AULA 6 - CLP CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS O que são? ü CLP, Controladores Lógicos Programáveis ou ü PLC, Programmable Logic Controllers Prof. Fabricia Neres O que são? ü O CLP é um computador industrial, capaz de implementar funções de controle (sequência lógica, contagem e temporização), operações lógicas e aritméticas, manipulação de dados e comunicação em rede. O que são? ü São equipamentos robustos capazes de operar em condições severas: altas temperaturas, poeira, umidade e ruídos elétricos. ü Existem diversos fabricantes e diversos modelos de CLPs. Não existe uma padronização no números de entradas e saídas (digitais ou analógicas) ou tamanho de memória. CLPs no processo industrial CLP Sistema Automatizado CLP- Definição Sistema eletrônico operando digitalmente, projetado para uso em um ambiente industrial, que usa uma memória programável para a armazenagem interna de instruções orientadas para o 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 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. (definição IEC International Electrotechnical Commission) 1
CLP- Histórico Os primeiros dispositivos de controle foram desenvolvidos durante a Revolução Industrial no século XIX; Dispositivos mecânicos rudimentares eram usados para realizar o controle dos processos. CLP- Histórico Na década de 1920 os dispositivos mecânicos foram substituídos pelos relés; Com o uso da lógica de relés foi possível realizar controles mais complexos que até o momento não era possível; O uso da lógica de relés dificultava modificações do processo; Era complexo manter o projeto atualizado. CLP- Histórico O desenvolvimento de CIs e computadores possibilitou a construção de CLPs; Computadores comerciais eram caros e sensíveis ao ambiente industrial; O CLP foi desenvolvido para atender as necessidades da industria automobilística americana (General Motors) Suas primeiras aplicações foram na divisão de hidramática da GM em 1968. Quadro de Relés Quadro de CLPs CLP- Histórico Características desejáveis do CLP: ü Facilidade de programação e modificação dos códigos; ü Permitir flexibilidade na montagem das máquinas; ü Manutenção simplificada; ü Adaptado ao ambiente industrial. CLP- Histórico Historicamente os CLPs podem ser classificados nas seguintes categorias: ü 1ª geração: Programação em Assembly. Necessidade de conhecer o hardware; ü 2ª geração: Apareceram as linguagens de programação de nível médio. O compilador converte o código do programador em linguagem de baixo nível; 2
CLP- Histórico CLP- Histórico ü 3ª geração: Surge a entrada de programação que poderia ser realizada através de: teclado, programador portátil conectado ao CLP; ü 5ª geração: protocolos de comunicação para facilitar a comunicação com sistemas supervisórios, redes e equipamentos de outros fabricantes. ü 4ª geração : Criada a comunicação serial e a programação é realizada por computadores possibilitando a simulação do código. Características do Hardware Características do Software Alta confiabilidade; Imune a ruídos eletromagnéticos; Isolação galvânica de entradas e saídas; Fácil de configurar com esquema de montagem em trilhos; Padronizados ou em racks com módulos que podem ser retirados; Uso de conectores que podem ser retirados; Ferramenta de autodiagnóstico. Linguagem de programação simples; Processamento em tempo real e multitarefa; Monitoramento do dados on-line; Alta velocidade de processamento das informações. CLPs - Vantagens Pequena equipe para realizar a manutenção; Flexibilidade do número de entradas e saídas; São reutilizáveis; Maior confiabilidade e flexibilidade; Menor tempo para elaborar projetos; Indústria de Plástico; Controle de malhas; Indústria Petroquímica; CLP -Aplicações Sistemas Sistemas SCADA (Supervisory Supervisory Control Control and Data Aquisition); Sistemas de controle de células de manufatura; Montagem automatizada; Possibilidade de comunicar com outros CLPs e computadores. 3
