das saídas são convertidos no processo através dos atuadores. Muitos atuadores geram movimentos, tais como válvulas, motores, bombas; outros utilizam energia elétrica ou pneumática. O operador pode interagir como controlador por meio dos parâmetros de controle. Alguns controladores podem mostrar o estado do processo em uma tela ou em um display. O controlador monitora o status do processo em tempo real de uma planta através de um número definido de transdutores, que convertem as grandezas físicas em sinais elétricos, os quais são conectados com as entradas dos CLPs. As atuais funções de controle existentes em uma planta industrial são normalmente distribuídas entre um número de controladores programáveis, os quais podem ser instalados próximo dos equipamentos a serem controlados. Os diferentes controladores são usualmente conectados via rede local (LAN) a um sistema supervisório central, o qual gerencia as diversas informações do processo controlado, tais como alarmes, receitas e relatórios. Tipos de CLPs De acordo com a disposição dos elementos constituintes dos controladores lógicos programáveis, podemos classifica-los em compactos ou modulares. 23
CLPs compactos Possuem incorporados em uma única unidade a fonte de alimentação, a CPU e os módulos de E/S, ficando o usuário com acesso somente aos conectores do sistema E/S. Esse tipo de estrutura normalmente é empregado para CLPs de pequeno porte. Atualmente suportam uma grande variedade de módulos especiais, tais como: Entradas e saídas analógicas; Contadores rápidos; Módulos de comunicação; Interfaces Homem/Máquina (IHM); Espansões de I/O; CLPs modulares Esses CLPs são compostos por uma estrutura modular, em que cada módulo executa uma determinada função. Podemos ter processador e memória em um único módulo com fonte separada ou então as três partes juntas em um único gabinete. O sistema de entrada/saída é decomposto em módulos de acordo com suas características. Eles são colocados em posições predefinidas (racks), formando uma configuração de médio e grande porte. Os modulares vão desde os denominados MicroCLPs que suportam uma pequena quantidade de E/S até os CLPs de grande porte que tratam até milhares de pontos E/S. 24
Interfaces de Entradas e de Saídas Uma das principais vantagens de se utilizar um CLP é a possibilidade de alterar uma lógica sem alterar as conexões físicas das entradas e das saídas. Desta forma a lógica de acionamento das saídas pode ser alterada de acordo com as exigências do processo, sem necessidade de alteração das conecções elétricas. Essa facilidade de alteração é possível porque nas ligações do CLP não há conexão física entre os dispositivos de entrada e os de saída como em um painel elétrico convencional. A única conexão é através do programa que pode ser facilmente alterado. 25
Para ilustrar os benefícios da conexão via software, vamos utilizar o exemplo de controlar o acionamento de uma válvula solenoide através de duas chaves de fim de curso (CFC 1 e CFC 2 ) em série. Consideremos agora que a lógica necessite ser alterada para a colocação das chaves em paralelo e a adição de uma terceira chave conectada em série. Para proceder à alteração em um CLP, o tempo necessário seria menor que um minuto. Em muitos casos é possível realiza-la sem desligar o sistema. A mesma alteração em um circuito com conexão elétrica deve levar de 30 a 60 minutos, ocasionando uma perda de produção no caso de um processo. Módulos de entrada Os módulos de entrada fazem a interface entre os elementos de sinais de entrada e o CLP. Esses módulos são constituídos de cartões eletrônicos, com capacidade para receber um certo número de sinais de entrada. Pode ser encontrada uma variedade muito grande de tipos de cartão para atender as mais variadas aplicações nos ambientes industriais. Esses cartões podem ser divididos em cartão de entradas digitais (ou discretas) e analógicas. Entrada discreta (digital): para esse tipo de cartão os valores de entradas podem assumir unicamente dois valores ou níveis bem definidos. Assim, uma entrada digital pode ter os seguintes valores: 0 ou 1, ligado ou desligado, verdadeiro ou falso, acionado ou desacionado, ativado ou desativado. Os 26
dispositivos de entrada digital, também chamados de entradas discretas, funcionam essencialmente como chaves, enviando o nível lógico 0 (OFF) quando abertas e nível lógico 1 (ON) quando fechadas. Entradas contínuas (analógicas): as interfaces de entrada analógica permitem que o CLP manipule grandezas analógicas que são normalmente enviadas por sensores eletrônicos. As grandezas analógicas tratadas por esses módulos são normalmente tensão e corrente elétrica. No caso de tensão as faixas de utilização são 0 a 10 Vcc, 0 Vcc a 5 Vcc, 1 Vcc a 5Vcc, -5 Vcc a +5 Vcc, -10 Vcc a + 10 Vcc (no caso, as interfaces que permitem entradas positivas e negativas são chamadas de entradas diferenciais), e no caso de corrente, as faixas utilizadas são 0 ma a 20mA, 4 ma a 20 ma. Um sinal analógico é a representação de uma grandeza contínua que pode assumir, em um determinado instante, qualquer valor entre dois limites definidos. Como exemplo pode-se citar um transmissor de nível que monitora a altura de uma coluna de líquido num tanque. O valor do transmissor pode ser qualquer um entre 0% e 100% do nível, sendo essa informação enviada a um cartão de entrada analógico de um CLP. 27
