7. Controlador Lógico Programável (CLP)

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CCT DEPARTAMENTO DE ENG. DE PRODUÇÃO E SISTEMAS - DEPS INFORMÁTICA INDUSTRIAL IFD 7. Controlador Lógico Programável (CLP) Igor Kondrasovas

Tópicos Histórico Estrutura do CLP Entradas e Saídas Ciclo de Varredura Linguagens de Programação Linguagem Ladder 2

Histórico Em 1968, cientes das dificuldades encontradas na época para se implementar controles lógicos industriais, David Emmett e William Stone da General Motors Corporation (GMC) solicitaram aos fabricantes de instrumentos de controle que desenvolvessem um novo tipo de controlador lógico que incorporasse as seguintes características: - Ser facilmente programado e reprogamado para permitir que a sequência de operação por ele executada pudesse ser alterada, mesmo depois da sua instalação; 3

Histórico - Ser de fácil manutenção, preferencialmente constituído de módulos interconectáveis; - Ter condições de operarem ambientes industriais com maior confiabilidade que os painéis de relés; - Ser fisicamente menor que os sistemas de relés; - Ter condições de ser interligado a um sistema central de coleta de dados; - Ter um preço competitivo com os sistemas de relés de estado sólido usados até então. 4

Histórico Esse equipamento recebeu o nome de Controlador Lógico Programável (CLP ou PLC Programmable Logic Controller). O primeiro protótipo desenvolvido dentro da General Motors funcionava satisfatoriamente, porém foi utilizado somente dentro dessa empresa. A primeira empresa que o desenvolveu, iniciando sua comercialização foi a MODICON (indústria Norte-Americana). Os primeiros CLPs eram grandes e caros, só se tornando competitivos para aplicações que equivalessem a pelo menos 150 relés. 5

Principais Fabricantes 6

Periféricos 7

Periféricos 8

Localização dos CLPs na arquitetura de controle CPU COM1 I/O I/O I/O I/O I/O COM CPU CPU COM1 I/O COM 2 I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O COM CPU COM I/O I/O I/O COM1 COM CPU CPU I/O COM COM 2 Estação de Engenharia Estação de Operação Estação de Supervisão gateway Rede da Companhia Barramento de Controle (Ex: Ethernet) CLPs grandes CLP Estação de controle com barramento de campo CLP gateway I/O diretas Barramento de campo Barramento de campo I/O diretamente conectadas Estações de campo CLP pequeno Concentradores de dados, não programáveis mas configuráveis Barramento de sensores (Ex: AS-I) gateway Dispositivos de campo 9

Tipos de CLP Fixo: uma única unidade é responsável pelo sistema de alimentação, as entradas, as saídas e o processador. Modular: cada uma das funcionalidades é realizada por módulos separados. 10

Estrutura Básica Um CLP é composto basicamente pelo seguintes elementos principais: fonte de alimentação, CPU (Unidade Central de Processamento), memória, interfaces para os sinais de entrada e saída, terminal de programação e chassi (ou rack) de montagem. 11

Estrutura Básica Comunicação Entradas binárias Entradas / Saídas analógicas Saídas binárias 12

Componentes de um CLP Fonte de alimentação: - Fornece energia elétrica para todos os módulos do CLP; - Trabalha com níveis de tensão de 24 VDC ou 110/220 VAC; - A escolha da fonte depende da soma das correntes dos diversos módulos. Chassi ou rack: - Concentra todos os módulos; - Permite sustentação e proteção aos outros módulos; - Provê conexões para dados e alimentação; - Possui número variado de ranhuras (slots); - Permite interligação com outros módulos. 13

Entradas Ponto de Entrada: considera-se cada sinal recebido pelo CLP, a partir de dispositivos ou componentes externos como um ponto de entrada. Ex.: micro-chaves, botões, termopares, relés, etc. Exemplos de dispositivos de entrada: 14

Entradas Entradas Discretas: possuem somente dois estados. Entradas Analógicas: possuem um valor que varia dentro de uma determinada faixa (0 a 10V, -10 a 10V, 0 a 20mA e 4 a 20mA). 15

Saídas Ponto de Saída: considera-se cada sinal produzido pelo CLP, para acionar dispositivos ou componentes que fazem parte do sistema de controle. Ex.: lâmpadas, solenóides, motores, etc. Exemplos de dispositivos de saída: 16

Saídas Saídas Discretas: possuem somente dois estados. Saídas Analógicas: possuem um valor que varia dentro de uma determinada faixa (0 a 10V, -10 a 10V, 0 a 20mA e 4 a 20mA). 17