CLP -Aplicações Processos de empacotamento, engarrafamento, enlatamento, transporte e manuseio de materiais, usinagem; Sistemas de controle predial de ar condicionado ; Sistemas de segurança; Indústrias de alimentos, bebidas, automotiva, química, têxtil, plásticos, papel e celulose, farmacêutica e siderúrgica/metalúrgica, mineração, entre outras. Tipos de CLP Compactos: possuem fonte de alimentação, CPU e módulos de entrada e saída em único equipamento Modulares: cada módulo executa uma função, ou seja, cada elemento é inserido de forma modular em racks. Princípio de Funcionamento Princípio de Funcionamento O CLP funciona de forma sequencial, fazendo um ciclo de varredura em algumas etapas. O tempo total para realizar o ciclo é denominado CLOCK. Partes do CLP Estrutura Básica As entradas e saídas podem ser analógicas ou digitais; 4
Estrutura Básica Baseada no Hardware básico do computador Fonte de alimentação; Arquitetura: Unidade Central de Processamento; Memórias voláteis e não voláteis; Entradas e saídas (digitais e analógicas); Terminal de programação. Fontes de Alimentação Sua função é fornecer energia para o CLP Source: interna ao controlador; Sink: externa ao controlador. Tensão de alimentação: 110V CA ou 220V CA ou 24V CC Fontes de Alimentação O CLP possui uma bateria interna que mantém as informações gravadas durante algum tempo, em caso de falta de energia. Converte a tensão da rede de 110 ou 220 VCA em : Ø +5VCC: para alimentar os circuitos eletrônicos Ø +12VCC ou +24VCC: para alimentar as entradas e as saídas Ø 110V para saídas dos relés Ø Baterias Unidade Central de Processamento Responsável pela manipulação das informações Unidade Central de Processamento As mais comuns: INTEL 80xx MOTOROLA 68xx ZILOG Z80xx PIC 16xx 5
EPROM Memória do Programa Monitor Responsável por: sistema operacional; start do CLP; sequência de operações; drivers. Não é acessível pelo usuário Memória do Usuário Armazena: Programa do usuário; Configuração de dados; Imagens de dados E/S; Buffer de comunicação. Entradas e saídas Divididas em Digital e analógicas; Entradas Local onde a UCP busca informações do processo comandado. Estas informações podem ser de diversos dispositivos dentre eles: medidores de temperatura e vazão. Podem ser divididas em digital (temperatura correta) e analógica (valor da temperatura) Entradas Digitais As entradas digitais convertem os elementos do sistema em bits. Existem entradas digitais de dois tipos: com alimentação interna e externa. Possuem apenas dois estados: (ligado ou desligado) Entradas Digitais As entradas digitais podem trabalhar com diferentes níveis de tensão: Ø corrente contínua: TTL, 24 Vcc. 48 Vcc, 110 Vcc; Ø corrente alternada: 110 Vca ou 220 Vca. 6
Entradas Digitais com Alimentação Interna Os CLPs fornecem uma tensão de alimentação que deve passar pelo elemento do processo e retornar à entrada. Entradas Digitais com Alimentação Externa As entradas com alimentação externa recebem alimentação do processo. Entradas Analógicas As analógicas podem ter infinitos estados dentro de uma faixa determinada Necessidade de conversão de analógica para digital Exemplos de medições analógicas: nível e temperatura Existe uma grande gama de sinais de entradas padronizados: Ø Tensão: +/- 12,5 mv, +/- 50 mv, +/- 500 mv, +/- 5 V, +/- 10 V, l a 5V, O a 5 V, O a 10 V Ø Corrente: O a 20 ma, 4 a 20mA Entradas Analógicas Exemplo: medições lineares: medidor de vazão Conversor A/D de3 bits Entradas Analógicas Exemplo: medições lineares: medidor de vazão Conversor A/D de 10 bits Saídas Digitais Funciona basicamente como as entradas digitais Podem ser por tensão ou por relés As saídas digitais por tensão converte os sinais enviados pela CPU (UCP) em sinais capazes de energizar cargas como lâmpadas; As saídas digitais por relés fornecem um contato de relê que pode chavear cargas com alimentação independente da fonte do CLP 7