Módulos de saída Os módulos de saída são elementos responsáveis por fazer a interface entre CLP e os elementos atuadores. São constituídos de cartões eletrônicos, com capacidade de enviar sinais para os atuadores, resultantes do processamento da lógica de controle. Os cartões de saída são basicamente de dois tipos: digitais ou analógicos. Saídas digitais: admitem apenas dois estados, sendo ligado ou desligado. Uma saída digital pode estar na condição ligada ou desligada. Válvulas solenoides, contatores, alarmes, relés, sirenes e lâmpadas são exemplos de atuadores conectados em saídas digitais. As saídas digitais podem ser construídas de três formas básicas: Saída digital a relé: aciona cargas alimentadas por tensão tanto contínua quanto alternada. Uma grande vantagem de utilizar essa configuração de saída é o fato de se ter uma saída praticamente imune a qualquer tipo de transiente da rede. Entretanto, esse tipo de saída possui uma pequena vida útil dos contatos se comparado com os outros tipos, e permite um número total de acionamentos aproximado de 150.000 a 300.000. Saída a transistor: para esse tipo de módulo, o elemento que efetua o acionamento pode ser um transistor típico ou um transistor de efeito de campo (FET), o que promove comutações com alta velocidade. Saída a TRIAC: tem maior vida útil do que a saída a relé. Nesse tipo de saída o elemento acionador é um dispositivo de estado sólido (TRIAC), sendo recomendado seu uso para corrente alternada. Saídas analógicas: os módulos ou interfaces de saída analógica convertem valores numéricos em sinais de saída em tensão ou corrente. No caso de tensão normalmente de 0 a 10 Vcc ou 0 a 5 Vcc, e no caso de corrente de 0 a 20 ma ou 4 a 20 ma. Por exemplo: se o cartão de saída analógica enviar 0 Vcc, esse valor vai corresponder a 0%, e se o cartão enviar 10 Vcc, vai corresponder a 100% se utilizarmos uma saída em tensão. 28
A função dessas saídas é bastante diferente das saídas digitais, em que somente era possível colocar um elemento em dois estados: ligado ou desligado, aberto ou fechado etc. no caso de uma saída podemos acionar um elemento dentro de uma faixa de valores que corresponde de 0 a 100%. Por exemplo, com uma saída analógica podemos ligar um motor com 40% da sua rotação nominal, uma válvula proporcional pode ser aberta 25%. As saídas analógicas são utilizadas para controlar dispositivos atuadores como válvulas proporcionais, motores, inversores de frequência, resistência elétricas, entre outros. Linguagens de programação Visando atender aos diversos segmentos da indústria, incluindo seus usuários, e uniformizar as várias metodologias de programação dos controladores industriais, a norma IEC 61131-3 definiu sintática e semanticamente cinco linguagens de programação: Diagrama de Blocos de Funções (FBD - Function Block Diagram) Linguagem Ladder (LD - Ladder Diagram) Sequenciamento Gráfico de Funções (SFC - System Function Chart) Lista de Instruções (IL - Instruction List) Texto Estruturado (ST Structured Text) Linguagem diagrama de funções As funções e os módulos de funções são representados graficamente na linguagem diagrama de funções e conectados entre si através de redes de ligação. Esta linguagem tem suas raízes no diagrama lógico utilizados para a criação de circuitos eletrônicos. Linguagem Ladder É uma linguagem gráfica baseada na lógica de relés e contatos elétricos para a realização de circuitos de comandos de acionamentos. Por ser a 29
primeira linguagem utilizada pelos fabricantes, é a mais difundida e encontra em quase todos os CLPs da atual geração. Bobinas e contatos são símbolos utilizados nessa linguagem. Os símbolos de contatos programados em uma linha representam as condições que serão avaliadas de acordo com a lógica. Como resultado determinam o controle de uma saída, que normalmente é representado pelo símbolo de uma bobina. Linguagem estruturada Lista de instruções é uma linguagem textual semelhante à Assembler e caracterizada por um modelo de máquina simples (processador com apenas um registrador). É formada por instruções de controle, compostas por um operador e operandos. Linguagem lista de instruções Linguagem lista de instruções é uma linguagem de alto nível baseada na linguagem Pascal. Compõe-se de expressões e instruções. As instruções mais importantes estão definidas assim: instruções de seleção como IF... THEN... ELSE, etc. e instruções de repetição como FOR, WHILE,etc. bem como chamadas de módulo de funções. Linguagem sequencial A linguagem sequencial é um recurso de linguagem utilizado na estruturação de programas de controle orientados por sequência. Os elementos da linguagem sequencial são passos, transições, desvios alternativos e paralelos. Cada passo representa o status de processamento do programa de controle, podendo ser ativo ou inativo. Um passo é composto por ações que, assim como as transições, são formuladas em uma das linguagens da IEC 1131-3. As próprias ações podem conter estruturas sequenciais. Esta característica possibilita a estruturação hierárquica de um programa de 30
controle. A linguagem sequencial é, portanto, uma excelente ferramenta para a criação e estruturação de programas de controle. Conclusão Para competir num mercado cada vez mais globalizado torna-se necessário o desenvolvimento de novas ferramentas de fabricação, oferecendo velocidade e qualidade aos produtos industrializados. O CNC (comando numérico computadorizado) e o CLP (controlador lógico programável) oferecem inúmeros recursos no campo industrial. Aliado ao campo da robótica, máquinas que utilizam sistemas CNC são capazes de realizar trabalhos complexos com rapidez e praticidade, uma vez que todo o processo é feito de forma contínua e lógica. Já os CLPs oferecem flexibilidade e segurança aos processos industriais. Com este trabalho fica claro o importante papel que o CNC e o CLP desempenham nas indústrias, substituindo trabalhos antes manuais, por processos automatizados, com auto nível de segurança, qualidade e menores custos. 31
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