[Elementos de Automação] Aula 05 - PLC, Notas de aula de Cultura

Baixe [Elementos de Automação] Aula 05 - PLC e outras Notas de aula em PDF para Cultura, somente na Docsity! Técnico em Metalurgia Aula 05 Elementos de Automação: PLC Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Introdução 2  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. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Introdução 5  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 CLP´s 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. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Introdução 6  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). Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Introdução 7  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. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Introdução 10  Hoje os CLP´s 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. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico O CLP/PLC  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. 11 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico História  Podemos didaticamente dividir os CLP´s historicamente de acordo com o sistema de programação por ele utilizado : • 1ª Geração • 2ª Geração • 3ª Geração • 4ª Geração • 5ª Geração 12 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico História  2a. Geração  Aparecem as primeiras “Linguagens de Programação” não tão dependentes do hardware do equipamento, possíveis pela inclusão de um “Programa Monitor“ no CLP, o qual converte (no jargão técnico Compila), as instruções do programa , verifica o estado das entradas, compara com as instruções do programa do usuário e altera o estados das saídas. 15 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico 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. 16 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Histórico  3a. Geração  Os CLP´s 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. 17 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Histórico  5a. Geração  Atualmente existe uma preocupação em padronizar protocolos de comunicação para os CLPs, de modo a proporcionar que o equipamento de um fabricante “converse” com o equipamento outro fabricante, não só CLP´s, 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. 20 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Histórico 21 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Histórico  Existe uma Fundação Mundial para o estabelecimento de normas e protocolos de comunicação. 22 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico 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. 25 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico 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 CLP´s e computadores de controle;  Permitem maior rapidez na elaboração do projeto do sistema. 26 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico 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. 27 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico 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, pode- se 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. 30 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico 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. 31 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico 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. 32 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Arquitetura Básica  Os CLP´s 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%. 35 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Arquitetura Básica  A segunda distinção dos CLP´s 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). 36 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Arquitetura Básica  O software residente, desenvolvido pelo fabricante, e que determina o modo de funcionamento do controlador também caracteriza uma diferença fundamental.  Este software realiza funções de acesso ao hardware, diagnósticos, comunicações e determina o funcionamento do controlador em um modo de operação dedicado (ciclo de varredura) e totalmente transparente ao usuário. 37 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Arquitetura Básica  Ilustação de um sistema controlado por CLP 40 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Processador  O Processador do CLP é responsável pelo processamento do programa, isto é, coleta os dados dos cartões de entrada, efetua o processamento segundo o programa do usuário, armazenado na memória, e envia o sinal para os cartões de saída como resposta ao processamento. 41 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Fonte de Alimentação  A Fonte de Alimentação pode ser interna ou externa a CPU do CLP e tem normalmente as seguintes funções básicas: • Converter a tensão da rede elétrica (110 ou 220 Vca) para a tensão de alimentação dos circuitos eletrônicos, (+5Vcc para o processador, memórias e circuitos auxiliares e +/- 12 Vcc para a comunicação com o Terminal de Programação); • Manter a carga da bateria, nos sistemas que utilizam relógio em tempo real e Memória do tipo RAM; • Fornecer tensão para alimentação das entradas e saídas (12 ou 24 Vcc). 42 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Memória de Aplicação  É onde se armazena o programa da aplicação desenvolvido pelo usuário. Pode ser alterada pelo usuário, já que uma das vantagens do uso de PLC’s é a flexibilidade de programação.  Inicialmente era constituída de memórias do tipo EPROM, sendo hoje utilizadas memórias do tipo RAM (Random Access Memory), cujo programa é mantido pelo uso de baterias, EEPROM e FLASHEPROM, sendo também comum o uso de cartuchos de memória, que permite a troca do programa com a troca do cartucho de memória.  A capacidade desta memória varia bastante de acordo com o marca/modelo do PLC, sendo normalmente dimensionadas em Passos de Programa. 45 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Memória de Dados  É a região de memória destinada a armazenar os dados do programa do usuário.  Estes dados são valores de temporizadores, valores de contadores, códigos de erro, senhas de acesso, etc.  São normalmente partes da memória RAM do PLC.  São valores armazenados que serão consultados e ou alterados durante a execução do programa do usuário.  Em alguns PLC’s, utiliza-se a bateria para reter os valores desta memória no caso de uma queda de energia. 46 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Bateria  As baterias são usadas nos CLP’s para manter o circuito do Relógio em Tempo Real, reter parâmetros ou programas (em memórias do tipo RAM), mesmo em caso de corte de energia, guardar configurações de equipamentos etc.  