Controlador Lógico Programado

Controlador Lógico Programado

Controlador Lógico Programado

(Victor Finkel)

Introdução

Até o início da década de 1960, a utilização de relés eletromecânicos era praticamente a única opção possível, em termos de controle lógico industrial, a não ser que se optasse pela utilização de alguns módulos lógicos a base de válvulas, que eram pouco confiáveis. Estes relés eram normalmente do tipo contator, para 300 ou 600 V, 10 A.

Na verdade, o relé de controle industrial não é um elemento lógico ruim. Sua estrutura multipolar e seus contatos intercambiáveis fazem com que eles sejam flexíveis e econômicos, sua vida útil atinge centenas de milhares de operações e o pessoal de manutenção tem facilidade de entendê-los bem. Mas eles também apresentam desvantagens: eles são volumosos, tem a tendência de apresentar falhas intermitentes que são difíceis de localizar e, finalmente, sua vida útil é comprometida pelo fato de que eles se desgastam com o uso. Além disso, a interligação de relés em um sistema lógico completo é uma atividade lenta e trabalhosa, sendo que é difícil implementar modificações caso elas se tornem necessárias durante a fase de testes, ou mesmo mais tarde, caso as necessidades operacionais sejam modificadas.

Ao longo dos anos, o uso de relés lógicos industriais não esteve restrito inteiramente aos relés tipo para controle de motores. Os relés tipo reed e os módulos lógicos tipo reed foram experimentados e postos de lado; relés encapsulados de baixa voltagem foram utilizados com algum sucesso e, mais recentemente, os fabricantes introduziram modificações nos relés tipo para controle de motores.

Mas ainda hoje, o relé tipo controle de motor é o de mais larga utilização em lógica industrial por relés.

Quando surgiram os primeiros módulos lógicos de estado sólido, na primeira metade da década de 1960, previu-se que eles tomariam conta rapidamente do mercado até então dominado pelos relés. Entre suas vantagens sobre os relés, estavam sua alta confiabilidade, alta velocidade e a capacidade de executar operações complexas, e havia a esperança de se obter uma equivalência de custo no futuro.

Mas os problemas se sobrepuseram às vantagens potenciais. Era preciso usar algum tipo de álgebra Booleana no projeto e a maior parte dos profissionais envolvidos com projetos de controle elétricos só tinha experiência com esquemas funcionais tipo Diagrama ladder. As primeiras unidades de estado sólido eram particularmente sensíveis a interferência e ruídos elétricos originários das próprias instalações industriais. O pessoal de manutenção não tinha experiência com componentes de estado sólido, o que tornava difícil executar reparos rápidos com a orientação dos diagramas lógicos. E, no início, os custos dos sistemas de estado sólido eram muito mais elevados que os de sistemas de relés equivalentes. Além disso, o baixo grau de confiabilidade dos dispositivos de entrada, especialmente das chaves de fim de curso, comprometia seriamente a confiabilidade global do sistema, ainda que o sistema lógico propriamente dito fosse bastante confiável. E, mais importante que tudo isso, esses sistemas de estado sólido ainda estavam presos às limitações das fiações, o que tornava difícil modificar a lógica, da mesma forma que nos sistemas de relés.

Com os aperfeiçoamentos que foram surgindo, os sistemas de estado sólido com lógica fixa foram superados e, embora tenham encontrado algumas aplicações especificas (por exemplo, em sistemas complexos onde o uso de lógica de relés é difícil), afetaram pouco a posição dos relés no mercado de lógica. Mais recentemente, vários fabricantes lançaram módulos lógicos de estado sólido que usam lógica tipo Diagrama ladder, o que dá condições ao projetista de desenvolver sistemas de forma semelhante àqueles que usavam relés eletromecânicos. Foi isto, aliado a custos mais baixos e a uma maior imunidade a ruídos, graças ao uso de circuitos integrados, adequados que tornou a utilização desses sistemas mais atraentes.

É interessante notar que o controlador lógico programável (CLP) foi, em parte, responsável por isso, na medida em que a aceitabilidade do CLP aumentou a aceitação de todos os tipos de sistemas de controle do estado sólido no ambiente industrial.

Com o aperfeiçoamento dos minicomputadores, no final da década de 1960 e início da de 1970, alguns dos mais ousados projetistas de sistemas de controle começaram a testar o uso desses computadores como controladores lógicos. Embora tenha ficado claro que os computadores eram capazes de executar as funções necessárias sob condições ideais, apareceram muito problemas.

Os computadores não haviam sido projetados para operar nos ambientes hostis de unidades industriais e, assim, houve a necessidade de se construir interfaces especiais de entrada/saída, já que as interfaces de controle industrial não faziam parte da linha de produtos normal dos fabricantes de computadores e, além disso, a programação (freqüentemente em linguagem de máquina) era difícil e demorada.

Atualmente, embora ainda se usem computadores para controle lógico, isso geralmente ocorre em aplicações onde a lógica é pouco relevante e a manipulação de dados requer a utilização de computadores.

Os problemas de controle lógico mencionados até aqui certamente ocorreram a David Emmet, a William Stone e a seus colaboradores na General Motors em l968, quando eles solicitaram aos fabricantes de instrumentos de controle que desenvolvessem um novo tipo de controlador lógico. Eles queriam um controlador lógico com as seguintes características:

  1. Este novo controlador deveria ser facilmente programável e reprogamável, ou seja, deveria permitir que sua seqüência de operações fosse mudada rapidamente, mesmo depois de instalada.

  2. Deveria ser de fácil manutenção, sendo preferencialmente constituído de componentes encaixáveis (tipo plug-in).

  3. Deveria ter condições de funcionar em ambientes industriais com maior confiabilidade que os painéis de relés.

  4. Deveria ser fisicamente menor que os sistemas de relés, já que espaço é dinheiro.

  5. A unidade deveria ter condições de ser ligada a um sistema central de coleta de dados.

  6. A nova unidade deverá ter um preço que fosse competitivo com os sistemas de relés e de estado sólido que eram usados até então.

Além dos seis objetivos acima, o sistema deveria ser capaz de atender a algumas outras especificações, quais sejam:

  1. Aceitar todas as entradas em 115 V CA.

  2. Todas as saídas deveriam ser em 115 V CA com uma capacidade mínima de 2 amperes, para operar com válvulas solenóides, contatores.

  3. A unidade básica deveria permitir expansões com alterações mínimas no sistema como um todo.

  4. Cada unidade deveria ser dotada de uma memória programável com capacidade mínima de 4.000 palavras, e que pudesse ser expandida.

Dessa forma, a partir da imaginação fértil de umas poucas pessoas, surgiu um novo ramo da indústria já que, a menos de algumas exceções, os requisitos acima descrevem os controladores programáveis que são comercializados atualmente.

Os primeiros CLPs eram equipamentos grandes e relativamente caros, de forma que só eram considerados competitivos para aplicações que eqüivalessem a pelo menos 150 relés. Mas com melhorias de projeto e o uso de circuito integrados, pode-se atualmente usar CLPs para circuitos equivalentes a até 15 relés.

O Controlador Lógico Programável típico aceita entradas de dispositivos como chaves de fim de curso, botoeiras, pressostatos, chaves de proximidade e termostatos, e suas saídas podem ir para atuadores como válvulas solenóide, contatores e lâmpadas indicadoras. As interfaces de um CLP típico são em 115 V CA, 60 Hz, enquanto que a lógica interna funciona com 5 V CC.

Um programa ou conjunto de instruções representando, por exemplo, uma configuração tipo Diagrama ladder é armazenado de forma seqüencial na memória do controlador. Essas instruções sofrem então uma varredura, o que leva o controlador a executar ações tais como examinar o estado ligado ou desligado de uma determinada entrada ou saída de acordo com as instruções, energizar ou desenergizar um determinado dispositivo de saída, de acordo com as instruções, e reconhecer o início ou o fim de uma derivação em paralelo. O controlador procederá à varredura do conjunto de instruções de forma repetitiva em alta velocidade, modificando a cada vez o estado energizado ou desenergizado de cada saída com base no estado detectado das entradas e na lógica do programa de controle.

O elemento mais importante e discutido de um controlador e, provavelmente, sua memória, já que a perda ou mesmo um erro na memória pode vir a destruir o sistema de controle.

Os tipos de memória usados nos controladores atuais são os seguintes:

ROM: memória para ler somente

RAM: memória para ler e escrever

PROM: memória programável só para leitura

EPROM: memória apagável só para leitura

EAROM: memória eletricamente alterável só para leitura

EEPROM: (E2PROM): memória eletricamente apagável e programável

NOVRAM: memória não volátil para ler e escrever.

A avó das memorais ler/escrever é a matriz de núcleos magnéticos, usada em computadores durante muitos anos e, que ainda encontrou aplicação em diversos modelos de controladores programáveis. Os dados são armazenados através do estado de magnetização de minúsculos toróides de ferrite Trata-se de uma memória permanente, já que ela é capaz de reter os dados mesmo em caso de falta de alimentação elétrica, mas durante o ciclo de leitura, o conteúdo de cada toróide é apagado e depois reescrito. É por esse motivo que a ocorrência de transientes ou pulsos erráticos durante um ciclo de leitura pode significar perda de dados; assim, deve-se tomar o cuidado de dotar a memória de blindagem e filtragem adequadas, para que ela possa funcionar de forma correta em controladores. Normalmente todos os dados tirados da memória são submetidos a uma verificação de paridade, para se assegurar que não ocorreu um erro.

Um dos tipos mais recentes de memória ler/escrever, que é bastante popular nos controladores atuais, é o semicondutor CMOS de memória com acesso aleatório (RAM). Neste tipo de memória, cada célula é constituída por um flip-flop, de forma que se trata de uma memória volátil e que todo o conteúdo da memória se perde no caso de falta de alimentação. Para se evitar este problema, a memória deve ser dotada de uma bateria de back up que a mantenha energizada mesmo durante uma interrupção na alimentação normal. Diz-se que as baterias de Ni-Cd a plena carga podem garantir a manutenção dos dados na memória durante períodos de até 180 dias, à temperatura ambiente. Mas esse período de tempo cai rapidamente com o aumento da temperatura; a 60 oC, por exemplo, o tempo estimado é de 57 dias. Assim, os usuários que lidam com máquinas ou controle de processos críticos tem demonstrado uma certa relutância em utilizar memorais voláteis como as CMOS.