Componentes de um CLP Processador: - Executa as instruções previamente programadas; - Realiza o acesso à memória (leitura ou escrita de dados); - Controla os dispositivos de entrada e saída; - Controla os canais de comunicação. Memória: - Responsável por armazenar as informações contidas no programa do usuário. Existe uma parte da memória que contém o programa interpretador do CLP que geralmente está em memória EPROM. 18

Classificação de CLPs Pode-se ressaltar que, com a popularização dos microcontroladores e a redução dos custos de desenvolvimento e produção, houve uma avalanche no mercado de tipos e modelos de CLPs, os quais podemos dividir em: - Nano e micro CLPs (com, no máximo, 16 entradas e16 saídas); - Médio porte (com, no máximo, 256 entradas e saídas, digitais e analógicas); - Grande porte (utilização de até 4096 pontos de E/S). 19

Sistema de Controle O CLP faz o papel de controlador em um sistema de controle em Malha Fechada. 20

Software do CLP Programa: é a lógica existente entre os pontos de entrada e saída e que executa as funções desejadas de acordo com o estado das mesmas. Terminal de programação 21

Modos de Operação e Comunicação Modos de Operação: - On-line: ambiente de teste e monitoração. - Off-line: ambiente de programação. Comunicação CLP-Computador (PC): A comunicação pode ser feita de diversas formas, dependendo do processador em uso: - RS-232 - Ethernet/IP - DeviceNet - ControlNet 22

Estados de Operação de um CLP Um CLP pode assumir o estado de espera (program ou stop) quando está sendo programado ou parametrizado; estado de execução (run) quando está rodando um programa; ou estado de erro se ocorre alguma falha no controlador. 23

Ciclo de Varredura (Ciclo de Scan) Ciclo que o CLP realiza para efetuar o processamento de dados. O ciclo de varredura depende: - da velocidade e características do processador utilizado; - do tamanho do programa de controle do usuário; - da quantidade e tipos de pontos de entrada/saída. 24

Ilustração do Ciclo de Varredura Ligações elétricas e programação em linguagem Ladder. 25

Ilustração do Ciclo de Varredura Etapas da execução: leitura das entradas, processamento dos dados e atualização das saídas. 26

Linguagens de Programação As linguagens de programação permitem aos usuários se comunicar com o CLP e definir as tarefas que o mesmo deverá executar. A norma IEC 61131-3 busca padronizar as linguagens de programação para CLP s. Cinco linguagens são definidas sintática e semanticamente: - Lista de instruções (IL Instruction List) textual. Semelhante ao assembler; - Texto Estruturado (ST Structured Text) textual. Linguagem de alto nível, com raízes em C, Ada e Pascal. Contém estruturas condicionais (IF, THEN, ELSE e CASE OF) e iterações (FOR, WHILE e REPEAT); 27

Linguagens de Programação - Diagrama de Blocos de Funções (FBD Function Block Diagram) - gráfica. Expressa o comportamento de funções, blocos funcionais e programas como um conjunto de blocos gráficos interligados, como nos diagramas de circuitos eletrônicos. Se parece com um sistema em termos do fluxo de sinais entre elementos de processamento; - Linguagem Ladder (LD Ladder Diagram) gráfica. Baseada na representação gráfica da lógica de relés; 28

Linguagens de Programação - Sequenciamento Gráfico de Funções (SFC System Function Chart) - gráfica. Descreve o comportamento sequencial de um programa de controle. É derivado das redes de Petri e da norma IEC 848 Grafcet. Consiste de passos, interligados com blocos de ações e transições. Cada passo representa um estado particular do sistema que está sendo controlado. 29

Linguagens de Programação - Exemplo 1: códigos que realizam as mesmas funções, porém usando linguagens diferentes. 30

Linguagens de Programação - Exemplo 2: programas distintos para as cinco linguagens padronizadas pela IEC 61131-3. 31

Linguagem Ladder (Diagrama Ladder) Diagrama ladder é uma representação ordenada de componentes e conexões de um circuito elétrico em forma de escada. O diagrama ladder é também chamado de diagrama elementar ou diagrama de linha. O termo ladder (escada) se aplica porque ele parece com uma escada, contendo degraus. É o diagrama básico associado com o CLP. Os elementos constituintes de um diagrama ladder podem ser divididos em componentes de entrada e de saída. O principal componente de entrada é o contato. 32