Normalmente são utilizadas baterias recarregáveis do tipo Ni – Ca ou Li.  Nestes casos, incorporam se circuitos carregadores. 47 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Módulos de Entrada  Pode ser encontrada uma variedade muito grande de tipos de cartões, para atender as mais variadas aplicações nos ambientes industriais.  Temos dois tipos básicos de entrada: • as digitais ou discretas e • as analógicas. 50 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Entradas Digitais  São aquelas que trabalham com apenas dois estados possíveis, ligado ou desligado (0 ou 1), e alguns dos exemplos de dispositivos que podem ser ligados a elas são: • Botoeiras; • Chaves fim de curso; • Sensores de proximidade indutivos ou capacitivos; • Chaves comutadoras; • Termostatos; • Pressostatos; • Controle de nível (bóia); Etc. 51 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Entradas Digitais  As entradas digitais podem ser construídas para operarem em corrente contínua ou em corrente alternada (por exemplo, 120 ou 230 Vca).  As entradas de corrente contínua também são classificadas em: • tipo N (NPN ou Source) ou • tipo P (PNP ou Sink). 52 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Entradas Analógicas  As Interfaces de Entrada Analógica permitem que o PLC possa manipular grandezas analógicas, enviadas normalmente por sensores eletrônicos.  As grandezas analógicas elétricas tratadas por estes módulos são normalmente tensão ou corrente.  No caso de tensão a faixa de utilização mais utilizada é: 0 a 10 Vcc, e no caso de corrente, a faixa utilizada é: 4 a 20 mA. 55 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Entradas Analógicas  Os principais dispositivos utilizados com as entradas analógicas são: • Sensores de pressão manométrica; • Sensores de pressão mecânica (strain gauges - utilizados em células de carga); • Taco-geradores para medição rotação de eixos; • Transmissores de temperatura; • Termopares, Etc. 56 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Entradas Analógicas  Uma informação importante a respeito das entradas analógicas é a sua resolução. Esta é normalmente medida em bits.  Uma entrada analógica com um maior número de bits permite uma melhor representação da grandeza analógica. • Por exemplo: Uma placa de entrada analógica de 0 á 10 Vcc com uma resolução de 8 bits permite uma sensibilidade de 39,2 mV, enquanto que a mesma faixa em uma entrada de 12 bits permite uma sensibilidade de 2,4 mV e uma de 16 bits permite uma sensibilidade de 0,2 mV.  Este tipo de entrada trabalha numa faixa de valores conhecidos. 57 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Tratamento de Sinal de Entrada  O tratamento que deve sofrer um sinal de entrada varia em função de sua natureza, isto é, um cartão do tipo digital que recebe sinal alternado, se difere do tratamento de um cartão digital que recebe sinal contínuo e assim nos demais tipos de sinais.  A seguir é mostrado um diagrama onde estão colocados os principais componentes de um cartão de entrada digital de tensão alternada. 60 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Tratamento de Sinal de Entrada 61 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Módulos de Saída  Os Módulos ou Interfaces de Saída adequam eletricamente os sinais vindos do microprocessador para que possamos atuar nos circuitos controlados .  Existem dois tipos básicos de interfaces de saída: • as digitais e • as analógicas. 62 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Saídas Digitais  Nas saídas digitais de corrente alternada geralmente são utilizadas tiristores (por exemplo Triac) no estágio de saída da placa.  Podemos também encontrar saídas digitais à relé, neste caso, elas podem trabalhar com cargas de corrente contínua ou alternada.  Nos três casos, também é de praxe, prover o circuito de um isolamento galvânico, normalmente opto-acoplado. 65 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Saídas Analógicas  Os módulos ou interfaces de saída analógica convertem valores numéricos, em sinais de saída em tensão ou corrente.  No caso de tensão normalmente 0 à 10 Vcc, e no caso de corrente de 4 à 20 mA.  Estes sinais são utilizados para controlar dispositivos atuadores do tipo: • Válvulas proporcionais; • Motores C.C.; • Servo – Motores C.C; • Inversores de Freqüência; • Posicionadores rotativos, etc. 66 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Tratamento do Sinal de Saída  Existem vários tipos de cartões de saída que se adaptam à grande variedade de atuadores existentes.  Por este motivo, o sinal de saída gerado de acordo com a lógica de controle, deve ser condicionado para atender o tipo da grandeza que acionará o atuador.  A seguir é mostrado um diagrama onde estão colocados os principais componentes de um cartão de saída digital de corrente contínua: 67 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Circuitos Auxiliares • POWER–DOWN: O caso inverso ocorre quando um equipamento é subitamente desenergizado. O conteúdo das memórias pode ser perdido. Existe um circuito responsável por monitorar a tensão de alimentação, e em caso do valor desta cair abaixo de um limite pré – determinado, o circuito é acionado interrompendo o processamento para avisar o microprocessador e armazenar o conteúdo das memórias em tempo hábil. • WATCH-DOG–TIMER: Para garantir no caso de falha do microprocessador, o programa não entre em “loop”, o que seria um desastre, existe um circuito denominado “Cão de Guarda“, que deve ser acionado em intervalos de tempo pré – determinados. Caso não seja acionado, ele assume o controle do circuito sinalizando uma falha geral. 70 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico LEDs Sinalizadores  De uma forma geral, podemos visualizar as principais funções no frontal do controlador através de LEDs de sinalização que indicam o estado operacional do equipamento.  Estas funções normalmente são encontradas independentemente da arquitetura física do controlador, isto é, se em forma modular ou compacta. 71 Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico LEDs Sinalizadores  Sinalizadores mais comuns nos CLP´s:  LED RUN (EXE) – O estado operacional do controlador pode ser definido através de chaves no próprio frontal (não ilustrado na figura) ou através do Terminal de Programação. Por exemplo, pode-se colocar o CLP em modo de execução através de um comando do TP, e uma vez neste estado o CLP executará o programa do usuário.  Por outro lado, pode-se colocar o CLP no modo de programação, o que habilita o controlador a receber o programa do usuário.  Este LED tem a função de sinalizar o estado operacional do CLP, ou seja, se o programa residente na memória está ou não em execução. 72