Há, entretanto, outros tipos de memória em uso. O tipo mais popular de PROM é a memória de circuito integrado com matriz de diodos e fusíveis. Neste tipo de memória programável, aplica-se uma sobrecorrente aos fusíveis abrindo-os, para se configurar uma matriz de diodos com o programa adequado. A chance de perder o conteúdo da memória é mínima neste tipo de unidade. A desvantagem é que o conteúdo da memória praticamente não pode ser alterado, já que os fusíveis abertos não podem ser reconstituídos. Em alguns casos, se houver espaço de reserva no chip de memória, todos os fusíveis podem ser abertos na região onde estão os dados a serem modificados, com os novos dados sendo armazenados no espaço reserva. Entretanto, na maioria das vezes, quando uma mudança é necessária, programa-se um novo chip em substituição ao antigo. Isto encarece a operação e, em alguns casos, traz complicações à programação.

Alguns fabricantes de controladores que usam PROM 's de matriz de diodos e fusíveis a programação preliminar em memorais de outro tipo e só realizam a transferência para a PROM após o programa ter sido testado e aprovado.

A EPROM é uma memória apagável com ultravioleta só para a leitura. Na maioria dos casos, a memória tem que ser retirada do controlador para ser exposta à luz ultravioleta por um mínimo de 20 minutos. A memória é apagada de uma só vez e não bit a bit. Por este motivo, mudanças incrementais não podem ser feitas e a memória precisa ser totalmente reprogramada para uso posterior. Este tipo de memória é bastante confiável, mas o método de apagá-la é um tanto inconveniente.

Os controladores programáveis, desde o início, tem se baseado em computadores, que já são conhecidos dos usuários. Usavam-se minicomputadores, no início, e a tendência atual é o uso de microprocessadores. O acesso do usuário ao computador limita-se freqüentemente a itens como diagramas ladder e a programação com álgebra booleana, de forma a manter a simplicidade do controlador e sua facilidade de uso.

Já que o controlador cumpre toda a seqüência de instruções em ordem a cada ciclo, o tempo de varredura é função do número de palavras do programa e da velocidade da memória. O tempo de varredura varia tipicamente entre 2 e 7 ms por 1 000 palavras de memória. Nos controladores menor, com memória de apenas 256 palavras, o tempo de varredura pode ser diminuído para menos de 1 ms.

Além do tempo de varredura da memória, o controlador também gasta tempo para sentir uma entrada e ocasionar uma saída resultante. Alguns controladores são fornecidos com um filtro de ruídos em cada módulo de entrada, o que acarreta um retardo de 15 a 20 ms entre uma variação na entrada e seu conhecimento pelo controlador. Em alguns módulos especiais, esse retardo pode ser de apenas 1 ou 2 ms. Assim, a resposta a uma mudança lógica interna pode sofrer um retardo que varia de 1 a 10 ms.

Dessa forma, o período de tempo decorrido entre uma alteração na entrada externa e seu reflexo na saída pode ser expresso como a soma do retardo da entrada, do tempo de varredura do controlador e do retardo da saída. Este período pode variar entre 5 e 37 ms para 1.000 palavras de memória.

Todos os controladores programáveis são construídos com saídas e entradas isoladas, para impedir a entrada de ruídos elétricos externos. Os fornecedores oferecem uma ampla gama de opções de entrada e saída, que aceitam diversos níveis de tensão CA ou CC.

A capacidade de entradas e saídas varia enormemente com os diversos modelos de controladores programáveis, desde 32 entradas e saídas em qualquer combinação até 5 000 entradas e 5 000 saídas. Já que todos são modulares, é possível especificar o número desejado de entradas e saídas. A modularidade básica varia desde 1 entrada ou saída por módulo até 8 entradas e saídas ou mais. Há ainda módulos de entrada/saída de alta densidade para 16 ou 32 E/S. A capacidade básica de E/S de um controlador pode ser expandida através de entradas/saídas adicionais. Existe também a possibilidade de se incluir módulos opcionais de entrada e saída para desempenharem funções especiais, tais como sinais analógicos, contadores alta velocidade, controle PID.

No Diagrama ladder normal, as cargas externas que serão energizadas ou desenergizadas por apenas algumas das bobinas. As saídas são comandadas apenas pela lógica interna. É por este motivo que, em muitos controladores, existem saídas internas que se limitam a mudar o estado de uma posição de memória em vez de fazer uma conexão externa, como aconteceria no caso de cargas externas.

Além da isolação e dos filtros que impedem a entrada de interferências no sistema, os CLPs são construídos para suportar flutuações da tensão de alimentação, campos elétricos espúrios e outros tipos de interferência. OS CLPs geralmente não precisam de refrigeração externa e são montados em gabinetes tipo NEMA 4.

Até mesmo os primeiros controladores programáveis podiam executar outras funções além das funções simples discutidas até aqui como, por exemplo, as funções de contador, temporizador, deslocamento de registros operacionais, e retenção de estado. à medida que o CLP evoluiu e suas aplicações se diversificaram, tornou-se obvio que seria aconselhável aumentar suas capacidades. Entre as novas funções, estão incluídas as seguintes: computação aritmética, E/S analógicas, E/S remotas, comunicação entre unidades ou entre um CLP e um computador, além de outras funções especializadas como impressoras locais de dados de testes ou de produção.

As funções de contador, temporizador e retenção são geralmente mecanizadas de dois modos distintos, dependendo do controlador. Nos modelos mais baratos, que são próprios para aplicações mais simples, essas funções são feitas através de módulos discretos dedicados conectados ao rack de E/S; nos modelos mais apurados, estas funções são feitas por software, e portanto estão incluídos na parte interna das unidades básicas.

Alguns fabricantes dotaram seus controladores de capacidade computacional, para que eles possam processar números reais em controle de processos. Isto pode ser feito de dois modos:

  1. de forma sincronizada com o ciclo de varredura;

  2. de forma assíncrona e independente do ciclo de varredura;

Praticamente a única vantagem da aritmética síncrona é que ela é facilmente programável através de uma maleta comum de programação. As operações são especificadas nume base degrau por degrau, como nos diagramas ladder e, às vezes, é necessário acrescentar degraus adicionais, caso o tempo de execução aritmética ultrapasse o ciclo de varredura. Isto aumenta o ciclo de varredura o que, essencialmente, significa que o restante do processo fica sem controle enquanto as computações estiverem sendo executadas. As funções de soma, subtração, multiplicação e divisão podem ser executadas normalmente, mas sua complexidade terá que ser limitada devido ao problema de timing.

As operações aritméticas assíncronas, por outro lado, são realizadas de forma independente do ciclo de varredura. Isto significa que, caso seja preciso executar cálculos longos e complexos, eles serão feitos off line enquanto o controlador central continua funcionando normalmente. Os resultados das operações aritméticas serão recolhidos pelo controlador após sua conclusão, quando necessário. A dificuldade apresentada por este método é que, freqüentemente, a programação não pode ser feita através da maleta normal de programação.

A utilização cada vez maior de controladores programáveis em processos industriais, onde aparecem variáveis continuas como temperatura, pressão e vazão, criou a necessidade de dotar os controladores condições de trabalhar com entradas/saídas analógicas. Embora existam outras alternativas, isso pode ser conseguido através de módulos E/S especiais que recebem sinais de tensão e ou corrente na entrada ( por ex.: 4 a 20 mA, 10 a 50 mA, 1 a 5 V CC) e os convertem em números decimais codificados binários de três dígitos (BCD) ou, então, pegam um valor BCD interno de três dígitos para converte-lo numa tensão (ou corrente) analógica de saída.

Em situações onde um controlador programável central recebe entradas e controla atuadores localizados a alguma distancia do CLP, as conexões podem ficar complexas e caras, se cada sensor e atuador tiver que ser ligado individualmente ao controlador. Com o objetivo de contornar este problema, pode-se usar racks remotos de E/S, que podem ser montados próximos aos pontos a serem controlados, e conectados ao CLP através de um cabo adequado.

Além disso, às vezes é necessário se interligar dois ou mais CLPs entre si ou a computadores, caso em que se usa normalmente portas tipo RS-232C ou similares.

Existem também as chamadas vias de dados (Data Highways), com as quais é possível interligar um grande número de CLPs, computadores e outros equipamentos digitais, entre os quais pode haver um fluxo de dados relativamente elevado. As vias de dados usam normalmente cabos coaxiais, podem operar em velocidades de centenas de kilobauds, e percorrer poucos quilômetros. Atualmente estão sendo feito esforços para padronizar estas vias entre os vários fabricantes.

As impressoras para uso industrial surgiram da necessidade de se registrar dados de teste e produção junto aos controladores programáveis. As própria impressoras podem ser programáveis, de forma que podem registrar informações tais como as causas de falhas de processo ou de defeitos em máquinas, tempo de parada para manutenção e variáveis fora da faixa de controle.

A linguagem de programação mais popular e, sem duvida, a notação tipo Diagrama ladder, idêntica aos esquemas com simbologia americana que se utilizam em projetos de sistemas com relés.

Todos os controladores tem certas regras que devem ser seguidas na elaboração do Diagrama ladder (por exemplo, a corrente não pode ter dois sentidos em um contato). Tais regras podem fazer com que o Diagrama ladder sofra algumas modificações em relação ao que seria feito para uso com relés, mas normalmente, as modificações são pequenas e não afetam o sentido do diagrama. Um problema mais serio ocorre quando o número de contatos permitidos em cada linha do programa é pequeno; para ilustrar, digamos que haja quatro contatos. Neste caso, o Diagrama ladder terá' que ser completamente refeito, com um arranjo diagramático incomum que será motivo para uma maior dificuldade para o instrumentista na hora de consertar um defeito.

Alguns controladores também podem ser programados usando-se declarações em álgebra booleana ou formato de diagramas lógicos. Isto economiza o trabalho de fazer a conversão para Diagrama ladder se o projetista preferir usar técnicas de álgebra booleana para minimizar a lógica ou por outro motivo qualquer. Com os controladores programáveis, a minimização lógica perdeu a importância que tinha nos sistemas de relés, já que, nos CLP , as operações lógicas são mais baratas, consumindo apenas espaço de memória.

Alguns controladores também usam linguagem de máquina (assembler) ou computadores especiais em linguagem de alto nível para lidarem com situações mais complexas (Fortran, Basic). Com a utilização sempre maior de CLPs em processos industriais e para o controle continuo de máquinas-ferramenta, existe uma tendência de se desenvolverem compiladores (freqüentemente do tipo preencher os brancos em formulários) que permitem uma programação fácil de funções continuas de controle digital direto por realimentação.

O modo físico de programação de um controlador depende primeiramente do tipo de memória usado. Nos CLPs que usam EPROM 's fusíveis e na maior parte dos que usam EPROM 's apagáveis por ultravioleta, a unidade de memória a ser programada deve ser plugada em soquetes. Nos casos onde se usam memorais para ler/escrever ou ROM 's alteráveis eletricamente, a unidade de programação se interliga com o controlador.

