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FUMEP – Fundação Municipal de Ensino de Piracicaba

EEP – Escola de Engenharia de Piracicaba COTIP – Colégio Técnico Industrial de Piracicaba

Prof. Msc. Marcelo Eurípedes da Silva Piracicaba, 15 de Fevereiro de 2007

Controladores Lógico Programáveis – Prof. Marcelo Euípedes – Página 2 - 2

1 - Introdução

O objetivo desta apostila é o de apresentar a linguagem de programação de

Controladores Lógico Programáveis (CLPs) denominada de diagrama de contatos, ou Ladder. A palavra “Ladder” em inglês significa “escada”, nome este dado por causa da similaridade da linguagem com o objeto de uso diário. Esta similaridade será observada posteriormente, no decorrer do curso.

A simbologia na linguagem de programação Ladder segue a padrões e normas internacionais, apesar de há uma pequena variação em alguns símbolos dentre os diferentes fabricantes. Mais uma vez deve-se citar que o aluno não deve ficar preocupado com este detalhe, pois o que importa realmente, é o raciocínio lógico que leva a programação, e não o símbolo propriamente dito.

Nos próximos parágrafos tem-se a definição de CLP, mostrando um histórico da tecnologia. A partir do capítulo 2 pode-se encontrar a parte prática do curso.

1.1 - Definição dos CLPS

Os CLPs ou Controladores Lógico Programáveis podem ser definidos, segundo a norma ABNT, como um equipamento eletrônico-digital compatível com aplicações industriais.

Os CPLs também são conhecidos como PLCs, do inglês: Programmable Logic

Controller.

O primeiro CLP data de 1968 na divisão de hidramáticos da General Motors. Surgiu como evolução aos antigos painéis elétricos, cuja lógica fixa tornava impraticável qualquer mudança extra do processo.

A tecnologia dos CLPs sõ foi possível com o advento dos chamados Circuitos

Integrados e da evolução da lógica digital. Trouxe consigo as principais vantagens:

a) fácil diagnóstico durante o projeto b) economia de espaço devido ao seu tamanho reduzido c) não produzem faíscas d) podem ser programados sem interromper o processo produtivo e) possibilidade de criar um banco de armazenamento de programas f) baixo consumo de energia g) necessita de uma reduzida equipe de manutenção

Controladores Lógico Programáveis – Prof. Marcelo Euípedes – Página 3 - 3 h) tem a flexibilidade para expansão do número de entradas e saídas i) capacidade de comunicação com diversos outros equipamentos, entre outras

1.2 - Histórico da Tecnologia

Historicamente os CLPs podem ser classificados nas seguintes categorias:

1a GERAÇÃO: Programação em Assembly. Era necessário conhecer o hardware do equipamento, ou seja, a eletrônica do projeto do CLP.

2a GERAÇÃO: Apareceram as linguagens de programação de nível médio. Foi desenvolvido o “Programa monitor” que transformava para linguagem de máquina o programa inserido pelo usuário.

3a GERAÇÃO: Os CLPs passam a ter uma entrada de programação que era feita através de um teclado, ou programador portátil, conectado ao mesmo.

4a GERAÇÃO: É introduzida uma entrada para comunicação serial, e a programação passa a ser feita através de micro-computadores. Com este advento surgiu a possibilidade de testar o programa antes do mesmo ser transferido ao módulo do CLP, propriamente dito.

5a GERAÇÃO: Os CLPs de quinta geração vem com padrões de protocolo de comunicação para facilitar a interface com equipamentos de outros fabricantes, e também com Sistemas Supervisórios e Redes Internas de comunicação.

1.3 - Principio de Funcionamento

Conforme a Figura 1.1 abaixo, o CLP funciona de forma seqüencial, fazendo um ciclo de varredura em algumas etapas. É importante observar que quando cada etapa do ciclo é executada, as outras etapas ficam inativas. O tempo total para realizar o ciclo é denominado CLOCK. Isso justifica a exigência de processadores com velocidades cada vez mais altas.

Início: Verifica o funcionamento da C.P.U, memórias, circuitos auxiliares, estado das chaves, existência de um programa de usuário, emite aviso de erro em caso de falha. Desativa todas as as saídas.

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Figura 1.1 – Ciclo de Varredura de um CLP

Verifica o estado das entradas: Lê cada uma das entradas, verificando se houve acionamento. O processo é chamado de ciclo de varredura.

Campara com o programa do usuário: Através das instruções do usuário sobre qual ação tomar em caso de acionamento das entradas o CLP atualiza a memória imagem das saídas.

Atualiza as saídas: As saídas são acionadas ou desativadas conforme a determinação da CPU. Um novo ciclo é iniciado.

1.4 - Estrutura Básica de um CLP

Fonte de alimentação: Converte a tensão da rede de 110 ou 220 VCA em +5VCC, +12VCC ou +24VCC para alimentar os circuitos eletrônicos, as entradas e as as saídas.

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Unidade de processamento: Também conhecida por CPU, é composta por microcontroladores ou microprocessadores (Intel 80xx, motorola 68xx, PIC 16xx). Endereçamento de memória de até 1Mega Byte, velocidades de clock de 4 a 30 MHz, manipulação de dados decimais, octais e hexadecimais.

