Introdução CLP

Introdução CLP

(Parte 1 de 2)

Introdução aos Controladores Lógicos Programáveis (CLPs).

INTRODUÇÃO CONCEITUAL - HISTÓRICO 3

DIVISÃO HISTÓRICA 3

VANTAGENS DO USO DE CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS 3

PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO - DIAGRAMA EM BLOCOS 4

ESTRUTURA INTERNA DO C.L.P. 5

DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS ITENS 6

FONTE DE ALIMENTAÇÃO : 6 UNIDADE DE PROCESSAMENTO : 6 BATERIA : 6 MEMÓRIA DO PROGRAMA MONITOR : 6 MEMÓRIA DO USUÁRIO : 6 MEMÓRIA DE DADOS : 7 MEMÓRIA IMAGEM DAS ENTRADAS / SAÍDAS : 7 CIRCUITOS AUXILIARES : 7 MÓDULOS OU INTERFACES DE ENTRADA : 7 ENTRADAS ANALÓGICAS : 8 MÓDULOS ESPECIAIS DE ENTRADA 9 MÓDULOS OU INTERFACES DE SAÍDA : 9 SAÍDAS ANALÓGICAS : 10 “ CAPACIDADE ” DE UM C.L.P. 1

PARTE I - PROGRAMAÇÃO DOS CLPS 12 LINGUAGENS DE PROGRAMAÇÃO - CLP 12

LINGUAGEM DE PROGRAMAÇÃO STEP 5 12 INTERCAMBIALIDADE ENTRE REPRESENTAÇÕES 12 ESTRUTURA DA LINGUAGEM 12 NOÇÕES BÁSICAS DE REPRESENTAÇÃO 13 INSTRUÇÕES E BLOCOS BÁSICOS 13 INSTRUÇÕES E BLOCOS ESPECIAIS 15

ESCLARECIMENTOS : 25

O Controlador Lógico Programável ( C.L.P. ) nasceu praticamente dentro da indústria automobilística americana, especificamente na Hydronic Division da General Motors , em 1968, devido a grande dificuldade de mudar a lógica de controla de painéis de comando a cada mudança na linha de montagem. Tais mudanças implicavam em altos gastos de tempo e dinheiro.

Sob a liderança do engenheiro Richard Morley, foi preparada uma especificação que refletia as necessidades de muitos usuários de circuitos à reles, não só da indústria automobilística, como de toda a indústria manufatureira.

Nascia assim, um equipamento bastante versátil e de fácil utilização, que vem se aprimorando constantemente, diversificando cada vez mais os setores industriais e suas aplicações, o que justifica hoje ( junho /1998) um mercado mundial estimado em 4 bilhões de dólares anuais.

Desde o seu aparecimento, até hoje, muita coisa evoluiu nos controladores lógicos, como a variedade de tipos de entradas e saídas, o aumento da velocidade de processamento, a inclusão de blocos lógicos complexos para tratamento das entradas e saídas e principalmente o modo de programação e a interface com o usuário.

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 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 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.

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 micro - computadores ( normalmente clones do IBM PC ), os CLPs passaram a incluir uma entrada para a comunicação serial. Com o auxílio do 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 outro fabricante, não só CLPs , como Controladores de Processos, Sistemas Supervisórios, Redes Internas de Comunicação e etc., proporcionando uma integração afim de facilitar a automação, gerenciamento e desenvolvimento de plantas industriais mais flexíveis e normalizadas, fruto da chamada Globalização. Existe uma Fundação Mundial para o estabelecimento de normas e protocolos de comunicação.

- Ocupam menor espaço; - Requerem menor potência elétrica;

- Podem ser reutilizados; - São programáveis, permitindo alterar os parâmetros de controle;

- Apresentam maior confiabilidade;

- Manutenção mais fácil e rápida;

- Oferecem maior flexibilidade;

- Apresentam interface de comunicação com outros CLPs e computadores de controle;

- Permitem maior rapidez na elaboração do projeto do sistema.

TRANSFERIR PARA A MEMÓRIACICLO DE
ATUALIZAR AS SAÍDAS

No momento em que é ligado o CLP executa uma série de operações pré - programadas, gravadas em seu Programa Monitor :

- Verifica o funcionamento eletrônico da C.P.U. , memórias e circuitos auxiliares; - Verifica a configuração interna e compara com os circuitos instalados;

- Verifica o estado das chaves principais ( RUN / STOP , PROG, etc. );

- Desativa todas as saídas;

- Verifica a existência de um programa de usuário;

- Emite um aviso de erro caso algum dos itens acima falhe.

O CLP lê o estados de cada uma das entradas, verificando se alguma foi acionada. O processo de leitura recebe o nome de Ciclo de Varredura ( Scan ) e normalmente é de alguns micro - segundos ( scan time ).

Após o Ciclo de Varredura, o CLP armazena os resultados obtidos em uma região de memória chamada de Memória Imagem das Entradas e Saídas. Ela recebe este nome por ser um espelho do estado das entradas e saídas. Esta memória será consultada pelo CLP no decorrer do processamento do programa do usuário.

