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Controlador lógico programável, Notas de estudo de Engenharia de Petróleo

Os Controladores Lógicos Programáveis ou CLPs são equipamentos eletrônicos utilizados em sistemas de automação flexível. São ferramentas de trabalho muito úteis e versáteis para aplicações em sistemas de acionamentos e controle, e por isso são utilizados em grande escala no mercado industrial. Permitem desenvolver e alterar facilmente a lógica para acionamento das saídas em função das entradas. Desta forma, podemos associar diversos sinais de entrada para controlar diversos atuadores ligados nos

Tipologia: Notas de estudo

Antes de 2010

Compartilhado em 20/12/2009

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kayo-felipe-maia-11 🇧🇷

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Baixe Controlador lógico programável e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia de Petróleo, somente na Docsity! UNIVERSIDADE POTIGUAR – UnP CURSO TECNOLOGICO DE PETRÓLEO E GÁS TURNO MATUTINO – 4MA KAYO FLIPE NUNES MAIA DE QUEIROGA CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL MOSSORÓ/RN DESEMBRO/2009 KAYO FLIPE NUNES MAIA DE QUEIROGA CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL Trabalho apresentado como exigência da disciplina Noções de instrumentação, controle e automação ministrada pelo professor Felipe Lira Formiga no período letivo de 2009.2 MOSSORÓ/RN DEZEMBRO/2009 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL – CLP A Automação Predial ou Residencial já é uma realidade nos dias de hoje. Com a sua história advinda das indústrias, vem sendo utilizadas ao longo de todas as cadeias de processos. A Automação Industrial não demorou muito a chegar em prédios até galgar as residências. O dispositivo mais utilizado e que tornou possível este tipo de sistema foi o CLP (Controlador Lógico Programável). O CLP surgiu na década de 60. Ainda existem muitas empresas do ramo da indústria de automação que possuem pouca experiência com eles. A grande vantagem desse dispositivo esta na possibilidade de reprogramação sem necessidade de realizar modificações de hardware. Mais o que impulsionou a saída da automação das indústrias para os prédios e residências foi à popularização e o desenvolvimento dos computadores pessoais. De fato, atualmente o que se busca é a conectividade entre os diversos dispositivos que integram um sistema automatizado e os computadores pessoais. O CLP começou a ser usado no ambiente industrial desde 1960 embora ainda existem muitas empresas do ramo da indústria de automação que possuem pouca experiência com eles. A grande vantagem dos controladores programáveis é a possibilidade de reprogramação, motivo pelo qual substituíram os tradicionais painéis de controle a relês. Esses painéis necessitavam de modificações na fiação cada vez que se mudava o projeto, o que muitas vezes era inviável, tornando-se mais barato simplesmente substituir todo painel por um novo. Os CLPs permitiram transferir as modificações de hardware em modificações no software. A General Motors, em meados de 1969, surgiu com os primeiros controladores baseados numa especificação resumida a seguir: • Facilidade de programação; • Facilidade de manutenção com conceito plug-in; • Alta confiabilidade; • Dimensões menores que painéis de Relês, para redução de custos; • Envio de dados para processamento centralizado; • Preço competitivo; • Expansão em módulos; • Mínimo de 4000 palavras na memória. A partir da década de 70, com a inclusão de microprocessadores dentro dos controladores, eles passaram a se chamar de Controladores Programáveis (CLPs), dez anos à frente na década de 80, suas funções foram aperfeiçoadas e passaram a utilizar a rede de comunicação de dados. (MORAIS e CASTRUCCI, 2001). De acordo com (NATALE, 2004, p.11), o CLP “É um computador com as mesmas características conhecidas do computador pessoal, porém, [é utilizado] em uma aplicação dedicada [...]”