Apostila - CLP - LADDER

Apostila - CLP - LADDER

(Parte 1 de 4)

Instituto federal de educação, ciência e tecnologia de Goiás (IFG)

Campus Jataí

CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS (CLP´s)

Programação LADDER

Prof. Dr. André Luiz

1 – Introdução

A palavra automação está diretamente ligada ao controle automático, ou seja ações que não dependem da intervenção humana. Este conceito é discutível pois a “mão do homem” sempre será necessária, pois sem ela não seria possível a construção e implementação dos processos automáticos. Entretanto não é o objetivo deste trabalho este tipo de abordagem filosófica, ou sociológica.

Historicamente, o surgimento da automação está ligado com a mecanização, sendo muito antigo, remontando da época de 3500 e 3200 a.C., com a utilização da roda.

O objetivo era sempre o mesmo, o de simplificar o trabalho do homem, de forma a substituir o esforço braçal por outros meios e mecanismos, liberando o tempo disponível para outros afazeres, valorizando o tempo útil para as atividades do intelecto, das artes, lazer ou simplesmente entretenimento. Enfim, nos tempos modernos, entende-se por automação qualquer sistema apoiado em microprocessadores que substitua o trabalho humano.

Atualmente a automação industrial é muito aplicada para melhorar a produtividade e qualidade nos processos considerados repetitivos, estando presente no dia-a-dia das empresas para apoiar conceitos de produção tais como os Sistemas Flexíveis de Manufatura.

Sob o ponto de vista produtivo, a automação industrial pode ser dividida em 2 classes: a rígida, a flexível, aplicadas a grandes, médios e pequenos lotes de fabricação, respectivamente.

Ainda segundo a literatura, a automação industrial pode ser entendida como uma tecnologia integradora de três áreas: a eletrônica responsável pelo hardware, a mecânica na forma de dispositivos mecânicos (atuadores) e a informática responsável pelo software que irá controlar todo o sistema. Desse modo, para efetivar projetos nesta área exige-se uma grande gama de conhecimentos, impondo uma formação muito ampla e diversificada dos projetistas, ou então um trabalho de equipe muito bem coordenado com perfis interdisciplinares. Os grandes projetos neste campo envolvem uma infinidade de profissionais e os custos são suportados geralmente por grandes empresas.

Recentemente, para formar profissionais aptos ao trabalho com automação, surgiu a disciplina “mecatrônica”. Entretanto é uma tarefa muito difícil a absorção de forma completa todos os conhecimentos necessários, e este profissional com certeza se torna um “generalista” que eventualmente pode precisar da ajuda de especialistas de outras áreas. Este ainda é um desafio didático a ser resolvido, mas ainda existe uma alternativa que é a criação de equipes multidisciplinares.

Os sistemas automatizados podem ser aplicados em simples máquina ou em toda indústria, como é o caso das usinas de cana e açúcar. A diferença está no número de elementos monitorados e controlados, denominados de “pontos”.

2 - Controladores Lógicos Programáveis (CLP)

O critério de projeto para o primeiro controlador programável foi especificado em 1968 por uma divisão da GENERAL MOTORS CORPORATION. O objetivo inicial era eliminar o alto custo associado com os sistemas controlados a relés. As especificações iniciais requeriam um sistema de estado sólido com a flexibilidade do computador, capaz de suportar o ambiente industrial, ser facilmente programado e reprogramado, manutenção fácil e por último facilmente expansível e utilizável.

Devido ao intuito inicial de substituírem os painéis de relés no controle discreto, foram chamados de Controladores Lógicos Programáveis - CLP (Programmable Logic Controllers - PLC).

Os primeiros controladores tinham pouca capacidade de processamento e suas aplicações se limitavam à máquinas e pequenos processos que necessitavam de operações repetitivas. A partir de 1970, com o advento da tecnologia de microprocessadores, os controladores passaram ter uma grande capacidade de processamento e alta flexibilidade de programação e expansão. Entre outras características citamos: a capacidade de operar com números, manusear dados e se comunicar com computadores. Desta forma, os CLPs atuais podem atuar tanto em controle discreto, tais como, automação da manufatura, onde as máquinas apresentam ações automáticas e discretizada no tempo, como em controle contínuo, tais como, processos químicos e siderúrgicos, com características primordialmente analógicas.

O sistema utilizado para programar o controlador era um dispositivo dedicado e acondicionado em um maleta portátil, chamada de maleta de programação, de forma que podia ser levada para "campo" afim de alterar dados e realizar pequenas modificações no programa. O sistema de memória do controlador não permitia facilidades de programação por utilizar memórias do tipo EPROM. Inovações no hardware e software entre 1975 e 1979 proporcionaram ao controlador maior flexibilidade e capacidade de processamento, isto significou aumento na capacidade de memória e de entradas/saídas, permitiu entradas/saídas remotas, controle analógico, controle de posicionamento, comunicações, etc. A expansão de memória permitiu um programa de aplicação maior e uma maior quantidade de dados de forma que os programas de controle não ficassem restritos à lógica e seqüenciamento, mas também realizassem aquisição e manipulação de dados.