Saídas Analógicas Funcionam de modo semelhante as entradas analógicas Realizam a conversão do sinal digital enviado pela CPU (UCP) para analógico usando um conversor digital/ analógico. Terminais de Programação Computadores ou terminais que permitem: Ø Autodiagnóstico; Ø Alterações online Ø Programação de instruções; Ø Monitoramento Ø Gravar e apagar dados da memória do usuário. Módulos de entrada/saída E Saídas Módulos de saída Através das saídas, o CLP age sobre o processo sob o seu controle. As saídas digitais fornecem comandos do tipo ligado/ desligado. As saídas analógicas fornecem um sinal de tensão ou corrente com variação contínua para acionar válvulas proporcionais, conversores ou outros equipamentos. S Módulos de saída digital a relé Módulos de saída digital a triac Aciona cargas alimentadas por tensão tanto contínua quanto alternada. Uma grande vantagem de utilizar esse tipo de configuração de saída é o fato se ter uma saída praticamente imune a qualquer tipo de interferência da rede. Tem maior vida útil do que saída a relé. 8
Módulos de saída digital a transistor Módulos de entrada Entradas Entradas digitais recebem o sinal de sensores, chaves, botoeiras, e outros equipamentos que fornecem sinais do tipo ligado/desligado. O acionamento é realizado por transistor típico que realiza comutações rápidas Entradas analógicas recebem sinais de tensão ou corrente de variação contínua, dentro de uma faixa e com significado especificado. Este módulo condiciona o sinal de entrada e o torna disponível para o processador. Terminais de programação Este bloco fornece o meio físico e os protocolos para que o CLP se comunique com outros equipamentos integrantes do sistema. Os sistemas de controle atuais preveem a integração de diversos dispositivos que podem incluir vários CLPs, computadores, IHM externas, sensores e atuadores inteligentes, data-loggers, todos ligados em rede. Terminais de programação Pc ou terminais que permitem: Autodiagnóstico Alterações on-line Programação de instruções Monitoração 53 Programação por cabo com PC 9
CLP Controlador Lógico Programável Programa aplicativo A lógica que avalia a condição dos pontos de entrada e dos estados anteriores do CLP, executando as funções desejadas e acionando as saídas, é chamada de programa aplicativo ou simplesmente programa do CLP. Modo de programação Modo de execução. Modo de Programação No modo de programação (PROG) o CLP não executa nenhum programa, isto é, fica aguardando para ser configurado ou receber novos programas ou até receber modificações de programas já instalados. Esse tipo de programação é chamado off-line (fora de operação). No modo de execução (RUN), o CLP passa a executar o programa do usuário. CLPs de maior porte podem sofrer alterações de programa mesmo durante a execução. Este tipo de programação é chamado de on-line (em operação). A operação de transferência de programas do microcomputador (ou terminal de programação) para o CLP denomina-se download. O funcionamento do CLP é baseado num sistema microprocessado em que há uma estrutura de software que realiza continuamente ciclos de leitura, chamados de scan. O scan (ciclo de varredura) é constituído de três processos: Scan do CLP (ciclo de varredura): Efetua a leitura dos dados através dos dispositivos via interface de entrada; Executa o programa de controle armazenado na memória; Escreve ou atualiza os dispositivos de saída via interface de saída. 10