. Segundo a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), o CLP é um equipamento eletrônico digital com hardware e software compatíveis com aplicações industriais. O NEMA (National Electrical Manufactures Association), considera um CLP um aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para armazenar internamente instruções e para implementar funções específicas, tais como lógica, seqüênciamento, temporização, contagem e aritmética, controlando, por meio de módulos de entradas e saídas, vários tipos de máquinas ou processos. De forma geral, os controladores lógicos programáveis (CLPs) são equipamentos eletrônicos de última geração, utilizados em sistemas de automação flexível. Estes permitem desenvolver e alterar facilmente a lógica para acionamento das saídas em função das entradas. Desta forma, pode-se utilizar inúmeros pontos de entrada de sinal para controlar pontos de saída de sinal (cargas). Funcionamento do CLP O funcionamento de um CLP corresponde a três etapas distintas, as quais são: entradas, processamento e saídas. Essas etapas são ilustradas na figura 1 (SILVA FILHO, 2000). Com essa finalidade o CLP possui uma arquitetura bastante conhecida baseada em microcontroladores e microprocessadores. Figura 1. Estrutura básica de funcionamento de um CLP O hardware de um CLP é formado por 3 unidades distintas, as quais são: fonte de alimentação, CPU (Unidade Central de Processamento, e interfaces de entrada e saídas ou I/O), e interfaces de I/O. Cada unidade que compõe um CLP é responsável pelo seu funcionamento. • Fonte de Alimentação: A alimentação de energia do CLP utiliza uma fonte chaveada e uma única tensão de saída de 24 V. Esse valor já é utilizado com a finalidade de alimentar os módulos de entrada e saída de dados e a CPU ao mesmo tempo. Outra característica importante é que normalmente as máquinas industriais, funcionam com essa tensão por ser bem menos suscetível a ruídos. Outro ponto destacável, é que essa tensão já é compatível com o sistema de comunicação RS-232. • CPU: Segundo MORAES E CASTRUCCI (p.31, 2001), é “responsável pela execução do programa do usuário, atualização da memória de dados e memória- imagem das entradas e saídas”. Inicialmente com a 2ª geração de CLP (barramento de dados, endereço e controle), a CPU era constituída por um microcontrolador. A opção por microcontroladores baseava-se pelo custo- benefício, facilidade de manuseio, e também pela baixa complexidade dos softwares. Com exceção dos CLPs de pequeno porte, geralmente, os CLPs apresentam um microprocessador na forma de um CI (Circuito Integrado) dedicado. • Interfaces de I/O: As entradas e saídas de um CLP podem ser divididas em duas categorias: as analógicas e digitais. Na figura 2 são ilustrados estes dois modelos de interfaces I/O (DAHER, 2003). Figura 2. Interfaces de I/O digitais e analógicas. manipulação matemática ou de dados. Podem ser usados quando houver ausência de energia no CLP. Programação A lógica desenvolvida pelo CLP com os sinais de entrada para acionar as suas saídas é programável. É possível desenvolver lógicas combinatórias, lógicas seqüenciais e também uma composição das duas, o qual ocorre na maioria das vezes. Como já mencionado na introdução as indústrias utilizavam painéis para desempenhar os mesmos papéis que realizam hoje as linguagens de programação, padronizadas pela norma IEC 1131-3, fazem. Segundo IEC – 1131-3 (MORAES E CASTRUCCI, 2001), ela classifica as linguagens de programação conforme a tabela 1: Tabela – Norma IEC-1131-3. Classes Linguagens Tabulares Tabela Decisão Textuais IL (Lista de Instruções) ST (Texto Estruturado) Gráficas LD (Diagrama de Relês) FBD (Diagrama de Blocos de Funções) SFC (Carta de Fluxo Seqüencial) Conforme NATALE (2000, p.29), “Automatizar um sistema significa fazer uso de funções lógicas, representadas, por sua vez, por portas lógicas que podem ser implementadas, [...] fazendo uso de componentes, independentemente do nível de sua tecnologia [...].”