As unidades de programação podem ser basicamente de dois tipos:

  1. Um programador tipo calculadora de bolso com um display com LEDs ou cristal líquido para indicação do número da linha e número do contato, status do controlador.

  2. Um programador tipo CRT com um tipo qualquer de teclado.

As memorais que são programadas fora do controlador usam geralmente o tipo calculadora de bolso, ao passo que o controlador que é programável internamente pode ser qualquer um dos dois tipos. Ambos os tipos de unidades de programação usualmente são projetados para também funcionar como dispositivos de diagnostico. Embora ambos os tipos desempenhem satisfatoriamente as funções de programação, o tipo CRT é provavelmente mais fácil de usar, especialmente por pessoas com pouca experiência. Nele, o operador pode visualizar as linhas e ramificações do Diagrama ladder, sendo que diversas linhas podem ser mostradas na tela ao mesmo tempo. Algumas unidades tipo CRT podem até ser programadas para dar instruções, informar alternativas e regras ao operador enquanto o Diagrama ladder estiver sendo elaborado ou transferido para a memória.

Algumas unidades de programação podem ser fornecidas com gravadores de fita cassete ou unidades de disquetes, como parte integrante ou como acessório. Os gravadores são úteis nos CLPs com programação interna. Eles permitem que o programa seja gerado em fita no escritório da projetista e depois transferido rapidamente ao CLP na própria instalação industrial. Tais acessórios também são úteis na medida em que permitem a gravação do programa e seu arquivamento para reutilização futura. O uso de microcomputadores ditos para uso pessoal (IBM-PC Compatível) adaptados para uso como unidades de programação de haver uma maleta de programação para cada controlador; normalmente, basta uma maleta de programação para todos os controladores compatíveis existentes em uma instalação industrial. As maletas nem sempre precisam ser compradas: muitas vezes, elas podem ser simplesmente alugadas do fornecedor, porem a prudência recomenda ao usuário de CLPs em controle de processos ter sempre uma disponível.

A manutenção de todos os controladores programáveis pode ser feita através da substituição de circuitos impressos, módulos de E/S, já que normalmente o fabricante não recomenda ao usuário consertar circuitos impressos ou módulos defeituosos. Os fornecedores geralmente recomendam aos usuários manter uma variedade selecionada de pecas de reposição em estoque. Em algumas situações mais criticas, é aconselhável dispor-se de uma UCP de controlador com programa pré-carregado de reserva, que possa substituir rapidamente uma unidade defeituosa.

Mas, como na maioria dos casos de manutenção, a dificuldade aqui é localizar o defeito, o que pode chegar a consumir cerca de 85% do tempo total gasto em manutenção. É por esse motivo que o diagnostico é critico, tanto para a localização de problemas internos no próprio controlador e em sua estrutura de E/S, quanto de problemas externos em sensores e atuadores que enviem ou recebam sinais do CLP. A localização de problemas externos é, de certa forma, a mais importante, já que a probabilidade de surgir um defeito em uma chave de fim de curso é muito maior que em um circuito impresso do CLP.

Existem diversos métodos para a verificação do funcionamento normal de um controlador lógico programável. Alguns se limitam a observar o controlador central, outros usam a unidade de programação como um elemento de diagnostico e há, ainda, a possibilidade de se utilizar uma unidade própria para testes de diagnostico. É aconselhável que se examine detalhadamente o grau de sofisticação e a capacidade de diagnostico de um CLP antes de se decidir pela aquisição de um determinado modelo. LEDs indicadores dos defeitos mais comuns são parte integrante de quase todas CPU's. Terminais de programação tipo CRT também podem se constituir em eficientes elementos de diagnostico, pois permitem o estudo do Diagrama ladder em blocos, com símbolos piscando ou brilhando mais, para indicar a situação dos elementos ativos em um determinado momento.

Outra característica é a possibilidade de verificar o conteúdo da memória do controlador com um programa mestre gravado em fita ou disco, para se assegurar que não ocorreram erros. Alguns CLPs também permitem que se bloqueie uma parte da memória, para impedir que sejam feitas modificações por pessoas não autorizadas. Embora não se trate bem de um elemento de diagnostico, isto permite que o operador altere dados ajustáveis sem correr o risco de alterar a programação básica.

Quando se usa E/S remota, sempre existe a possibilidade de ocorrerem erros na transmissão de dados entre o CLP e o rack remoto de E/S e vice-versa. Para evitar tais erros de comunicação é que se faz a verificação, incluindo funções tais como cheque de paridade e checksum, medição de níveis dos pulsos de tensão e verificação de sincronização dos sinais.

Um dos problemas mais difíceis é a localização de defeitos intermitentes que podem se manifestar em períodos de tempo variáveis e aleatórios que podem durar até alguns dias. Alguns fabricantes recomendam a utilização do terminal de CRT em seus equipamentos para a localização de tais falhas, mas isso não é eficiente, já que implica em amarrar o uso de um equipamento caro por períodos de tempo que podem ser longos, enquanto seu uso pode ser necessário em outra unidade da fabrica.

Assim sendo, a principal razão da popularidade dos CLPs é a facilidade e rapidez com que se pode programá-los, o que permite que o sistema lógico possa ser configurado no final do projeto, quando os procedimentos operacionais do processo estiverem bem definidos. Da mesma forma, é fácil modificar a programação durante a fase de testes ou mesmo alterar inteiramente o procedimento operacional a qualquer tempo, se for preciso. Nem os sistemas de relés nem os controladores lógicos de estado sólido apresentam este tipo de flexibilidade.

Os CLPs são muito versáteis, encontrando grande aplicação em controle de processos por batelada, partida e parada de equipamentos sofisticados, sistemas de pesagem e, de um modo geral, em qualquer aplicação onde se necessite de uma quantidade razoável de lógica de controle combinacional e seqüencial.

Aplicações

A titulo de ilustração, talvez seja interessante mencionar que um dos maiores sistemas de controladores já instalados no mundo, usa 80 CLPs para o controle de lavagem, moagem, separação e manuseio de sólidos em uma indústria de mineração. Estima-se que cerca de 60% das aplicações de CLPs seja em controle de máquinas operatrizes e o restante no controle de processos industriais.

Na medida em que o uso de CLPs se alastra, pressões de ambos os lados da interface cliente/fabricante exigem expansão na habilitação de performance dos CLPs. Assim, para processos em bateladas, tipicamente de controle lógico seqüencial, existem sempre algumas variáveis analógicas tais como nível, temperatura e outras que devem ser mantidas constantes em algumas fases, modificadas ou incrementadas/decrementadas em rampa durante outras fases. Quando se utilizava lógica fixa, estas malhas eram entregues a controladores analógicos independentes. Com o advento dos CLPs os clientes solicitaram que estas modestas necessidades de controle de variáveis analógicas fossem incorporadas aos CLPs. Assim surgiram os algoritmos de controle PID, os módulos de entrada e saída analógicos, e mais recentemente os módulos inteligentes de controle PID, contendo seus próprios microprocessadores em configuração quase autônomos da CPU do CLP.

Em outra aplicação, um ciclo de mistura para polimerização estava bastante errado. Em 20 minutos foi elaborado um programa novo, corrigido. Esta alteração levaria vários dias com lógica fixa ou lógica à relés.

Os CLPs, contudo, não podem ser utilizados em algumas aplicações especificas. A mais importante dessas limitações é a incapacidade que os CLPs tem de executar operações lógicas de velocidade muito alta. Isto se deve à sua operação em varredura seqüencial em oposição à operação simultânea da lógica fixa. Como já foi mencionado anteriormente, o ciclo de varredura leva tempo (chegando a ultrapassar 100 milissegundos, em alguns casos) e, se o ciclo seqüencial de operação precisar de um tempo menor que o período de varredura de um determinado CLP, este só poderá ser usado com artifícios de programação, se disponíveis para o módulo de CLP considerado. Nesse caso, pode-se optar pela lógica fixa de estado sólido, por ser de alta velocidade, com sistema complementar ou em substituição ao CLP.

Outro fator importante que deve ser lembrado é que os CLPs não são computadores de uso geral e não são feitos para funcionares como tal. A capacidade de computação dos CLPs é limitada e não deve esperar que eles possam lidar com operações matemáticas complexas como, por exemplo, a solução de algoritmos de otimização. Os CLPs tem também limitações de memória, de forma que não se deve deixar só por conta deles a aquisição e armazenagem de dados em grande escala ou a geração de base de dados. Em alguns casos, essas aplicações podem ser feitas com a utilização de um CLP em cascata com um microcomputador. Em outros casos, é melhor partir logo para um computador de controle.

Outro ponto importante a ser considerado é quanto a capacidade total do sistema. Enquanto na lógica fixa-se bem projetada, uma única falha só afeta parte do sistema (algumas das entradas ou algumas saídas associadas), no CLP é possível ter falhas gerais (da CPU, módulos de comunicação, fontes) que desabilitem todo o sistema (ou partes significativas do mesmo) simultaneamente. Quando o sistema é usado para segurança operacional ou segurança da vida humana é preciso levar este fato em conta, e eventualmente complementar o sistema com redundâncias em lógica fixa, ou com outros CLPs associados às entradas e saídas mais criticas.

Será interessante observar o confronto entre controladores lógicos programáveis e controladores digitais de processo tipo multiloop baseados em microprocessadores. De um lado, o CLP com capacidade aritmética e E/S analógicas está sendo cada vez mais utilizado para controle digital de malhas e para funções lógicas e, de outro lado, o controlador digital de processo, que vem incorporando compiladores lógicos, para poder ligar com operações lógicas e controle digital direto ao mesmo tempo. Esses dois tipos de equipamento, que surgiram originalmente para aplicações totalmente distintas, podem acabar concorrendo diretamente um com o outro.

É bem provável que a maior modificação a ser introduzida nos CLPs no futuro seja na forma de comercializa-los e não nos equipamentos propriamente ditos.

A prática habitual tem sido a de se vender os CLPs como hardware, com um mínimo de assistência de engenharia. Se o cliente não dispuser de pessoal técnico próprio ele tem que recorrer à assistência de firmas de consultoria. Mas o número de usuários de CLPs que vem exigindo maior apoio dos fabricantes vem aumentando cada vez mais.

Alguns clientes fornecerão o projeto do sistema, mas os fabricantes de CLPs devem ter condições de fornecer sistemas completos, incluindo gabinetes, centros de controle de motores (CCM) e os acessórios prontos para instalação. Alguns clientes querem que, além disso, os fabricantes de CLPs se responsabilizem também por todo o projeto de engenharia de sistemas, incluindo a configuração e programação. Assim sendo, os fabricantes que tiverem condições de fornecer serviços completos desde a analise inicial até a instalação pronta a entrar em operação deverão ser os mais bem sucedidos no mercado.