Os custos com fiação foram reduzidos significativamente com a capacidade do controlador de comunicar-se com subsistemas de entrada/saída localizados em pontos remotos, distante da unidade central de processamento e perto do equipamento a ser controlado. Ao invés de trazer centenas de fios para o armário do CLP, os sinais dos subsistemas podem ser multiplexados e transmitidos por um único par de fios trançados. Esta técnica permitiu a decomposição de grandes sistemas em pequenos subsistemas melhorando a confiabilidade, manutenção e partida gradual dos subsistemas principais.

A tecnologia dos CLPs só foi possível com o advento dos chamados Circuitos Integrados e da evolução da lógica digital. Este equipamento trouxe consigo as seguintes vantagens:

fácil diagnóstico durante o projeto

economia de espaço devido ao seu tamanho reduzido

não produzem faíscas

podem ser programados sem interromper o processo produtivo

possibilidade de criar um banco de armazenamento de programas

baixo consumo de energia

necessita de uma reduzida equipe de manutenção

tem a flexibilidade para expansão do número de entradas e saídas

capacidade de comunicação com diversos outros equipamentos, entre outras

Atualmente, existem vários tipos de controladores, desde pequena capacidade até os mais sofisticados realizando operações que antes eram consideradas específicas para computadores. A evolução do hardware conduziu a melhoras significativas nas características do controlador, entre outras citamos:

  • Redução no tempo de varredura;

  • Uma Interface Homem Máquina (IHM) mais poderosa e amigável.

  • No software também surgiram novas características, tais como:

  • Linguagem em blocos funcionais e estruturação de programa;

  • Linguagens de programação de alto nível, baseadas em BASIC;

  • Diagnósticos e detecção de falhas;

2.1 - Utilização dos CLP’s

Toda planta industrial necessita de algum tipo de controlador par garantir uma operação segura e economicamente viável. Desde o nível mais simples, em que pode ser utilizado para controlar o motor de um ventilador para regular a temperatura de uma sala, até o 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. Os sensores no geral são tidos como os olhos de um determinado processo, ou seja, tem como função indicar ao respectivo controlador como se encontra um determinado ponto do processo (ligado, desligado, 0 ou 1). Um exemplo típico é um botão de impulso, em que um sinal elétrico é enviado do botão ao CLP, indicando sua condição atual (pressionado ou liberado).

Atuadores: Sua função consiste em converter o sinal elétrico oriundo do CLP em uma condição física, normalmente ligando ou desligando algum elemento, ou seja, os atuadores são os dispositivos responsáveis pela realização de trabalho no processo ao qual está se aplicando a automação. Podem ser magnéticos, hidráulicos, pneumáticos, elétricos, ou de acionamento misto. 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 controlador que o comanda. (São tidos como os braços de um determinado processo)

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 um trabalho no processo, tais como válvulas, motores, bombas, etc. Alguns controladores podem mostrar a situação atual do processo através de uma tela ou em um display. São considerados como o cérebro do processo.

De uma forma geral o processo sob controle tem o diagrama semelhante ao mostrado na figura 1.

Figura 1 – Diagrama simplificado de um sistema de controle automático

A completa automatização de um sistema envolve o estudo dos quatro elementos da figura 1, seja o sistema de pequeno, médio ou grande porte. Estes últimos podem atingir uma a complexidade e tamanho tais que, para o seu controle, deve-se dividir o problema de controle em camadas, onde a comunicação e “hierarquia” dos elementos é similar a uma estrutura organizacional do tipo funcional. A figura 2 mostra de forma simplificada este tipo de organização.

Figura 2 – Arquitetura de rede simplificada para um sistema automatizado

Nota-se que os elementos mostrados na figura 1 pertencem a primeira e segunda camadas. Na terceira camada estão os sistemas supervisórios, operados pela “mão humana”, onde são tomadas decisões importantes no processo, tal como paradas programadas de máquina e alterações no volume de produção. Esses também estão integrados com os sistemas gerenciais, responsáveis pela contabilidade dos produtos e recursos fabris.

2.2 - Arquitetura dos CLPs e princípio de funcionamento

O CLP é um equipamento de estado sólido que pode ser programado para executar instruções que controlam dispositivos, máquinas e operações de processos pela implementação de funções específicas, como lógica de controle, seqüencialmente, controle de tempo, operações aritméticas, controle de malha, transmissão de dados etc.