O CLP ao executar o programa do usuário , após consultar a Memória Imagem das Entradas , atualiza o estado da Memória Imagem das Saídas, de acordo com as instruções definidas pelo usuário em seu programa.

O CLP escreve o valor contido na Memória das Saídas , atualizando as interfaces ou módulos de saída. Inicia - se então, um novo ciclo de varredura.

O C.L.P. é um sistema microprocessado , ou seja, constituí - se de um microprocessador ( ou microcontrolador ), um Programa Monitor , uma Memória de Programa , uma Memória de Dados, uma ou mais Interfaces de Entrada, uma ou mais Interfaces de Saída e Circuitos Auxiliares.

REDEFONTE DE MEMÓRIA DO TERMINAL DE
ELÉTRICAALIMENTAÇÃO USUÁRIO PROGRAMAÇÃO
UNIDADE DEMEMÓRIA
PROCESSAMENTODE DADOS MÓDULOS
MEMÓRIA DOMEMÓRIA MÓDULOS
PROGRAMA IMAGEMDE ENTRADAS
CIRCUITOSBATERIA

A Fonte de Alimentação tem normalmente as seguintes funções básicas :

- Converter a tensão da rede elétrica ( 110 ou 220 VCA ) para a tensão de alimentação dos circuitos eletrônicos , ( + 5VCC para o microprocessador , memórias e circuitos auxiliares e +/- 12 VCC para a comunicação com o programador ou computador ); - Manter a carga da bateria, nos sistemas que utilizam relógio em tempo real e Memória do tipo R.A.M.;

- Fornecer tensão para alimentação das entradas e saídas ( 12 ou 24 VCC ).

Também chamada de C.P.U. é responsável pela funcionamento lógico de todos os circuitos. Nos CLPs modulares a CPU está em uma placa ( ou módulo ) separada das demais, podendo - se achar combinações de CPU e Fonte de Alimentação. Nos CLPs de menor porte a CPU e os demais circuitos estão todos em único módulo. As características mais comuns são :

- Microprocessadores ou Microcontroladores de 8 ou 16 bits ( INTEL 80xx, MOTOROLA 68xx,

ZILOG Z80xx, PIC 16xx ); - Endereçamento de memória de até 1 Mega Byte;

- Velocidades de CLOCK variando de 4 a 30 MHZ;

- Manipulação de dados decimais, octais e hexadecimais.

As baterias são usadas nos CLPs para manter o circuito do Relógio em Tempo Real, reter parâmetros ou programas ( em memórias do tipo RAM ) ,mesmo em caso de corte de energia , guardar configurações de equipamentos etc. Normalmente são utilizadas baterias recarregáveis do tipo Ni - Ca ou Li. Neste casos , incorporam se circuitos carregadores.

O Programa Monitor é o responsável pelo funcionamento geral do CLP. Ele é o responsável pelo gerenciamento de todas as atividades do CLP. Não pode ser alterado pelo usuário e fica armazenado em memórias do tipo PROM , EPROM ou EEPROM . Ele funciona de maneira similar ao Sistema Operacional dos microcomputadores. É o Programa Monitor que permite a transferência de programas entre um microcomputador ou Terminal de Programação e o CLP, gerênciar o estado da bateria do sistema, controlar os diversos opcionais etc.

É onde se armazena o programa da aplicação desenvolvido pelo usuário. Pode ser alterada pelo usuário, já que uma das vantagens do uso de CLPs é a flexibilidade de programação. Inicialmente era constituída de memórias do tipo EPROM , sendo hoje utilizadas memórias do tipo RAM ( cujo programa é mantido pelo uso de baterias ) , EEPROM e FLASH-EPROM , sendo também comum o uso de cartuchos de memória, que permite a troca do programa com a troca do cartucho de memória. A capacidade desta memória varia bastante de acordo com o marca/modelo do CLP, sendo normalmente dimensionadas em Passos de Programa.

queda de energia

É a região de memória destinada a armazenar os dados do programa do usuário. Estes dados são valores de temporizadores, valores de contadores, códigos de erro, senhas de acesso, etc. São normalmente partes da memória RAM do CLP. São valores armazenados que serão consultados e ou alterados durante a execução do programa do usuário. Em alguns CLPs , utiliza - se a bateria para reter os valores desta memória no caso de uma

Sempre que a CPU executa um ciclo de leitura das entradas ou executa uma modificação nas saídas, ela armazena o estados da cada uma das entradas ou saídas em uma região de memória denominada Memória Imagem das Entradas / Saídas. Essa região de memória funciona como uma espécie de “ tabela ” onde a CPU irá obter informações das entradas ou saídas para tomar as decisões durante o processamento do programa do usuário.