As técnicas de programação e a linguagem familiar de projeto eliminam equívocos e cursos caros de treinamento de operadores. A facilidade de implementar programas e verificar o sistema através de CRT e teclado contribuiu para a melhoria e simplificação do controle de processos.

É relativamente fácil usar um CLP como elemento principal de controle. Sua versatilidade parece ser, à primeira vista, a solução para o controle de virtualmente todo tipo de aplicação que se possa imaginar. Contudo, caso não observe alguns critérios básicos de projeto, o usuário corre o risco de se perder em um labirinto de simplicidade. As questões abaixo devem ser consideradas, antes de se decidir pela adoção de um sistema baseado em CLPs para um determinado tipo de processo:

1. O processo que se vai controlar é realmente bem conhecido? (A palavra-chave aqui é definição).

a) O processo é por batelada?

b) O processo é continuo?

c) Há necessidade de controle analógico?

2. Deve-se definir o processo a ser controlado.

a) Será totalmente automático?

b) Será semi-automático?

3. O hardware de campo selecionado ou existente na unidade é compatível com controle por CLP?

4. O modelo de CLP selecionado é realmente adequado para a aplicação especifica?

  1. Precisa-se de uma pequena unidade para substituição de relés?

  2. Precisa-se de um CLP de uso genérico de pote médio?

  3. Precisa-se de um CLP supervisório de grande porte?

  4. Precisa-se de uma combinação dos tipos acima?

Uma vez que essas quatro questões básicas tenham sido respondidas, tem-se uma base solida para o início de um projeto. Será analisada, em seguida, cada uma dessas questões. Usaremos a palavra Processo tanto para controle de máquinas quanto para controle de processos químicos. Os itens em comum são o CLP e os dispositivos de controle elétrico associados a ele, não importando qual seja a aplicação especifica.

Projeto

1. O processo é bem conhecido?

Os processos por batelada e as partidas e paradas de sistemas contínuos são aplicações típicas para CLPs. Usa-se um programa de controle armazenado na memória do CLP para repetir todos os eventos de uma operação, passo a passo, durante um ciclo de produção. Os elementos do programa são os seguintes:

  1. Lógica tipo liga-desliga (discreta ou booleana)

  2. Retardo

  3. Contagem pré-determinada de pulsos

  4. Saída de pulsos para controle de ponto de ajuste.

Operações matemáticas elementares (soma, subtração, multiplicação, divisão) podem ser feitas dentro de um passo de programa lógico. Cada uma das fases de passos de todos os eventos operacionais é controlada por realimentação e entradas de contato. Essas entradas vêem de botoeiras, no caso de ações iniciadas manualmente, e de chaves fim-de-curso, no caso de ação posicional. As entradas de contato também podem vir de entradas analógicas para comparação de sinais ou de outras ações de inibição ou intertravamento. A memória e o programa lógico (vide Diagrama I) controlam as condições quando uma saída de campo é ligada ou desligada para qualquer uma das seguintes operações:

  1. Abertura ou fechamento de válvulas

  2. Partida ou parada de bombas ou agitadores

  3. Operação de lâmpadas de indicação ou alarme

2. Definição de processos a ser controlado

A aplicação adequada de um sistema baseado em CLPs começa geralmente com uma analise de justificativa econômica. Para controle de processos em bateladas, a automação de operações cíclicas proporciona uma consistência do controle, o que elimina as falhas humanas e minimiza as intervenções manuais. Um aumento de eficiência com distribuição de tarefas determina a melhor utilização dos equipamentos, reduzindo a solicitação de equipamentos críticos.

A natureza de um processo por batelada não faz que ele se preste facilmente à automação total. Embora a automação total seja o ideal, a experiência tem mostrado que ela geralmente não pode ser alcançada. O processo continuo, por outro lado, pode receber automação segregada total, em alguns casos.

3. O hardware selecionado para o processo é compatível com controle por CLP?

Os CLPs podem aceitar diversos níveis de tensão e, também, fornecer sinais de saída para o campo em vários níveis de tensão.

A eficiência de um sistema de controle lógico programado depende do tempo de ciclo de comunicação o que, por sua vez, depende da seleção adequada de um hardware de display compatível e da compreensão das necessidades do operador para executar bem suas funções em condições variáveis. O display deve não apenas fornecer informações corretas mas também as informações mais úteis.

4. O modelo de CLP selecionado é realmente o melhor para a aplicação especifica?

Devido à grande variedade de CLPs existentes no mercado, torna-se difícil escolher o melhor. Todos os CLPs desde que usados de acordo com as recomendações do fabricante e em aplicações próprias ao seu uso especifico, poderão ter um desempenho igualmente satisfatório.

Ao escolher um CLP, não se baseie apenas no número necessário de entradas e saídas, mas também na complexidade da lógica que será necessária para controlar as E/S de forma adequada.

Todos os fabricantes expressam a memória de sus CLPs em Kbytes, ou seja, em milhares de endereços de memória. No atual estagio de desenvolvimento dos CLPs não existem normas que definam o número de operações lógicas que podem ser feitas com 1 kB de memória, sendo que a eficiência do aproveitamento da memória varia entre os fornecedores.

Caracteristicas do CLP

Linguagens da programação

A linguagem da programação é usada para passar instruções ao CLP sobre como executar o plano de controle, e ela também permite que o usuário se comunique com o CLP através de um dispositivo de programação. Existem quatro tipos de linguagem de programação, que são as seguintes:

  1. Diagrama ladder conhecida também como diagrama de contatos. Esta é, sem duvida, a mais popular de todas. Ela usa símbolos de contatos NA e NF e de bobinas, relés que já são conhecidos por engenheiros, técnicos e pessoall de manutenção há muito tempo.

  2. Álgebra Boolena. Esta linguagem é disponível em muitos CLPs, mas não é muito popular. Este tipo de programação usa os mesmos endereços do ladder, mas o programa é escrito com comandos em álgebra booleana com E, OU e NÃO (exemplo: A = BCD + DE + GHI). A maioria do pessoal de manutenção não é familiarizado com álgebra booleana.

  3. Linguagem de Computador. Esta linguagem é similar à programação em linguagem de máquina, com a diferença que aqui o conjunto de instruções é muito menor que um conjunto de instruções típico de linguagem de máquina. Embora trate-se de uma linguagem eficiente que pode desempenhar muitas funções, ela é mais fácil de ser usada por engenheiros de controle. Ela usa comandos como AND, OR, STD e LDA.

  4. Linguagem corrente. Esta é similar a linguagem de computador de alto nível. Comandos típicos podem ser Fechar Válvula A ou Desligar Bomba B. Alguns CLPs também podem ser programados em BASIC. à medida em que os CLPs incorporam novas funções como programas matriciais, maior capacidade aritmética, uso de subrotinas, torna-se necessário utilizar linguagem de programação mais sofisticadas. É difícil tirar pleno proveito dessas vantagens quando se é obrigado a usar o formato diagrama ladder. Algumas das vantagens das linguagens de alto nível são:

  1. melhor utilização da memória;

  2. habilidade para usar funções aritméticas e analógicas, geralmente processadas em outro hardware;

  3. maior nível de diagnostico, para redução do MTTR (tempo médio para conserto);

  4. aumenta a necessidade de treinamento do pessoal de programação, quando estes não são oriundos da área de informática;

Detecção de falhas e confiabilidade

Em um sistema de relés, a falha de um relé geralmente afeta só uma parte do sistema. A falha de um CLP pode causar a parada total de um sistema de segurança. Além disso, os relés falham de um modo conhecido, ao passo que os CLPs são imprevisíveis. Assim, é muito importante que a falha de um CLP possa ser detectada e que a seqüência apropriada de parada possa ser executada.

A maioria dos fabricantes inclui sistemas de diagnostico de falha em seus CLPs, particularmente nos novos modelos à base de microprocessadores. Alguns desses métodos são os seguintes:

  1. Temporizador tipo cão de guarda (watch dog timer).Este dispositivo serva basicamente para verificar se o CLP está cumprindo o seu ciclo normal de varredura. Ele fica normalmente no final do programa. Se o ciclo de varredura não passar por ele, o CLP irá parar de acordo com um programa pré-determinado.

  2. Verificações de Paridade. Acrescentam-se bits de paridade a cada palavra e eles são verificados constantemente para ver se alguma memória falhou ou se houve algum erro no programa. As verificações de paridade não detectam erros que envolvam um número par de bits.

  3. Verificação de Soma. Com esta técnica, os bits correspondentes em varias palavras são somados digitalmente de coluna a coluna. Daí resulta uma palavra única que representa aquela determinada seqüência de palavras. A mudança de um bit em qualquer palavra irá alterar o resultado da soma. O CLP computa constantemente o resultado da soma e o das verificações de paridade para procurar erros. Os sistemas de verificação de soma são mais eficientes que os de simples verificação de paridade. Ainda com todos estes dispositivos de diagnostico, é possível ter problemas não detectados, especialmente o mesmo hardware. Uma alternativa típica é fazer o watch dog timer independente, com componentes discretos.

Tempo Médio entre Falhas (MTBF) é um termo usado para indicar a vida útil prevista para um CLP antes que ocorra uma falha. A experiência atual mostra que um MTBF de 8000 horas é realístico. Nas indústrias de processo, a disponibilidade de sistema é ainda mais importante, e pode ser expressa por:

O Tempo Médio de Conserto (MTTR) é fortemente influenciado pela habilidade do pessoal de manutenção em localizar e consertar um defeito. O MTTR pode ser minimizado através de treinamento adequado e boas práticas de manutenção.

A melhor forma de aumentar o MTBF é usar pecas da mais alta qualidade na montagem do CLP. Um segundo modo de aumentar o MTBF é com um sistema redundante. Isso pode ser feito com processadores redundantes, E/S redundantes ou com CLPs redundantes. Um sistema CLP redundante é o mais caro dos três, mas é o que proporciona o maior MTBF.

Atualmente tem-se dado muita ênfase a CLPs tolerantes a falhas. Os sistemas tolerantes a falhas continuam funcionando mesmo que ocorra uma falha. Um desses sistemas tem três microprocessadores idênticos. Se uma unidade falha, as outras duas continuam em funcionamento. Cada módulo do sistema executa funções criticas simultaneamente e os resultados são comparados com os resultados das outras unidades através de um sistema de votação. Em condições normais, as três saídas serão idênticas. Se uma unidade falhar, os resultados serão determinados pelas outras duas, porque elas ganharão na votação da unidade que falhou. Isto implica, naturalmente, no aumento de custo do CLP.

