[Elementos de Automação] Aula 05 - PLC

[Elementos de Automação] Aula 05 - PLC

(Parte 1 de 2)

Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico

Introdução

O Controlador Lógico Programável (CLP) nasceu praticamente dentro da indústria automobilística americana, especificamente na Hydronic Division da General Motors, em

1968, devido a grande dificuldade de mudar a lógica de controle de painéis de comando a cada mudança na linha de montagem.

Tais mudanças implicavam em altos gastos de tempo e dinheiro.

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Introdução

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

Nascia assim, um equipamento bastante versátil e de fácil utilização, que vem se aprimorando constantemente, diversificando cada vez mais os setores industriais e suas aplicações.

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Introdução

Os primeiros controladores tinham pouca capacidade de processamento e suas aplicações se limitavam à máquinas e pequenos processos que necessitavam de operações repetitivas.

A partir de 1970, com o advento da tecnologia de microprocessadores, os controladores passaram ter uma grande capacidade de processamento e alta flexibilidade de programação e expansão.

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Introdução

Entre outras características citamos: a capacidade de operar com números, realizar operações aritméticas com ponto decimal flutuante, manusear dados e se comunicar com computadores.

Desta forma, os CLPs atuais podem atuar tanto em controle discreto, tais como, automação da manufatura, onde as máquinas apresentam ações automáticas e discretizada no tempo, como em controle contínuo, tais como, processos químicos e siderúrgicos, com características primordialmente analógicas.

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Introdução

O sistema utilizado para programar o controlador era um dispositivo dedicado e acondicionado em uma maleta portátil, chamada de maleta de programação, de forma que podia ser levada para

“campo” a fim de alterarem dados e realizar pequenas modificações no programa.

O sistema de memória do controlador não permitia facilidades de programação por utilizar memórias do tipo EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory).

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Introdução

Inovações no hardware e software entre 1975 e 1979 proporcionaram ao CLP maior flexibilidade e capacidade de processamento, isto significou aumento na capacidade de memória e de entradas/saídas remotas, controle analógico, controle de posicionamento, comunicações, etc.

A expansão de memória permitiu um programa de aplicação maior e uma maior quantidade de dados de forma que os programas de controle não ficassem restritos à lógica e seqüenciamento, mas também realizassem aquisição e manipulação de dados.

Com o desenvolvimento do controle analógico, o controlador programável preencheu uma distância que existia entre controle discreto e controle contínuo.

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Introdução

Até recentemente não havia nenhuma padronização entre fabricantes, apesar da maioria utilizar as mesmas normas construtivas.

Porém, pelo menos no nível de software aplicativo, os controladores programáveis podem se tornar compatíveis com a adoção da norma

IEC 1131-1, que prevê a padronização da linguagem de programação e sua portabilidade.

IEC - A International Electrotechnical Commission ou Comissão Eletrotécnica Internacional é uma organização internacional de padronização de tecnologias elétricas, eletrônicas e relacionadas.

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Introdução

Outra novidade que vem sendo incorporada pelos controladores programáveis é o Fieldbus

(barramento de campo), que surge como uma proposta de padronização de sinais no nível de chão de fábrica.

Este barramento se propõe a diminuir sensivelmente o número de condutores usados para interligar os sistemas de controle aos sensores e atuadores, além de propiciar a distribuição da inteligência por todo o processo.

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Introdução

Hoje os CLPs oferecem um considerável número de benefícios para aplicações industriais, que podem ressaltar em economia que excede o custo do CLP e devem ser considerados quando da seleção de um dispositivo de controle industrial.

Existem vários tipos de controladores, desde pequena capacidade até os mais sofisticados realizando operações que antes eram consideradas específicas para computadores.

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A idéia inicial do CLP foi de um equipamento com seguintes características resumidas:

•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.

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História

Podemos didaticamente dividir os CLPs historicamente de acordo com o sistema de programação por ele utilizado :

• 1ª Geração •2ª Geração

•3ª Geração

•4ª Geração

•5ª Geração

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História

Os CLPs de primeira geração se caracterizam pela programação intimamente ligada ao hardware do equipamento.

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História

A linguagem utilizada era o Assembly que variava de acordo com o processador utilizado no projeto do CLP, ou seja, para poder programar era necessário conhecer a eletrônica do projeto do CLP.

Assim a tarefa de programação era desenvolvida por uma equipe técnica altamente qualificada, gravando - se o programa em memória EPROM, sendo realizada normalmente no laboratório junto com a construção do CLP.

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História

Aparecem as primeiras “Linguagens de

Programação” não tão dependentes do hardware do equipamento, possíveis pela inclusão de um “Programa Monitor“ no CLP, o qual converte (no jargão técnico Compila), as instruções do programa , verifica o estado das entradas, compara com as instruções do programa do usuário e altera o estados das saídas.

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História

Os Terminais de programação (ou Maletas, como eram conhecidas) eram na verdade Programadores de Memória EPROM.

As memórias depois de programadas eram colocadas no CLP para que o programa do usuário fosse executado.

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Histórico

Os CLPs passam a ter uma

Entrada de Programação, onde um Teclado ou Programador Portátil é conectado, podendo alterar, apagar , gravar o programa do usuário, além de realizar testes ( Debug ) no equipamento e no programa.

A estrutura física também sofre alterações sendo a tendência para os Sistemas Modulares com Bastidores ou Racks.

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Histórico

Com a popularização e a diminuição dos preços dos micros - computadores (normalmente clones do IBM PC), os CLPs passaram a incluir uma entrada para a comunicação serial.

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Histórico

Com o auxílio dos microcomputadores a tarefa de programação passou a ser realizada nestes.

As vantagens eram as utilizações de várias representações das linguagens, possibilidade de simulações e testes, treinamento e ajuda por parte do software de programação, possibilidade de armazenamento de vários programas no micro, etc.