Os CLP’s são projetados e construídos para operarem em ambientes severos, portanto devem resistir a altas temperaturas, ruídos elétricos, poluição atmosférica, ambientes úmidos etc.

Sua capacidade quanto ao número de entradas e saídas, memória, conjunto de instruções, velocidade de processamento, conectividade, flexibilidade, IHM etc, varia conforme o fabricante.

Um controlador programável, independente do tamanho, custo ou complexidade, consiste de cinco elementos básicos:

  • Processador;

  • Memória;

  • Sistema de entradas/saídas;

  • Fonte de alimentação;

  • Terminal de programação.

A três partes principais (processador, memória e fonte de alimentação) formam o que chamamos de CPU - Unidade Central de Processamento.

Figura 3 - Diagrama de Blocos de um Controlador Lógico Programável

O Processador lê dados de entrada de vários dispositivos, executa o programa do usuário armazenado na memória e envia dados de saída para comandar os dispositivos de controle. Este processo de leitura das entradas, execução do programa e controle das saída é feito de uma forma contínua e é chamado de ciclo de varredura.

O sistema de entrada/saída forma a interface pelo qual os dispositivos de campo são conectados ao controlador. O propósito desta interface é condicionar os vários sinais recebidos ou enviados ao mundo externo. Sinais provenientes de sensores tais como push-buttons, chaves limites, sensores analógicos e chaves seletoras, são conectados aos terminais dos módulos de entrada. Dispositivos que devem ser controlados, como válvulas solenóides, lâmpadas pilotos e outros, sãos conectados aos terminais dos módulos de saída.

A fonte de alimentação fornece todas as tensões necessárias para a devida operação do CP e da interface dos módulos de entrada e saída.

Dependendo de como estas partes estão fisicamente organizadas podemos ter dois tipos de estrutura. A primeira é do tipo compacta, onde todos os componentes são colocados em uma única estrutura física, isto é, o processador, a memória, a fonte e o sistema de entrada/saída são colocados em um gabinete ficando o usuário com acesso somente aos conectores do sistema E/S. Este tipo de estrutura é normalmente empregada para CLPs de pequeno porte.

A segunda estrutura apresenta uma abordagem modular onde cada componente ou um conjunto deles é colocado em um módulo. Podemos ter processador e memória em um único módulo com fonte separada ou então estas três partes juntas em um único gabinete. O sistema de entrada/saída é decomposto em módulos de acordo com suas características. Estes módulos são então colocados em racks formando uma configuração de médio e grande porte.

Outro componente de controlador programável é o dispositivo de programação. Embora seja considerado como parte do controlador, o terminal de programação, como era chamado antes, é requerido apenas para entrar com o programa de aplicação na memória do controlador. Uma vez carregado o programa o terminal pode ser desconectado do controlador. Atualmente se usa o microcomputador para programar o CLP e devido à capacidade de processamento do mesmo, este também é utilizado para monitoração e depuração do programa.

Figura 4 – Diagrama de Blocos CLP.

2.3 - Classificação dos CLPs segundo a capacidade

Além da classificação histórica, os CLPs podem ser classificados também segundo a sua capacidade, como descrito abaixo.

Nano e micro CLPs: possuem até 16 entradas e a saídas. Normalmente são compostos por um único módulo com capacidade de memória máxima de 512 passos.

CLPs de médio porte: capacidade de entrada e saída em até 256 pontos, digitais e analógicas. Permitem até 2048 passos de memória.

CLPs de grande porte: construção modular com CPU principal e auxiliares. Módulos de entrada e saída digitais e analógicas, módulos especializados, módulos para redes locais. Permitem a utilização de até 4096 pontos. A memória pode ser otimizada para o tamanho requerido pelo usuário.

3 - Controlador Lógico Programável vs Painel de Relés

Controladores Programáveis ou painéis de relés? Esta foi provavelmente uma pergunta muito comum entre os engenheiros de sistemas, controle, projetistas, etc. Não se pode generalizar, mas é certo que alta qualidade e produtividade não podem ser obtidas, de maneira econômica, sem equipamento de controle eletrônico. Com o rápido desenvolvimento e crescimento da competição, o custo do controlador programável tem caído significativamente a ponto de que o estudo de CLP versus relés, no ponto de vista de custo não ser mais válido. As aplicações com controladores programáveis podem, agora, serem avaliadas por seus próprios méritos. Requisitos tais como indicados abaixo seguramente levam à opção pelo CLP ao invés de relés:

  • Necessidade de flexibilidade de mudanças na lógica de controle;

  • Necessidade de alta confiabilidade;

  • Espaço físico disponível pequeno;

  • Expansão de entradas e saídas;

  • Modificação rápida;

  • Lógicas similares em várias máquinas;

  • Comunicação com computadores em níveis superiores.

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