Linguagem Ladder (Diagrama Ladder) Quanto à operação, o contato pode ser retentivo ou não retentivo. Quanto à lógica, o contato pode ser normalmente aberto (NA) ou normalmente fechado (NF). Quanto à operação, o contato pode ser de chave manual ou automática (pressostato, termostato, chaves automáticas de nível e de vazão, chave térmica de motor). Quanto ao tempo, os contatos podem ser instantâneos ou temporizados para abrir ou fechar. O principal componente de saída é a bobina, associada ao starter de motor, ao relé ou solenóide. Outros componentes incluem lâmpada piloto, sirene ou buzina. 33

Linguagem Ladder (Diagrama Ladder) 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 ligadesliga ou sequencial, pontos de entradas e saídas discretos são suficientes. As instruções básicas são: 34

Linguagem Ladder (Diagrama Ladder) Principais regras para montar um diagrama Ladder: - Entradas, chaves e contatos são colocados no início da linha, no lado esquerdo; - Saídas, bobinas e lâmpadas piloto são colocadas no fim da linha, no lado direito; - Uma linha de entrada pode alimentar mais de uma saída. Quando isso ocorre, as saídas estão ligadas em paralelo; - Chaves, contatos e entradas podem ter contatos múltiplos em série, paralelo ou combinação de série e paralelo; - As linhas são numeradas consecutivamente, da esquerda para a direita e de cima para baixo; - As saídas podem ser identificadas pela sua função, no lado direito, por meio de notas; - Os contatos de relé são identificados pelo número da bobina do relé mais um número sequencial consecutivo. Por exemplo, os três contatos do relé CR 7 são CR 7-1, CR 7-2 e CR 7-3. 35

Funções Lógicas 36

Funções Lógicas 37

Exemplo 1: ligar uma lâmpada. Funções Lógicas 38

Funções Lógicas Exemplo 2: circuito retentivo para um motor trifásico. 39

Funções Lógicas Exemplo 2: circuito retentivo para um motor trifásico. 40

Temporizadores (Timers) Usados para atrasar ciclos de partida e parada, intervalos de controle e ciclos operacionais repetitivos, além da capacidade de rearmar o sistema ao fim destes ciclos. Podem ser disponíveis em lógica de relé (eletrônico ou eletromecânico) ou como função lógica do Controlador Lógico Programável. É possível fazer quatro combinações de temporizadores, considerando a lógica de atraso para ligar (TON) ou atraso para desligar (TOFF) e os contatos normalmente abertos (NA) ou normalmente fechados (NF). Assim, tem-se: 1. NO/ON/TC (normally open, timed-closing - normalmente aberto, temporizado para fechar, ligando). 2. NC/ON/TO (normally close, timed-opening - normalmente fechado, temporizado para abrir, ligando). 3. NO/OFF/TC (normally open, OFF timed-closing - normalmente aberto, desliga fechando com o tempo). 4. NC/OFF/TO (normally close OFF timed-opening - normalmente fechado, desliga abrindo com o tempo). 41 Seus símbolos são diferentes!

Temporizadores (Timers) 42

Temporizadores (Timers) Podem ser classificados também em temporizador simples (TMR) e temporizador acumulador (TMRA). Temporizador simples (TMR): - O temporizador simples possui apenas uma entrada. - Esse temporizador vai contar o tempo enquanto esta entrada estiver habilitada. - Quando esta entrada muda de ligada para desligada, o temporizador simples reseta a contagem de tempo para zero. - Trata-se de um circuito não-retentivo. 43

Temporizadores (Timers) Temporizador Acumulador (TMRA): - Há duas entradas para a função de temporização: 1. entrada que começa a função de intervalo de temporização; 2. entrada que habilita rearma o temporizador (reset input). - Quando a entrada reset input está desligada, o temporizador pode contar; - Quando a entrada reset input está ligada, o temporizador não conta mesmo se a linha de contagem estiver ligada; - Quando a entrada reset input é ligada, antes do temporizador terminar o tempo, o temporizador pára mas não é resetado para zero (circuito retentivo); - Quando a entrada reset input é ligada, após o temporizador terminar o tempo, o temporizador é resetado para zero. 44

Temporizadores (Timers) Exemplo 1: temporizador (TMR) usando bit de status discreto. Um temporizador simples é usado com um preset de 3 segundos. O bit de status discreto do temporizador (T2) será ativado quando o temporizador alcançar 3 segundos. O temporizador será resetado quando X1 for desligado, desativando o bit T2 e resetando o valor atual do temporizador para zero. 45

Temporizadores (Timers) Exemplo 2: temporizador (TMR) usando contatos comparativos. Um temporizador simples é usado com um preset de 4.5 segundos. Contatos comparativos são usados para energizar Y3, Y4 e Y5 em intervalos de um segundo, respectivamente. Quando X1 é desligado, o temporizador vai resetar para zero e os contatos comparativos vão desativar Y3, Y4 e Y5. 46