As técnicas de tolerância à falha e redundância são usadas quando:

  1. A disponibilidade do sistema é critica;

  2. Não se pode aceitar comandos errados;

  3. É necessário garantir a continuidade da operação;

  4. O sistema é instalado em local remoto, de manutenção problemática;

  5. Do funcionamento do sistema depende a vida humana;

Ter CLPs redundantes pode ser inútil, a menos que eles possuam excelentes diagnósticos de falhas. Cada sistema deve no mínimo:

  1. Detectar e alarmar falhas de hardware, desligando ordeiramente o sistema;

  2. Detectar e alarmar falhas não criticas para permitir intervenção da operação ou manutenção;

  3. Manter comunicação confiável com as E/S e alarmar as falhas de E/S de comunicações.

Equipamentos auxiliares

Os sistemas de CLPs podem dispor de uma ampla variedade de equipamentos auxiliares. Alguns deles são os seguintes:

  1. Dispositivos de Programação. Os dispositivos de programação vão desde os microprogramadores de bolso, até os terminais de CRT. Os terminais de CRT são muito úteis em manutenção, especialmente nos modelos que permitem a monitoração on line de diversas linhas da lógica. Os terminais de CRT podem ser usados como interface para o operador como anunciador, para troca de informações.

  2. Capacidade de manuseio de dados. CLPs com esta capacidade, quando são usadas junto com uma impressora, servem para imprimir mensagens de alarme/parada e relatórios de produção.

  3. Gravador/Monitor. Este dispositivo permite gravar o programa em fita cassete. O recarregamento ou a troca de um programa pode ser feito bem rapidamente.

  4. E/S Remota. Permite que a interface de E/S seja localizada longe do CLP propriamente dito.

  5. Interface para telefone. É usada geralmente para ligar um CLP a uma central de serviços.

  6. Interface de computador. Permite que um CLP se comunique com um computador, uma impressora, ou um monitor de vídeo.

  7. Telas Gráficas Coloridas. Permite mostrar na tela gráficos coloridos do processo, constituindo-se em uma interface muito útil com o operador.

  8. Vias de dados (data highways). Estes sistemas permitem a comunicação entre diversos CLPs diretamente, sem a necessidade de E/S discretas ou interfaces de computador.

  9. Controle PID. Muitos fabricantes incluem controle PID em seus CLPs para que eles possam desempenhar algumas funções de controle.

  10. Diagnostico de Processo. O diagnostico de processo permite a detecção de erros de processo como, por exemplo, a falha de uma chave fim de curso. Sua aplicação usual é em processos repetitivos, pois as falhas são detectadas através da comparação entre o processo corrente e um padrão conhecido. Trata-se basicamente de uma comparação de E/S. A cada passo da seqüência, uma palavra contendo o estado real de E/S é comparada com uma palavra padrão de estado. No caso do processo (ou da máquina) estar operando normalmente, os padrões dos bits serão idênticos. As operações de matrizes como, por exemplo, o E lógico e o OU lógico, podem simplificar a programação necessária à comparação. Existem também rotinas de diagnostico para CLPs que podem adaptar-se a uma seqüência que se altera. Elas monitoram a operação do sistema ao longo de uma seqüência boa e determinam as palavras padrão de estado.

Um outro tipo de máquina ou diagnostico de processo detecta defeitos através da monitoração de um parâmetro do processo como, por exemplo, o tempo gasto por um ciclo completo. Um alarme será acionado se tal parâmetro diferir muito do padrão. Este mesmo tipo de diagnostico pode ser aplicado a válvulas de shut-off através da monitoração do tempo gasto para abrir ou fechar as válvulas. O pessoal de manutenção poderá ser alertado, caso os tempos de abertura e fechamento variem significativamente.

Comparação com computadores

Todos os CLPs são computadores mas nem todos os computadores podem funcionar como CLPs. Os pontos que distinguem um CLP de um computador são considerações ambientais, técnicas de programação e a manutenção. A maior parte dos CLPs é fabricado para operar em ambiente industrial; os computadores geralmente não o são. A programação dos CLPs é dirigida a pessoas com experiência em lógica de relés e, consequentemente, a maior parte da programação dos CLPs é feita na forma de diagrama ladder. A manutenção dos CLPs foi planejada para ser executada por eletricistas e instrumentistas de campo; não há a necessidade de especialistas em eletrônica altamente treinados. Contudo, como resultado de algumas inovações recentes incorporadas aos CLPs, tais como o ponto aritmético flutuante, a diferença entre os CLPs e os computadores tem diminuído sensivelmente.

Mas os CLPs e os computadores não são intercambiáveis; na verdade, eles se complementam. Os CLPs e os computadores podem ser combinados em um sistema de controle de forma a se utilizar as melhores capacidades de cada um. Os CLPs são projetados para interfacear com sinais de campo de alta tensão (120 V CA). É fácil instalar e operar um CLP. Eles são adequados para lidar com os sistemas de intertravamento normais usados em plantas industriais. Os computadores tem algumas capacidades que são difíceis de reproduzir em CLPs. Os computadores, por exemplo, são mais bem equipados para lidar com tipos especiais de controle, matemática e aquisição de dados.

A combinação ideal é a utilização de CLP e de um computador em um arranjo compartilhado onde tanto um quanto outro participem no controle do processo ou da máquina. A comunicação entre o CLP e o computador se dá através de interfaces em serie ou em paralelo. O CLP executa a lógica de intertravamento que controla o processo. O computador pode carregar e descarregar os programas do CLP ou os dados de produção e processo, além de gerar a documentação necessária para melhorar a produtividade, gerando relatórios de produção, por exemplo. As funções de controle analógico também ficariam a cargo do computador. Em sistemas de grande porte, é possível se interfacear diversos CLPs a um computador central através de uma via de dados (data highway).

O processador, também chamado de unidade central de processamento (CPU ou UPC), é o coração de um controlador programável. Ele é responsável pela varredura dos dispositivos e entrada, pela execução da lógica guardada na memória e pela ativação dos dispositivos de saída. Além de funções lógicas básicas, o CPU também pode executar outras funções, tais como temporização, contagem, retenção, comparação e armazenagem retentiva. Os CLPs mais modernos também somam, subtraem, multiplicam, controlam malhas PID e manipulam dados.

O tempo de varredura é o tempo gasto pelo CLP para completar um ciclo completo de varreduras das entradas, executar a lógica e acionar as saída. O tempo de varredura é muito importante e normalmente varia entre 5 e 200 milissegundos. O tempo de varredura varia dependendo do modelo do CLP, do tamanho da memória, do número de E/S e da quantidade de lógica. Como a varredura da CPU é seqüencial, quanto menor for o tempo de varredura melhor será a resposta do CLP. O tempo de varredura geralmente é de 5 a 10 milissegundos para cada 1k (1024 bytes) de memória. Um dos métodos utilizados para diminuir o tempo de varredura é o processamento paralelo, o que permite que partes distintas do programa rodem simultaneamente. Tomemos como exemplo um CLP com dois processadores: um deles cuidará da lógica e das entradas e digitais normais, e o outro cuidará das operações que normalmente tornam o CLP mais lento, tais como aritmética, manipulação de dados e entradas e saída analógicas.

Como o CLP é um dispositivo de varredura, ele pode não ser suficientemente rápido para lidar com processos de alta velocidade como, por exemplo, alguns sistemas de manuseio de sólidos. Nesses casos pode-se precisar de um CLP com capacidade de interrupção, que pare o processo de varredura e vá diretamente a um subrotina especial. Algumas vezes as entradas podem ser ligadas a diversos pontos de entrada, de modo que uma mesma entrada será lida mais de uma vez em cada ciclo de varredura. Isso dá ao CLP condições de trabalhar com entradas (por exemplo: contadores) que seriam, de outra forma, lentas demais. Esse método não pode ser utilizado em todos os CLPs; isso irá depender da forma que o CLP varre as entradas e saídas e executa a lógica propriamente dita.

Apresentamos a seguir algumas formas de funcionamento da varredura dos CLPs:

  1. O CLP varre o programa na mesma ordem em que ele entrou na máquina. Ele verifica o estado de cada entrada e saída todas as vezes que estas aparecem no programa. Este tipo de varredura não permite que uma entrada seja ligada a diversos pontos de entrada, para que o CLP passe por aquela entrada mais de uma vez durante a varredura.

  2. Todas as entradas e saídas são lidas antes da varredura e armazenados em uma tabela de estados de E/S. Não é possível perceber a mudança de estado de entradas e saídas durante a varredura. Quando a varredura for completada, as saídas são atualizadas com base nas entradas existentes antes da varredura. As entradas duplas serão, evidentemente, inúteis nesse caso.

  3. Cada linha da lógica é avaliada. Quando uma saída se modificar por causa da lógica, esta alteração se reflete imediatamente no cartão de saída. Mas essa mudança na saída não se reflete no resto do programa até o próximo ciclo de varredura. Este tipo de varredura permite que entradas duplas modifiquem imediatamente as saídas, desde que a lógica necessária esteja incluída em cada linha.

  4. As entradas são atualizadas no início da varredura. As saídas são atualizadas à medida em que as instruções são executadas. Entradas duplas são inúteis, neste caso.

A maioria dos processadores utiliza atualmente microprocessadores de 8-bit ou 16-bit, o que lhes dá condições de executarem algumas funções de computador. Algumas dessas funções são as seguintes:

  1. Movimentar grupos de dados dentro do programa;

  2. Operar com matrizes com E lógico e OU lógico;

  3. Funções matemáticas ampliadas, como o ponto aritmético flutuante;

  4. Subrotinas;

Dispositivos de Entrada/Saída (E/S

Em um sistema de CLP de grande porte, o custo dos dispositivos de E/S será provavelmente bem mais elevado que o do processador básico. As interfaces de entrada convertem sinais de chaves fim de curso, chaves de processo, entradas de pulsos de alta velocidade, entradas TTL compatíveis e entradas de corrente ou tensão em sinais de nível lógico. As interfaces de saída convertem os sinais de nível lógico em sinais de nível alto, como os sinais em 24 V CC, 115 V CA ou 4 a 20 mA CC.

Os módulos de saída devem ser fornecidos com fusíveis individuais preferencialmente com acesso frontal. Deve-se também dispor de indicadores de fusível queimado. É necessário que haja isolação entre a tensão usada externamente ao CLP e as tensões de nível lógico usadas internamente. Todas as entradas e saídas devem dispor de lâmpadas que indiquem quando uma entrada está ativa ou quando uma saída está ligada. Infelizmente, a maioria das lâmpadas em módulos de entrada serve apenas para indicar que existe tensão do campo aplicada ao CLP e as lâmpadas em módulos de saída geralmente indicam apenas que existe tensão sendo aplicada aos dispositivos de campo.