. O CLP TP-02 utiliza a linguajem LADDER ou LD conforme a norma IEC – 1131-3 acima. Segundo MORAES E CASTRUCCI (2001), A Linguagem Ladder ou como o autor cita “Linguagem de Diagrama de Contatos (LADDER Diagram)”, originou-se dos diagramas elétricos em LADDER (Escada), cuja origem provem da Lógica de Relês, ver tabela 2. Tabela – Instruções para a Linguagem Ladder Instruções Representação Contato Normalmente Aberto -| |- Contato Normalmente Fechado -|/|- Bobina -( )- Bobina Inversa (acionada desenergizada) -(|)- Bobina Set -(S)- Bobina Reset -(R)- Bobina de Memorização (mantém o estado) -(M)- Bobina de Set da Memória -(SM)- Bobina de Reset da Memória -(RM)- Bobina de Detecção de Borda de Subida -(P)- Bobina de Detecção de Borda de Descida -(N)- Lógica Matemática e Binária Segundo SILVA FILHO (2000a, p.9) “ [...] a lógica matemática visa facilitar as ambigüidades da linguagem natural, devido a sua natureza subjetiva e, portanto é uma ferramenta muito útil na lógica do raciocínio. Para evitar essas dificuldades, criou-se uma linguagem lógica artificial”. Como a lógica binária possui apenas dois valores: ‘0’ e ‘1’. Com a utilização destes dois símbolos construímos a base numérica binária. Assim, foram criadas as portas lógicas, que são circuitos utilizados para combinar níveis lógicos digitais de formas específicas. A figura 5 ilustra a relação entre as portas lógicas básicas e a linguagem LADDER. Figura 5. Representação das funções lógicas básicas. A linguagem LADDER permite desenvolver lógicas combinacionais, seqüenciais ou ambas. Utiliza como operadores para estas lógicas: entradas, saídas, estados auxiliares e registros numéricos. A figura 6 ilustra os principais símbolos da programação. Figura 6. Principais símbolos de programação. Para entendermos a estrutura da linguagem vamos adotar um exemplo bem simples: o acionamento de uma lâmpada L a partir de um botão Liga/Desliga. Na figura 7 temos o esquema elétrico tradicional, o programa e as ligações no CLP. Para entender o circuito com o CLP, pode-se observar o programa desenvolvido para acender a lâmpada L quando for acionado o botão B1. Figura 7. Aci onament o de uma lâm pada. O botão B1, normalmente aberto, está ligado a entrada X1 e a lâmpada ligada à saída Y1. Ao acionarmos B1, X1 é acionado e a saída Y1 é energizada. Caso for desejado que a lâmpada apague quando for acionado B1, bastaria trocar o contato normalmente abordadas neste documento. A figura 9 ilustra a conexão entre o CLP e diversos dispositivos usando o barramento conhecido como Mestre-Escravo. Figura 9. Barramento Mestre-Escravo usando o CLP TP02 (WEG). Nas redes Mestre-Escravo, a comunicação é feita com consulta do Mestre para o Escravo e resposta do Escravo para o Mestre. O Mestre percorre todo o barramento em um ciclo consultando seus escravos (ZEILMANN, 2002). A conexão entre CLPs usualmente usa os padrões de tensão RS232, RS422 e RS485. O padrão RS232 permite a comunicação com o PC, porém não é adequado na comunicação multiponto entre vários CLPs, contudo existem novos padrões advindos do RS232, chamado E3C no qual é possível conectar até 256 estações. Os padrões RS422 e RS485 são os mais utilizados, alem de possibilitar maior taxa de comunicação e alcance. Por isso esses padrões trazem oportunidades onde a conectividade e sinergia entre os CLPs e os PCs seja real, trazendo inúmeras inovações e idéias para sistemas de gerenciamento de dispositivos remotos, por exemplo. A figura 10 ilustra a conexão entre o PC e diversos CLPS usando o barramento Mestre-Escravo. O PC desenvolve a função de Mestre. Figura 10. Barramento Mestre-Escravo comandado pelo PC. PROTOCOLOS • TP02 (proprietário) • MOdbus SOFTWARE SUPERVISÓRIO Com o surgimento do PC, segundo SEIXAS FILHO (2000,p.1) “ [...] sumiram as mesas de controle e o PC passou a reinar como a plataforma preferida de supervisão e operação [...]