Temporizadores (Timers) Exemplo 3: temporizador acumulador (TMRA) usando bit de status discreto. Um temporizador de duas entradas (temporizador acumulador) é usado com um preset de 3 segundos. O bit de status discreto do temporizador (T6) será ativado quando o temporizador atingir 3 segundos. Perceba neste exemplo que o temporizador roda durante 1 segundo, pára durante 1 segundo, e então volta a rodar. O temporizador vai resetar quando C10 é ligado, desativando o bit de status discreto e resetando o valor atual do temporizador para zero. 47

Temporizadores (Timers) Exemplo 4: temporizador acumulador (TMRA) usando contatos comparativos. Um temporizador de duas entradas (temporizador acumulador) é usado com um preset de 4.5 segundos. Contatos comparativos são usados para energizar Y3, Y4 e Y5 em intervalos de tempo de 1 segundo, respectivamente. Os contatos comparativos serão desligados quando o temporizador é resetado. 48

Temporizadores (Timers) Exemplo 5: atraso para ligar com temporizador acumulador (TMRA). - Quando o circuito é ligado, ocorre uma ação. Depois de um determinado tempo, ocorre outra ação. São mostradas as lógicas com relé e com CLP. 1. Quando a chave SW1 é ligada, a lâmpada A Acende; 2. Oito segundos depois, a lâmpada B acende; 3. As duas lâmpadas apagam ou permanecem apagadas, sempre que SW1 estiver aberta. 49

Temporizadores (Timers) Exemplo 6: atraso para desligar com temporizador acumulador (TMRA). - Tem-se dois motores: principal e da bomba de lubrificação. Quando o motor principal é ligado, o motor de lubrificação deve ser ligado também. Quando o motor principal é desligado, o motor de lubrificação deve permanecer ligado por mais 20 segundos. 50

Contadores (Counters) Os contadores podem ser mecânicos, elétricos ou eletrônicos. Um contador não reseta automaticamente quando a sua bobina é desenergizada, como faz o temporizador simples (TMR). Se fosse assim, ele contaria até 1 e resetaria em 0 e não sairia disso. O contador necessita de um dispositivo ou ligação separada para resetá-lo. Os contadores podem ser crescentes (a contagem sobe continuamente) ou decrescentes (a contagem desce continuamente). 51

Contadores (Counters) Um contador deve ter duas entradas: preset (onde o valor da contagem é estabelecido) e reset (usada para habilitar o contador, quando ativa; quando desativada, o contador volta para 0). Reg é o registro designado onde a contagem ocorre. A saída do contador ficará ativa somente quando o valor préestabelecido de contagem é atingido. 52

Contadores (Counters) Exemplo 1: contagem simples. - Após um determinado número de contagens, a saída do contador liga, a fim de energizar um indicador. O status da saída pode também ser utilizado na lógica do diagrama ladder na forma de um contato. O contador funciona quando a sua linha de habilitação é energizada. Depois que a entrada de contagem atinge 18 pulsos, a saída do relé CR 21 é energizada. 53

Contadores (Counters) Exemplo 2: dois contadores. - A aplicação envolve dois contadores. Deseja-se que um indicador de saída fique ligado quando houver 6 peças de uma esteira C e 8 peças de uma esteira D entrada na esteira comum E. O circuito monitora as duas contagens. IN 02 e IN 03 são sensores de proximidade que dão um pulso quando uma peça passa por eles. O circuito não indica mais do que seis ou oito peças, ele somente indica quando há peças suficientes. Para repetir o processo, abrir IN 01 para resetar o sistema. Depois, fechar IN 01 novamente. 54

Aplicações de CLP na Indústria Máquinas Industriais (Operatrizes, Injetoras, Têxteis, Calçados). Equipamentos Industriais para processos (Siderurgia, Papel e Celulose, Pneumáticos, Dosagem e Pesagem, Fornos, etc.) Controle de Processos com realização de Sinalização, Intertravamento, etc. Aquisição de dados de Supervisão em Fábricas (CEP), Prédios inteligentes, etc. 55

Bibliografia SILVEIRA, P. R.; SANTOS, W. E.; Automação e Controle Discreto. 1ª Ed. São Paulo: Érica, 1999. RIBEIRO, M. A. Automação Industrial. 4ª Ed. 2001. FRANCHI, C. M.; CAMARGO, V. L. A. Controladores Lógicos Programáveis Sistemas Discretos. 1 a Ed. São Paulo: Érica, 2008. CASTRUCCI, P.; MORAES, C. C.; Engenharia de Automação Industrial. 2ª Ed. São Paulo: LTC, 2007. 56