Tipos de E/S

Uma única aplicação pode precisar de muitos tipos de E/S. Interfaces de 120 V CA, 240 V CA ou 10-48 V CC podem ser utilizadas para botoeiras, chaves seletoras, controle de motores, solenóides e lâmpadas piloto. Interfaces de 5 V CC do tipo TTL (lógica transistor/transistor) podem ser necessárias para LEDs e instrumentação eletrônica. Interfaces para conversão analógica/digital/analógica e digital/analógica serão usadas no caso de instrumentação de processo (para medição ou controle de vazão, temperatura ou pressão) ou sistemas posicionadores de malha fechada (usando tacômetros analógicos ou servomotores)

As interfaces entre tais dispositivos e um CLP podem ser feitas através de caixas pretas externas que condicionem os sinais de entrada e saída. Isso já foi muito comum no início da evolução dos CLPs, quando as E/S disponíveis eram digitais, de 120 V CA e 24 V CC. As interfaces de E/S são mais inteligentes atualmente. As interfaces de conversão analógica/digital e digital/analógica, contadores de alta velocidade, entrada de termopares e saídas de pulsos são apenas alguns dos muitos módulos de E/S hoje existentes. Com a utilização de uma interface de E/S adequada (por exemplo, um módulo de entrada analógico), pode-se ligar o instrumento de campo diretamente ao CLP sem a necessidade de caixas pretas externas.

Sistemas de E/S Remotas

É importante que se leve em conta a localização dos dispositivos de campo (botoeiras, chaves, solenóides) entre si e em relação ao processador central. No caso, por exemplo, em qual a sala de controle central de uma planta de processo estiver localizada longe dos dispositivos de campo, é melhor selecionar um sistema de CLP que disponha de E/S remotas, o que tornará possível a existência de racks de E/S a até 3 km de distancia da CPU. E a conexão entre os racks de E/S e a CPU pode ser feita simplesmente por um (ou dois) par(es) de fios trancados ou por um cabo de fibra óptica.

Quantidade de E/S

A definição sobre a quantidade de E/S é o número de dispositivos de campo que serão conectados ao CLP. Cada modelo de controlador programável tem suas próprias limitações com relação ao número máximo de dispositivos de entrada e saída que pode ser controlado ou monitorado. Esse número máximo é a capacidade do CLP. As capacidades dos sistemas de CLP podem variar entre 32 e 4096 E/S, subdivididas em três categorias. Os CLPs de pequeno porte se situam na faixa entre 32 e 256 E/S, os de porte médio ocupam a faixa que vai de 256 a 1024 E/S, enquanto que os CLPs de maior porte dispõem de 1024 a 4096 E/S. Para se determinar a categoria de CLP necessária a um determinado caso, basta que se proceda ao levantamento dos dispositivos de campo que serão interfaceados e enquadrar o total resultante em uma das três categorias aqui descritas.

Deve-se, em seguida, definir o número de entradas e saídas separadamente, já que alguns CLPs tem limitações quanto à mistura de entradas e saídas que podem ser interfaceadas ao mesmo tempo. No caso de sistemas remotos, deve-se levantar o número de entradas e saídas para cada locação remota, já que os racks ou módulos não podem ser subdivididos. de posse do número de entradas e saídas, é possível determinar o número de módulos de E/S que serão necessários. Cada módulo só pode interfacear um determinado número de entradas saídas. Para determinar o número de módulos (de entrada ou saída) necessários, deve-se dividir o número de entradas ou saídas (em cada local) pelo número de pontos de E/S de cada módulo, arredondado para cima. Caso seja preciso usar de um tipo de E/S em um determinado local (por exemplo: 120 V CA e 4 V CC), então os totais de entradas e saídas deve ser tabulado para cada tipo de E/S, assim como para cada locação.

Após definir o número necessário de E/S, não se deve esquecer de considerar pontos de reserva para ampliações futuras. A experiência de muitos usuários de CLP tem demonstrado que 10 a 20% de pontos reserva geralmente são suficientes para cobrir a ampliação normal dos sistemas.

As interfaces de E/S são os olhos, ouvidos e voz dos circuitos eletrônicos sofisticados que formam a CPU. Para desempenhar suas funções, o CLP deve ter meios de detectar e medir quantidades físicas, tais como movimento, posição, quantidade de material. Assim, através da visão de uma máquina ou processo o CLP poderá exercer seu controle sobre esta mesma máquina ou processo, através do acionamento de válvulas, motores ou até mesmo de outros CLPs.

As interfaces de E/S são fundamentais para a flexibilidade que deu tanta reputação aos CLPs. Em termos genéricos, todas as informações que os CLPs recebem do campo ou de outros sistemas externos, passam por algum tipo de interface de E/S.

O grande número de aplicações de CLPs fez com que surgissem interfaces de E/S de muitos tipos. Os CLPs podem ser adaptados para uma grande quantidade de aplicações especificas pela simples modificação de seu software (programa) e com uso de interfaces especiais de E/S.

E/S Discretas

E/S individuais para detecção do fechamento de contatos, chaves ou controle de motores são conhecidos por diversos nomes: E/S discretas, E/S de um bit, E/S de controle.

Entradas discretas precisam de dois ou três Watts de potência derivados de uma fonte externa (com, por exemplo, a rede de alimentação elétrica). Isto garante que o funcionamento das chaves será confiável. A baixa impedância resultante proporciona uma boa imunidade a ruídos. Entradas que precisam de pouca potência (alta impedância) podem receber ruído de circuitos de potência (o que é indesejável) através do acoplamento em longas extensões de fiação de campo adjacente. Assim, deve-se tomar um cuidado extra com o encaminhamento de fios no campo, quando se trabalha com entradas de baixa potência e alta velocidade. Em alguns CLPs, as entradas são submetidas a testes de diagnostico no CPU para verificar a operação adequada dos circuitos.

As saídas discretas dispõem de chaves de estado sólido para atuação de lâmpadas, válvulas ou entradas para outros CLPs. Da mesma forma que nas entradas discretas, a alimentação não é fornecida pelo CLP. Existem saídas para faixas de tensão entre 5 a 240V com correntes até 5A, sendo que as saídas típicas de 120/240V funcionam com um máximo de 2 ou 3A. As saídas podem dispor de proteção contra transientes, de fusíveis, de isolação de tensão e indicação de status.

Um CLP de grande porte pode contar com milhares de circuitos de E/S. As E/S são muito suscetíveis a danos devido a instalação incorreta, ruído elétrico e temperatura e, por isso, são submetidas a muitos testes. As rotinas de teste estão normalizadas e as mais usuais são as seguintes: NEMA ICSI-109, ICS2-230, ICS3-304 e ANSI C37.90, além das normas IEEE 472/1974, 518/1977, SAMA PC33.1 e IEC 801-1, -2 e -3.

Alguns fabricantes também submetem os CLPs a testes adicionais de suscetibilidade a radio frequência (RF) de fontes comuns como, por exemplo, equipamentos de radio, comutação de cargas indutivas por contatores.

A modularidade das E/S varia de fabricante a fabricante mas, na prática, há uma certa padronização em um, dois, quatro, oito ou dezesseis pontos de E/S discretas por módulos ou cartão. Modernamente estão sendo desenvolvidos módulos de alta densidade com 16 ou 32 entradas ou saídas de baixa potência. É importante que se determine os parâmetros de operação, a modularização e os tipos de conexões necessárias, ao se especificar um CLP. As conexões de campo podem ser feitas nos circuitos de E/S através de blocos terminais aparafusados, montagem tipo conector/cabo ou outros métodos de conexão rápida. Normalmente, as E/S tipo multi-bit usam o tipo conector/cabo para simplificar sua instalação. (A Tabela 1 apresenta uma lista de pontos que devem ser levados em consideração quando da especificação de módulos de interface).

E/S de dados

Com a utilização de Cupis à base de microprocessadores, é possível medir quantidades físicas e usar esses dados no processo de tomada de decisões. É possível manipular, comparar, multiplicar, dividir ou subtrair valores numéricos. Isso levou ao surgimento de uma nova classe de E/S (as E/S de dados) para servir de interface entre dados tipo multi-bit tais como seletores numéricos (thumbweel switches), codificadores de posição, indicadores numéricos de 7 segmentos e o CLP.

E/S analógicos podem ser usadas como interface caso essas mesmas informações estejam na forma analógica. Esses nódulos contem conversores A/D (analógico-digital) ou D/A (digital-analógico) e permitem que o CLP sinta e controle corrente e tensões analógicas que são compatíveis com muitos transmissores, atuadores de válvulas e instrumentos de processo. Deve-se verificar a isolação dos módulos analógicos de E/S; em alguns módulos as E/S são isoladas umas das outras (e são mais caros)e em outros não o são. Alguns fabricantes dispõem de ambos os tipos.

Os módulos de E/S de dados podem ser de conexão direta ou multiplexados. Os módulos de conexão direta são mais rápidos e mais caros. Coma utilização de E/S digitais ou analógicas, qualquer quantidade mensurável pode ser examinada ou controlada por um CLP. Dados de temperatura, pressão, peso, volume, tamanho e quantidade podem ser interfaceados normalmente a um CLP através de módulos de E/S de dados.

Em alguns casos, a CPU não é suficiente rápido para executar as funções de E/S necessárias em uma base de tempo real. Essas funções podem ser executadas por módulos inteligentes de E/S. Um exemplo desse tipo de interface é o contador de alta velocidade, que pode contar eventos, comparar o total encontrado com um valor preprogramado fornecido pelo CPU e controlar diretamente as saídas. Esse tipo de módulo pode ser centenas de vezes mais rápido que o tempo de ciclo de um CLP. As interfaces inteligentes só interrompem o CPU quando é necessário indicar que a ação foi concluída ou para solicitar novos dados.

E/S remotas multiplexadas

Os CPU's modernos que são utilizados nos CLPs podem lidar com enormes quantidades de informações em sistemas de controle de grande porte. Assim, o uso de multicabos para conexão de sinais de E/S entre gabinetes é comum em muitos sistemas.

Com o sistema de E/S sendo basicamente um multiplexador entre os conversores de sinais e o CPU, os fabricantes de CLP costumam tornar este elo de comunicação bem robusto, de modo a permitir a localização de dispositivos de E/S a grande distancia do CPU. Grupos de até 256 pontos de E/S podem ser locados remotamente. É possível haver distancias superiores a 11500 metros em aplicações remotas. (E/S remotas não podem ser consideradas como controle distribuído, por estarem sob o controle direto do CPU).