. Os softwares SCADA apareceram em diversos tamanhos, [...] com diversos repertórios de funcionalidades. Os softwares SCADA são chamados de sistemas supervisórios. Tem por objetivo ilustrar o comportamento de um processo através de figuras e gráficos, tornando-se assim, uma interface objetiva entre um operador e o processo. Segundo OGATA (1997), o software supervisório deve ser visto como o conjunto de programas gerados e configurados no software básico de supervisão, implementando as estratégias de controle e supervisão com telas gráficas de interface homem-máquina (IHM) que facilitam a visualização do contexto atual, a aquisição e tratamento de dados do processo e a gerência de relatórios e alarmes. A padronização dos canais de comunicação entre os CLPs e outros equipamentos inteligentes de automação tem adquirido grande importância, em vista da tendência de integração total dos níveis hierárquicos de automação, verificada após a introdução da filosofia CIM (Computer Integrated Manufacturing). Para propiciar esta interatividade surgiram vários protocolos de comunicação, tais como: BITBUS, PROFIBUS, ETHERNET, etc. Muitos fabricantes oferecem redes proprietárias para esta finalidade, porém, a tendência dominante á a de utilizar os diversos sistemas propostos para a padronização de redes para chão de fábrica. Elipse SCADA Neste projeto será utilizado o software ELIPSE/SCADA para monitorar o funcionamento dos CLPs e o estado das cargas. O objetivo será o de projetar na tela de supervisão uma interface de fácil compreensão e que seja amigável ao usuário, facilitando a monitoração do sistema e a mudança dos parâmetros (tempo de desligamento, por exemplo). Comunicação Existem várias maneiras de se trocar informações com qualquer equipamento de aquisição de dados, tais como PLC's (Controladores Lógicos Programáveis), DAC's (Cartões de Aquisição de Dados), RTU's (Unidades Remotas), servidores OPC, controladores e outros tipos de equipamentos. A forma mais comum e eficiente de se obter comunicação com equipamentos são as DLL’s (Dynamic Link Libraries). As DLLs ão os chamados drivers de comunicação, que são módulos com processamento independente (threads), responsáveis pela comunicação com um equipamento em específico. No Elipse SCADA não há limitações lógicas de números de equipamentos ou drivers de comunicação, sendo que uma mesma aplicação pode conter vários tipos de conexões, através de portas seriais ou redes específicas. Além disso, os drivers desenvolvidos pela Elipse Software provém comunicação via linha discada ou rádio-modem com qualquer PLC de mercado que possua interface serial RS232/RS485, com tratamento automático da conexão, o que o torna ideal para aplicações de telemetria e acesso remoto, ver figura 11. Caso o equipamento remoto possua capacidade de discagem, nossos drivers também estão prontos a receber ligações, a fim de ser informado sobre eventos específicos como uma ocorrência de alarme. Figura 11. Rede de comunicação. OPC O Elipse SCADA suporta conexões com quaisquer servidores OPC (Ole for Process Control), possibilitando a conectividade com diversos equipamentos que suportam este serviço. A tecnologia OPC implementa um mecanismo que provém dados de algum definidas pelo usuário. Permite a criação de um banco de dados de imagens com busca por período ou evento e transmissão de imagens em tempo real para estações remotas via TCP/ IP ou linha discada. Elipse Web: Sistema para supervisão de processos através da Intranet e Internet. Utilizando um browser comercial (Internet Explorer, por exemplo) é possível conectar-se a uma estação de supervisão remota, recebendo dados em tempo real (através de JAVA Applets). Com este recurso é possível acessar o processo de qualquer lugar do mundo. Telas do supervisório A modo de exemplo, a figura 13 ilustra a tela criada com um software SCADA simulando o controle de nível de um tanque. Figura 13. Controle do nível de um tanque executado pelo ELIPSE SCADA. CONCLUSÃO O CLP foi idealizado pela necessidade de poder se alterar uma linha de montagem sem que tenha de fazer grandes modificações mecânicas e elétricas. O CLP nasceu praticamente dentro da indústria automobilística, especificamente na Hydronic Division da General Motors, em 1968 , sob o comando do engenheiro Richard Morley e seguindo uma especificação que refletia as necessidades de muitas indústrias manufatureiras.
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