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Histórico

Atualmente existe uma preocupação em padronizar protocolos de comunicação para os CLPs, de modo a proporcionar que o equipamento de um fabricante “converse” com o equipamento outro fabricante, não só CLPs, como Controladores de Processos, Sistemas Supervisórios, Redes Internas de Comunicação e etc., proporcionando uma integração a fim de facilitar a automação, gerenciamento e desenvolvimento de plantas industriais mais flexíveis e normalizadas, fruto da chamada Globalização.

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Histórico 21

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Histórico

Existe uma Fundação Mundial para o estabelecimento de normas e protocolos de comunicação.

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Carcaterísticas

Existem vários tipos de controladores, desde pequena capacidade até os mais sofisticados realizando operações que antes eram consideradas específicas para computadores.

A evolução do hardware conduziu a melhoras significativas nas características do controlador, entre outras citamos:

•Redução no tempo de varredura;

•Interface de E/S (Entrada/Saída) microprocessadas.

•Ex: módulo PID (Proporcional Integral Derivativa), Módulo ASCII, módulo de posicionamento;

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

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Codificação ASCII

ASCII - American Standard Code for

Information Interchange é um conjunto de códigos para o computador representar números, letras, pontuação e outros caracteres.

É uma padronização da indústria de computadores, onde cada caractere é manipulado na memória discos etc, sob forma de código binário.

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Características

No software também surgiram novas características, tais como:

•Linguagem em blocos funcionais e estruturação de programa;

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

•Diagnósticos e detecção de falhas;

•Operações matemáticas em ponto flutuantes através de coprocessadores matemáticos, etc.

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Vantagens

Ocupam menor espaço; Requerem menor potência elétrica;

Podem ser reutilizados;

São programáveis, permitindo alterar os parâmetros de controle;

Apresentam maior confiabilidade;

Manutenção mais fácil e rápida;

Oferecem maior flexibilidade;

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

Permitem maior rapidez na elaboração do projeto do sistema.

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Conceituação

Devido ao intuito inicial de substituírem os painéis de relés no controle discreto, foram chamados de Controladores Lógicos

Programáveis – CLP (Programmable Logic Controllers – PLC).

Porém, atualmente, os controladores são bem mais complexos e não executam somente lógica do tipo “E” e “OU”, motivo pelo qual passaram a ser chamados apenas de Controladores Programáveis – CP.

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Conceituação

Um Controlador Lógico Programável (CLP) é um equipamento eletrônico dedicado à aquisição e tratamento de dados em tempo real de máquinas e sistemas industriais.

Executa uma seqüência de instruções introduzidas em sua memória sob a forma de programa, semelhante a um microcomputador.

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Conceituação

No entanto, o controlador programável distingue-se dos microcomputadores por três características fundamentais:

•Pode ser ligado diretamente aos sensores e préacionadores;

•Está concebido para trabalhar em ambientes industriais agressivos (temperatura, vibração, microinterrupções de tensão de alimentação, ruídos, etc.);

•Sua linguagem de programação foi desenvolvida para o tratamento de funções de automação, não sendo necessários profundos conhecimentos de informática para a instalação e operação.

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Normalização

Existe a tendência de utilização de um padrão de linguagem de programação onde será possível a intercambiabilidade de programas entre modelos de CLPs e até de fabricantes diferentes.

Esta padronização está de acordo com a norma IEC 1131-3, na verdade este tipo de padronização é possível utilizando-se o conceito de linguagem de alto nível, onde através de um chamado compilador, podese adaptar um programa para a linguagem de máquina de qualquer tipo de microprocessador, isto é, um programa padrão, pode servir tanto para o CLP de um fabricante A como de um fabricante B.

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Normalização

A norma IEC 1131-3 prevê três linguagens de programação e duas formas de apresentação.

As linguagens são:

•Ladder Diagram – programação como esquemas de relés;

•Boolean Blocks – blocos lógicos representando portas “E”, “OU”, “Negação”, “Ou exclusivo”, etc.

•Structured Control Language (SCL) – linguagem que vem substituir todas as linguagens declarativas tais como linguagem de instruções, BASIC estruturado e inglês estruturado.

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Normalização

As formas de representação são:

•Programação convencional;

•Seqüencial Function Chart (SFC) – evolução do graphcet francês.

A grande vantagem de se ter o software normalizado é que em se conhecendo um conhecem-se todos, economizando em treinamento e garantindo que, por mais que um fornecedor deixe o mercado, a empresa nunca ficará sem condições de crescer ou repor equipamentos.

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Arquitetura Básica

A arquitetura de um CLP é basicamente a mesma que um computador de propósito geral.

Entretanto existem algumas características importantes que diferem o CLP dos computadores.

Podemos dizer que todos os CLPs são computadores por definição, mas nem todos os computadores são CLPs.

A diferença está nos métodos de programação, operação, considerações ambientes e manutenção.

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Arquitetura Básica

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

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Arquitetura Básica

Os CLPs são projetados e construídos para operarem em ambientes industriais, portanto devem resistir a altas temperaturas, ruídos elétricos, poluição atmosférica, ambientes úmidos etc.

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

Uma especificação típica de CLP inclui temperaturas na faixa de 0 a 60° C e umidade relativa de 5 a 95%.

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Arquitetura Básica

A segunda distinção dos CLPs é que o hardware e o software foram projetados para serem operados por técnicos não especializados (nível exigido para a manutenção).

Usualmente, a manutenção é feita pela simples troca de módulos e existem softwares que auxiliam na localização de defeitos.

As interfaces de hardware para conexão dos dispositivos de campo estão prontas para uso e são facilmente intercambiáveis (estrutura modular).

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Arquitetura Básica

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