As E/S remotas são um meio bastante econômico de reduzir os custos de fiação em sistemas de grande porte. Os racks de E/S são conectados à unidade central do CLP através de um ou dois pares de fios torcidos, de cabos coaxiais ou mais recentemente, através de cabos de fibra óptica. Esses racks de E/S remotas contem fontes de alimentação próprias e podem ser monitorados pelo CPU para a obtenção de informações de diagnostico, do mesmo modo que é feito no caso E/S locais do sistema.

As E/S remotas fizeram com que os fabricantes de CLPs cuidassem de melhorar seus diagnósticos. Com as interfaces de E/S localizadas a centenas de metros do gabinete de controle principal, torna-se fundamental sobre a situação exata de cada ponto de E/S remoto, incluindo o estado do fusível de saída, fonte de alimentação. Na maioria dos CLPs com capacidade para E/S remotas, os dados de diagnostico e, interfaces remotas pode ser monitorado a partir da unidade central.

TABELA 1: LISTA DE E/S DISCRETAS

Limiar de Tensão para Atuação da Entrada

Lógica com Isolação de Tensão

Significado dos Indicadores de Estado

Potência de Entrada

Retardo Entrada/Saída

Corrente Mínima de Saída

Tipo de Terminais de Campo

Saídas com Fusíveis

Indicador de Fusível Queimado

Corrente de Fuga da Saída

Queda de Tensão na Saída

Diagnostico Central de Defeito de E/S/ e Estado dos Fusíveis

Corrente de Saída versus Temperatura Ambiente

Vias de dados (data highways)

Existe um outro tipo de interface de E/S que permite comunicar-se com outros dispositivos inteligentes tais como carregadores de programas, impressoras, terminais de CRT, displays gráficos coloridos, ou computadores. Essas interfaces são um modo de carregar um programa ou monitorar o estado de um CLP através de sua maleta de programação ou diagnostico.

Alguns CLPs dispõem de adaptadores ou interfaces para conexão permanente entre CLPs ou entre grupos de CLPs e computadores supervisórios. Isto é necessário para que o CLP possa ser usado em relés de controle distribuído.

Esse elo de comunicação entre diversos CLPs e talvez um computador é conhecido como via de dados. Em grandes processos industriais, todos os CLPs de uma planta podem ser conectados a um computador supervisório através da via de dados. Dessa forma, é possível transferir-se dados entre CLPs ou entre estes e o sistema supervisório.

Um computador supervisório ou mesmo um CLP de grande porte pode monitorar dados de todos os diversos processos ou máquinas de uma planta industrial para obter dados sobre controle de qualidade, informações sobre taxas de produção.

Uma via de dados normalmente não passa grandes quantidades de dados em tempo real através da rede, como pode ser o caso em elos de comunicação de E/S remotas. Cada um dos CLPs em uma via de dados é mais ou menos autônomo e pode executar suas funções de controle independentemente da rede de controle distribuído. Só vai existir comunicação entre um determinado CLP e o computador supervisório caso haja necessidade de troca de informações entre eles. As vias de dados apresentam duas características importantes: implementação física de protocolos. Devido à grande quantidade de protocolos e a atual falta de padrões, o usuário de vias de dados terá que se basear em informações dos fabricantes de CLPs com respeito e aplicações. Para se fazer isso hoje em dia, é preciso construir interfaces especiais. Muitos já caíram nessa armadilha em áreas bem mais simples como, por exemplo, ao conectarem uma impressora a um CLP. Mesmo com a norma RS-232c da EIA sendo largamente utilizada, existem opções que a norma deixa por conta do fabricante. Existem algumas normas e padrões em elaboração para as vias de dados, tais como:

PROWAY-LAN, MAP e outras. As vias de dados usam cabos coaxiais e pares torcidos com blindagem. Algumas vias de dados em paralelo ( como o IEEE - 488, por exemplo) foram padronizados, mas não são adequados para aplicações de faixa larga a longas distancias. As fibras ópticas também já passaram a ser usadas como um meio de comunicação de faixa larga entre CLPs ou entre estes e computadores. O custo de instalação de fibras ópticas é ainda mais alto que o de cabos coaxiais ou pares torcidos, mas não é mais alto que barramentos paralelos especiais. A Tabela 2 mostra uma comparação entre esses métodos distintos para a implementação de vias de dados e comunicação com E/S remotas.

TABELA 2: CONSIDERAÇÕES SOBRE COMUNICAÇÕES A LONGA DISTANCIA

Par trançado

Cabo blindado

Cabo Coaxial

Fibra Óptica

Custo Atual

Baixo

Médio

Alto

Custo Futuro

Baixo

Médio

Baixo

Fac.p/manut.

Boa

Média

Média

Fac.A Ruídos

Boa

Média

Média

Imun.Aruídos

Baixa

Boa

Excelente

Largura de Faixa

Baixa

Boa

Excelente

Seg.Intrinseca

Baixa

Baixa

Excelente

Ao examinar as aplicações de vias de dados de CLPs, o usuário deve levar em conta suas necessidades presentes e futuras. Este cuidado será a garantia de que a configuração do CLP proporcionará as condições de expansão e a flexibilidade necessária em sistemas distribuídos de CLPs.

Facilidade de diagnostico

Um dos dispositivos de manutenção mais utilizados é a lâmpada de indicação, usualmente os LEDs. Todos os fabricantes de CLPs usam LEDs para indicação rápida do estado de funcionamento do CLP. Os LEDs são tipicamente usados nos módulos de E/S, nas fontes de alimentação e nas unidades de processamento central (UPC). Os LEDs também podem ser usados em cartões de memória, cartões de indicação de erro, maletas de programação e simuladores.

Já foi dito aqui que acerca de 80% do tempo de manutenção é gasto para localizar o defeito e que apenas 20% para solucionar o problema propriamente dito. Assim, tudo que puder ser útil na localização do problema ajudará a reduzir o tempo total de parada para manutenção. As lâmpadas de indicação se constituem em um meio rápido de se localizar defeitos, a ponto de determinarem se o problema ocorreu dentro ou fora do CLP. Por causa do alto grau de confiabilidade dos CLPs, a maioria dos problemas tende a ser de origem externa. Uma rápida verificação das lâmpadas indicadoras de E/S dirão se os sinais estão saindo e entrando normalmente no CLP. Como cada ponto de E/S tem sua própria lâmpada de indicação, os defeitos externos são facilmente detectáveis.

Outros tipos de problema internos ao CLP que podem ser indicador por LEDs são:

Falta de alimentação CA

Falta de alimentação CC

Bateria descarregada

Erro de paridade na memória

Defeitos na CPU

Falhas no programa

Fusíveis queimados

Defeitos na comunicação de E/S remotas

Os procedimentos de manutenção dependem bastante destas indicações luminosas para localizar problemas.

O terminal de programação de um controlador programável e, provavelmente, a ferramenta mais poderosa para sua manutenção. Mesmo nos menores modelos de CLP existentes no mercado, é possível se interrogar o CLP através do terminal de programação, para que se possa determinar o estado de UCP, da memória e das E/S. Nos CLPs de grande porte, geralmente se pode dispor de terminais de CRT para programação, que permitem a visualização das operações do CLP.

O método mais comum de se localizar um defeito em um CLP através do terminal de programação consiste em seguir o sinal da entrada à saída, através da UCP. Isso pode ser feito tanto através de LRD's no terminal de programação quanto através de informações que apareçam na tela do CRT. As informações podem surgir na tela de um CRT tanto em forma de dados numéricos quanto na simbologia de contatos.

Os terminais de programação também permitem a verificação da lógica de programação ou acionamento das cargas externas através da ativação ou desativação forçada dos circuitos de E/S. Alguns fabricantes oferecem painéis de simulação para a complementação da capacidade de verificação do terminal de programação. Os terminais de programação permitem ainda verificar a programação, recarregar o programa, modificar dados, e freqüentemente alterar o programa on line sem interromper a atuação do CLP.

A maioria dos controladores programáveis é projetada de forma modular. Isso significa que funções especificas são executadas por módulos distintos que são, por sua vez, conectados a um barramento de dados. Isto torna possível a rápida substituição de módulos defeituosos. Há módulos específicos para as seguintes funções:

UCP

Memória

E/S digitais

E/S analógicas

Interfaces de periféricos

Algumas dessas categorias chegam a ser subdivididas em submódulos, todos eles podendo ser substituídos facilmente. Os CLPs são protegidos contra tentativas de operação quando um dos módulos tiver sido retirado ou reinstalado em uma posição errada.

Um acessório muito útil para operações mais complexas de manutenção em CLPs é um cartão de extensão. Esses cartões permitem a localização de defeitos nos módulos com o sistema em funcionamento, e ainda possibilita o acesso direto aos sinais do barramento de dados e as tensões de alimentação do sistema. LEDs indicadores nesses cartões permitem a visualização dos sinais mais importantes do barramento de dados tais como as linhas de dados e de endereçamento.

Os serviços de apoio que o fabricante de CLP pode oferecer ao usuário constituem parte importante do programa de manutenção. Ao selecionar um determinado CLP, o usuário deve levar em conta os serviços de apoio que o fabricante oferece e ver se tais serviços complementam suas próprias capacidades e interesses.

Instalação de um CLP

Os CLPs são projetados para ambientes industriais e, por isso, a menos que a temperatura, a umidade e o ruído elétrico estejam acima dos limites de tolerância, um local possível para instalação de um CLP é próximo dos equipamentos ou do processo que será controlado. Isso diminui a fiação e facilita a manutenção. Caso isso não seja possível, a fiação pode ser diminuida com a utilização de E/S remotas, que são ligadas ao processador através de um ou dois cabos tipo par blindado.

Os CLPs são normalmente instalados em gabinetes tipo NEMA-12, em geral separados de outros equipamentos elétricos. Os parâmetros que influenciam o lay out do painel e o equipamento extra necessário são a ventilação, a proteção contra ruídos e a vibração. Em algumas aplicações, a temperatura ambiente pode ser alta demais para o CLP e, nesse caso, haverá a necessidade de refrigeração. A dissipação térmica do processador, das E/S e da fonte de alimentação de um CLP pode ocasionar um aumento de temperatura entre 5o. e 25o.C no interior do gabinete, dependendo do tamanho deste. Precisa-se normalmente de refrigeração quando a temperatura local da planta ultrapassar os 40o. ou 45o.C. (A temperatura máxima de operação dos CLPs é de 55o. a 70o.C, embora existam modelos que suportem até 85o.C).

O lay out do painel é um fator importante na prevenção de problemas por aquecimento. O processador e as E/S devem ser dispostos de tal modo que haja, espaço suficiente ao redor para ventilação.

Todos os equipamentos elétricos produzem ruído, algumas vezes em doses excessivas. Uma forma de se evitar esse problema é instalar o CLP longe de motores, contatores e outras grandes fontes de ruído elétrico. Soldadores e equipamentos de indução térmica são particularmente problemáticos, pois geram interferência eletromagnética e de radiofrequência.