No momento que é energizado e estando o CLP no modo de execução, é executada uma rotina de inicialização, que realiza as seguintes operações: Limpeza da memória de imagem, para operandos não retentivos; Teste de memória RAM; Teste de executabilidade do programa. No processo de leitura dos pontos de entrada, a CPU endereça o sistema de I/O, coleta os estados atuais dos dispositivos que estão conectados e armazena as informações em forma de bits 1 ou 0. Uma entrada energizada equivale ao valor binário 1 enquanto que uma entrada desenergizada equivale ao valor binário 0. Essas informações são armazenadas em uma região de memória chamada Tabela Imagem das Entradas (TIE). No processo de execução da lógica programada, a TIE é utilizada para obter os estados dos dispositivos. Os resultados das lógicas programadas que atuam em determinadas saídas são armazenados em uma área de memória que se chama Tabela Imagem das Saídas (TIS). As lógicas que possuem saídas internas (memórias internas) são armazenadas na área correspondente. Na etapa de atualização das saídas, a CPU executa uma varredura na tabela TIS e atualiza as saídas externas através do endereçamento do sistema de IO para atualizar o estado dos dispositivos de saída de acordo com o programa. Também é feita atualização de valores de outros operandos, como resultados aritméticos, contagens, temporizações, entre outros. Ao final da atualização da tabela imagem, é feita a transferência dos valores da tabela imagem das saídas para os cartões de saída, encerrando o ciclo de varredura. A partir daí é iniciado um novo scan e a operação continua enquanto se mantém o controlador no modo de execução. Para verificação de erros, é estipulado um tempo de processamento, ficando a cargo de um circuito chamado Watch Dog Timer (WDT) supervisioná-lo. Se esse tempo máximo for ultrapassado, a execução do programa pela CPU será interrompida, sendo assumido um estado de falha (fault). 11
Chama-se tempo de varredura (scan time) o tempo gasto para a execução de um ciclo completo. Esse valor muda conforme o controlador e depende de muitos fatores (tamanho da palavra de memória, clock, arquitetura do processador, etc.). CLPs Compactos Tipos de CLP Possuem incorporados em uma única unidade a fonte de alimentação, a CPU e os módulos de I/O, ficando o usuário com acesso somente aos conectores do sistema de I/O. Esse tipo de estrutura normalmente é empregado para CLPs de pequeno porte. Atualmente suportam uma grande variedade de módulos especiais (normalmente vendidos como opcionais). CLPs Modulares Tipos de CLP Esses CLPs são compostos por uma estrutura modular, em que cada módulo executa uma determinada função. CLPs Modulares Tipos de CLP Possível processador e memória em um único módulo com fonte separada ou então as três partes juntas em um único gabinete. O sistema de I/O é decomposto em módulos de acordo com suas características. Eles são colocados em posições predefinidas (racks), formando uma configuração de médio e grande porte. Capacidades dos CLP s Nano e Micro-CLPs: pouca capacidade de E/S CLPs de Médio Porte: São CLPs com uma capacidade de Entrada e Saída de até 256 pontos. Exemplos Pequenas aplicações CLPs de Grande Porte: Permitem a utilização de até 4096 pontos de E/S. São montados em um Bastidor (ou Rack ) que permite um Cabeamento Estruturado. 12
Exemplos Exemplos Pequeno e médio porte Médio e grande porte Exemplos Exemplo de funcionamento Grandes aplicações CLP Scnheider Twido Copyright (C) 2005 Schneider Electric Linguagens de programação As cinco linguagens definidas pela norma Norma IEC 61131 (Padronização em Controle e Automação) são: Linguagens de programação Textuais Lista de Instruções (IL); Texto Estruturado (ST). Gráficas Diagrama Ladder (LD); Diagrama de Blocos Funcionais (FBD). Estruturação de Programas (Textual ou Gráfica) Seqüenciamento Gráfico de Funções (SFC). 13
79 Tipos de Instruções Instruções de Lógicas - Ladder Instruções para manipular dados: Instrução Mover; Instrução Comparação. Instruções Matemáticas: Soma; Subtração; Multiplicação; Divisão. Instruções de Lógicas - Ladder Instruções de Lógicas - Ladder Linha de Produção - A Linha de Peneiramento; - Sinalizações; - Funcionamento; - Emergências; - Sistema Supervisório. 14