São circuitos responsáveis para atuar em casos de falha do CLP. Alguns deles são :

- POWER ON RESET : Quando se energiza um equipamento eletrônico digital, não é possível prever o estado lógico dos circuitos internos. Para que não ocorra um acionamento indevido de uma saída , que pode causar um acidente , existe um circuito encarregado de desligar as saídas no instante em que se energiza o equipamento. Assim que o microprocessador assume o controle do equipamento esse circuito é desabilitado.

- POWER - DOWN : O caso inverso ocorre quando um equipamento é subitamente desenergizado . O conteúdo das memórias pode ser perdido. Existe um circuito responsável por monitorar a tensão de alimentação, e em caso do valor desta cair abaixo de um limite pré - determinado, o circuito é acionado interrompendo o processamento para avisar o microprocessador e armazenar o conteúdo das memórias em tempo hábil.

- WATCH - DOG - TIMER : Para garantir no caso de falha do microprocessador , o programa não entre em “ loop” , o que seria um desastre, existe um circuito denominado “ Cão de Guarda “ , que deve ser acionado em intervalos de tempo pré - determinados . Caso não seja acionado , ele assume o controle do circuito sinalizando um falha geral.

São circuitos utilizados para adequar eletricamente os sinais de entrada para que possa ser processado pela CPU ( ou microprocessador ) do CLP . Temos dois tipos básicos de entrada : as digitais e as analógicas.

ENTRADAS DIGITAIS : São aquelas que possuem apenas dois estados possíveis, ligado ou desligado , e alguns dos exemplos de dispositivos que podem ser ligados a elas são :

- Botoeiras; - Chaves ( ou micro ) fim de curso;

- Sensores de proximidade indutivos ou capacitivos;

- Chaves comutadoras;

- Termostatos;

- Pressostatos;

- Controle de nível ( bóia );

- Etc.

Esta isolação é feita normalmente através de optoacopladores

As entradas digitais podem ser construídas para operarem em corrente contínua ( 24 VCC ) ou em corrente alternada ( 110 ou 220 VCA ). Podem ser também do tipo N ( NPN ) ou do tipo P ( PNP ). No caso do tipo N , é necessário fornecer o potencial negativo ( terra ou neutro ) da fonte de alimentação ao borne de entrada para que a mesma seja ativada. No caso do tipo P é necessário fornecer o potencial positivo ( fase ) ao borne de entrada. Em qualquer dos tipos é de praxe existir uma isolação galvânica entre o circuito de entrada e a CPU.

As entradas de 24 VCC são utilizadas quando a distância entre os dispositivos de entrada e o CLP não excedam 50 m. Caso contrário , o nível de ruído pode provocar disparos acidentais.

Exemplo de circuito de entrada digital 24 VCC :

Exemplo de circuito de entrada digital 110 / 220 VCA :

As Interfaces de Entrada Analógica , permitem que o CLP possa manipular grandezas analógicas, enviadas normalmente por sensores eletrônicos. As grandezas analógicas elétricas tratadas por estes módulos são normalmente tensão e corrente. No caso de tensão as faixas de utilização são : 0 á 10 VCC, 0 á 5 VCC, 1 á 5 VCC, -5 á +5 VCC, -10 á +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 á 20 mA , 4 á 20 mA.

Os principais dispositivos utilizados com as entradas analógicas são :

- Sensores de pressão manométrica; - Sensores de pressão mecânica ( strain gauges - utilizados em células de carga );

ENTRADA 24 VCC C.P.U.

- Taco - geradores para medição rotação de eixos; - Transmissores de temperatura;

- Transmissores de umidade relativa;

Uma informação importante a respeito das entradas analógicas é a sua resolução. Esta é normalmente medida em Bits. Uma entrada analógica com um maior número de bits permite uma melhor representação da grandeza analógica. Por exemplo : Uma placa de entrada analógica de 0 á 10 VCC com uma resolução de 8 bits permite uma sensibilidade de 39,2 mV , enquanto que a mesma faixa em uma entrada de 12 bits permite uma sensibilidade de 2,4 mV e uma de 16 bits permite uma sensibilidade de 0,2 mV.

Exemplo de um circuito de entrada analógico :

Existem módulos especiais de entrada com funções bastante especializadas. Alguns exemplos são :

- Módulos Contadores de Fase Única; - Módulos Contadores de Dupla Fase;

- Módulos para Encoder Incremental;

- Módulos para Encoder Absoluto;

- Módulos para Termopares ( Tipo J, K, L , S, etc );

- Módulos para Termoresistências ( PT-100, Ni-100, Cu-25 ,etc);

- Módulos para Sensores de Ponte Balanceada do tipo Strain - Gauges;

- Módulos para leitura de grandezas elétricas ( KW , KWh , KQ, KQh, cos Fi , I , V , etc).

Os Módulos ou Interfaces de Saída adequam eletricamente os sinais vindos do microprocessador para que possamos atuar nos circuitos controlados . Existem dois tipos básicos de interfaces de saída : as digitais e as analógicas .

SAÍDAS DIGITAIS : As saídas digitais admitem apenas dois estados : ligado e desligado. Podemos com elas controlar dispositivos do tipo :

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