A vibração pode afetar todas as conexões de um CLP, desde os soquetes dos circuitos integrados até os conectores dos impressos. A ligação das E/S e da fonte de alimentação é a parte mais importante da instalação de um CLP. A ligação entre as E/S e os equipamentos pode ser feita diretamente aos terminais do CLP ou então através das borneiras de painel. Ambos os métodos são usuais, mas as borneiras simplificam a instalação e facilitam a manutenção. As E/S de mesma corrente e tensão devem ser agrupadas, para simplificar as conexões elétricas.

As interfaces de E/S de um CLP tem normalmente um terminal comum para cada grupo de entradas ou saídas, a menos que haja a necessidade de saídas isoladas, que são necessárias para ligação entre dispositivos cujos terras são diferentes. Como exemplo, para a ligação entre dois CLPs através de E/S de 110 V CA.

A ligação dos dispositivos de saída é feita de modo a que sejam comutados a partir do lado de fase da linha. As saídas dos transistores para cargas de corrente continua devem ter +V cc conectado ao emissor ou ao coletor, de acordo com as especificações do fabricante do CLP.

A corrente de fuga na saída dos triacs para cargas CA pode ser de 10 mA, quando eles estão supostamente desligados, de forma que uma resistência de carga em paralelo torna-se necessária para cargas de baixa potência de até 20 mA. O triac geralmente necessita de uma carga mínima para ser ligado e para permanecer assim, sendo que num caso típico a carga é de 10 k; maiores detalhes devem ser obtidos de catálogos do fabricante.

Deve-se instalar snubbers (RC) em paralelo aos triacs em todos os casos em que houver contato mecânico, como por exemplo, em um relé principal ligado em serie ou em paralelo com a carga. Isto elimina o transiente de tensão indutiva que poderia destruir o triac. O snubber pode ser um MOV ou um supressor RC. O MOV pode ser de 150V, 30 J, no mínimo (serie L, no.V150LA10A da GE ou equivalente; para 220V, o modelo no. V250LA15A ou equivalente). A malha RC pode ser de 100 , 0,1 F (no. 1691-N2 da Allen Bradley, ou similar); para aplicações em 220V, pode-se usar um capacitor de 0,05 F e um resistor de 100 , 0,5 W. Sob outras circunstancias que não as acima descritas, os snubbers não são necessários, chegando mesmo a serem considerados prejudiciais por alguns fabricantes e usuários.

A alimentação de um CLP e as saídas em CA devem ter proteção contra um fenômeno conhecido como transitório de desligamento (outrush). Os transitórios de desligamento ocorrem quando os triacs são desligados através da chave geral; nesse caso, toda a energia armazenada nas cargas indutivas procura se dissipar em forma de tensão e essa tensão aparece no triac já desligado. Como forma de prevenção para esse tipo de problema, deve-se conectar um capacitor em paralelo na saída da chave geral que alimenta as cargas. Os danos causados pelos transitórios de desligamento geralmente dão a impressão de terem ocorrido quando o CLP estava ligado, de modo que os usuários muitas vezes não se dão conta do que ocorreu. Os transitórios de desligamento ocorrem porque a corrente das cargas indutivas pode ser cortada durante um pico de tensão; se a corrente transitória de ligação (inrush) típica dor de 5A e houverem 20 cargas indutivas, o transitório de desligamento será de 100A, e essa energia tem que ser dissipada de alguma forma.

A alimentação fornecida a um CLP não deve ultrapassar as flutuações pelo fabricante (geralmente 15% da tensão terminal). Se a alimentação não for confiável, deve-se usar um transformador-estabilizador adequado.

A localização e correção de falhas intermitentes em CLPs pode ser uma etapa difícil. Problemas de aquecimento, por exemplo, podem ter sintomas semelhantes com problemas de ruídos, o que dificulta o diagnostico. Após certificar-se que o problema não foi causado por aquecimento localizado em pontos específicos do gabinete do CLP, existem varias possibilidades a investigar: pode ser que ruídos estejam sendo induzidos através da linha de alimentação, das entradas ou das saídas. Os ruídos ocorrem por muitas razoes, mas há poucos tratamentos preventivos realmente eficiente. Caso haja soldadores ou equipamentos de indução térmica ligados na mesma linha de alimentação do CLP, deve-se instalar filtros de RF nos transformadores de controle.

Para algumas cargas mais ruidosas (com comutação indutiva por exemplo pode ser necessário usar módulos especiais com capacidade aumentada de absorção de transitórios ou dispositivos externos adicionais, tais como snubbers (RC em serie), varistores.

Ruído pode ser auto-alimentado. Por exemplo, um triac com pouca carga pode ficar no limiar em que consegue ligar porem não se mantém ligado por falta de corrente. Neste caso ele oscila intermitentemente ligando e desligando necessariamente. Finalmente, separando os cabos de alimentação das linhas de entradas e saídas e usando capacitores em paralelo com cargas indutivas pode reduzir a ocorrência de problemas induzidas nas entradas pelas saídas.

Historia do CLP

1968

O projeto de CLPs foi desenvolvido pela General Motors para substituírem os sistemas de relés e reduzir os custos de modificação/sucateamento de controles de linhas de produção devido a alteração nos modelos dos carros.

1969

OS primeiros CLPs foram fabricados para a indústria automobilística como equivalentes eletrônicos dos controles à relés.

1971

Os CLPs começaram a encontrar aplicações fora da indústria automobilística.

1973

Apareceram os CLPs inteligentes com funções aritmética, controle de impressora, transferência de dados, operações matriciais e interfaces com CRT.

1975

Introdução do controle PID analógico, o que permitiu a utilização dos CLPs com termopares e sensores de pressão.

1976

Primeira utilização de CLPs em configurações hierárquicas, integrando sistemas de fabricação.

1977

Diminuição do tamanho físico dos CLPs com a utilização de técnicas avançadas de microprocessadores.

1978

Os CLPs ganharam popularidade. As vendas ultrapassaram 80 milhões de dólares.

1979

Integração das operações industriais com o uso de sistemas de comunicação interligando CLPs.

1980

Introdução de módulos inteligentes de E/S que proporcionam alta velocidade e controle mais preciso em aplicações envolvendo posicionamento.

1981

Desenvolvimento dos CLPs de grande porte com funções de computador e capacidade de gerar relatórios.

1982

CLPs de pequeno porte competitivos para substituírem relés em aplicações de 4 a 6 relés.

1983

Difusão do uso de microcomputadores ditos de uso pessoal como maleta de programação e interface CLP/operador.

Capacidades do CLP

  • Substituir sistemas lógicos de controle por relés

  • Substituir temporizadores e contadores eletromecânicos

  • Executar operações aritméticas

  • Servir de interface entre processo e computador

  • Substituir controladores analógicos

  • Executar controle PID, cascata e feedforward

  • Executar funções de monitoração e alarme de processo

  • Executar funções de monitoração e diagnostico de defeitos

  • Monitoração e controle total do sistema

  • Fornecer informações de gerenciamento

Funções do CLP de Uso Geral

  • Lógica

  • Retenção

  • Temporização

  • Shift Register

  • Funções Aritméticas , LOGS

  • BCD/Binário

  • Analógico - PID

  • Manipulação de dados

  • Interface com computadores

  • Impressora/CRT

  • Matriz

  • Interface ASCII

  • Controle Distribuído

  • Sistema de Comunicações

E/S Típicas Disponíveis

  • E/S 115 V CA & 115 V CC

  • E/S 220 V CA

  • E/S 24-48 V CC

  • E/S 5 V CC - TTL

  • E/S Analógica 1 a 5 V CC 4 a 20 mA CC

  • Contador de alta velocidade

  • ASCII

  • Relé de laminas reed

  • Proximidade

  • Entradas de Termopares

  • RTD

  • Saídas com segurança intrinseca

  • Entradas com retenção

  • Codificador de posição

  • Motor a passos

Instalação em ambiente industrial

  • Alta temperatura: 60 oC

  • Alta umidade : 95%

  • Alta imunidade a ruídos eletricos

  • Variações de tensão: 85 a 140 V CA

  • Transitorios de rede: 1500 V

  • Vibrações, choques

Características

  • Todos os CLPs contem CPU, memória, fonte de alimentação, módulos de E/S e maleta de programação.

  • Memorias: Ler/Escrever, ROM, RAM, PROM, EPROM, EEPROM, NOVRAM

  • Controle: lógica de estado sólido tipo computador

  • Condicionamento de sinal: isola 115 Vca,. Filtra ruídos

  • Entradas: chaves, botoeiras, dados numericos (bcd), dados analógicos , ASCII

  • Saídas: solenoides, motores, lampadas, alarmes, impressora, dados BCD, dados analógicos, ASCII.

Hardware do CLP

Entradas

  • Tensão (220 V CA, 115 V CA, 115 V CC, 10--60 V CC, 5V CC)

  • Analógicas,

  • Alta velocidade,

  • Contadores,

  • Teromopares

  • Indicação de entrada

  • Filtragem

  • Com isolação até 1500 V

Saídas

  • Tensão (220 V CA, 115V CA, 115V CC, 10-60 V CC, 5 V CC)

  • Analógicas

  • ASCII

  • Indicação de saída

  • Proteção por fusíveis

  • Indicação de fusível queimado

  • Proteção contra transitorio indutivo

  • Cargas reais: 2 A continuo , 15 A de pico (partida de motores)

E/S Gerais

  • Terminais: para fios 12 AWG

  • Modulares tipo Plug-In, sem fiação

  • Indicadores de auto-diagnostico

  • E/S remota

Alimentação

  • Modular com auto diagnostico

  • Capacidade de reserva para paradas ordenadas

  • Aceita flutuações de 90 a140 V

  • Filtra picos de tensão

CPU

  • Auto-diagnóstico (watch-dog timer, checksum, comunicação)

  • Modular

  • Proteção da memoria bloqueável

  • Falha segura em caso de falta de alimentação

  • Varias capacidades de memoria

  • Compatibilidade com computadores

  • Monitoração de diagnostico de falhas

  • Armazenagem de dados em massa

  • Diagnostico completo

  • Impressão do programa

  • Recebe e transmite dados em alta velocidade

  • Memória confiável industrial

Equipamento Auxiliar

  • Painel de programação com CRT

  • Interface com telefone

  • Gravador cassete para programação

  • Interface com computador

  • Tela de CRT, Interface homem-máquina:

  • Monitoração

  • Relatórios de produção

  • Diagnósticos

  • Alarmes

APOSTILA\CLPCURSO FinkelCLP.DOC 10 JUN 98 (Substitui 31 JAN 92)

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