Bateria: Utilizada para manter o circuito do relógio em tempo real. Normalmente são utilizadas baterias recarregáveis do tipo Ni - Ca.

Memória do programa supervisor: O programa supervisor é responsável pelo gerenciamento de todas as atividades do CLP. Não pode ser modificado pelo usuário e fica normalmente em memórias do tipo PROM, EPROM, EEPROM.

Memória do usuário: Espaço reservado ao programa do usuário. Constituída por memórias do tipo RAM, EEPROM ou FLASH-EPROM. Também pode-se utilizar cartuchos de memória, para proporcionar agilidade e flexibilidade.

Memória de dados: Armazena valores do programa do usuário, tais como valores de temporizadores, contadores, códigos de erros, senhas, etc. Nesta região se encontra também a memória imagem das entradas – a saídas. Esta funciona como uma tabela virtual onde a CPU busca informações para o processo decisório.

Os circuitos auxiliares atuam em caso de falha do CLP, são:

POWER ON RESET: desliga todas as saídas assim que o equipamento é ligado, isso evita que possíveis danos venham a acontecer. POWER DOWN: monitora a tensão de alimentação salvando o conteúdo das memórias antes que alguma queda de energia possa acontecer. WATCH DOG TIMER: o cão de guarda deve ser acionado em intervalos periódicos, isso evita que o programa entre em “loop”.

1.5 - Classificação dos CLPs

Os CLPs podem ser classificados segundo a sua capacidade:

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

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CLPs de médio porte: capacidade de entrada e saída em até 256 pontos, digitais e analógicas. Permitem até 2048 passos de memória. CLPs de grande porte: construção modular com CPU principal e auxiliares. Módulos de entrada e saída digitais e analógicas, módulos especializados, módulos para redes locais. Permitem a utilização de até 4096 pontos. A memória pode ser otimizada para o tamanho requerido pelo usuário.

1.6 - Tipos de Variáveis

Durante o decorrer do curso serão utilizadas variáveis discretas e analógicas, pois esta mixagem é permitida neste tipo de linguagem. As variáveis analógicas são aquelas que variam continuamente com o tempo, conforme mostra a figura 1.1(a). Elas são comumente encontradas em processos químicos advindas de sensores de pressão, temperatura e outras variáveis físicas. As variáveis discretas, ou digitais, são aquelas que variam discretamente com o tempo, como pode ser visto na figura 1.1(b).

Figura 1.2 – Variáveis analógicas e digitais

Alguns tópicos do controle discreto, ou a automação com variáveis discretas, já foi estudado pelo aluno na disciplina de comandos elétricos. Esta é fundamental e básica, pois a finalidade da automação de qualquer sistema está no acionamento de atuadores, que irão exercer um trabalho físico no sistema controlado, evitando assim a intervenção humana.

As variáveis controladas pelo CLP podem ser dividias em entradas, advindas dos sensores e saídas, correspondendo aos atuadores. Alguns exemplos são mostrados nos próximos parágrafos.

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1.7 - Entradas discretas

São aquelas que fornecem apenas um pulso ao controlador, ou seja, elas têm apenas um estado ligado ou desligado, nível alto ou nível baixo, remontando a álgebra boolena que trabalha com uns e zeros. Alguns exemplos são mostrados na figura 1.2, dentre elas: as botoeiras (1.2a), válvulas eletro-pneumáticas (1.2b) , os pressostatos (1.2c) e os termostatos (1.2d).

Figura 1.2 – Entradas discretas

1.8 - Entradas analógicas:

Como o próprio nome já diz, elas medem as grandezas de forma analógica. Para trabalhar com este tipo de entrada os controladores tem conversores analógico-digitais (A/D). Atualmente no mercado os conversores de 10 bits são os mais populares. As principais medidas feitas de forma analógica são a temperatura e pressão. Na figura 1.3 mostram-se, como exemplo, sensores de pressão ou termopares.

Figura 1.3 – Exemplos de entradas analógicas – Termopares

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1.9 - Saídas discretas

São aquelas que exigem do controlador apenas um pulso que determinará o seu acionamento ou desacionamento. Como exemplo têm-se elementos mostrados na figura 1.4: Contatores (1.4a) que acionam os Motores de Indução (1.4b) e as Válvulas Eletropneumáticas (1.4c).

Figura 1.4 – Exemplos de saídas discretas 1.10 - Saídas analógicas

Como dito anteriormente, de forma similar o controlador necessita de um conversor digital para analógico (D/A), para trabalhar com este tipo de saída. Os exemplos mais comuns são: válvula proporcional, acionamento de motores DC, displays gráficos, entre outros.

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2 – Elementos Básicos de um programa em Ladder

A linguagem Ladder foi a primeira que surgiu na programação dos Controladores

Lógico Programáveis (CLPs), pois sua funcionalidade procurava imitar os antigos diagramas elétricos, utilizados pelos Técnicos e Engenheiros da época. O objetivo era o de evitar uma quebra de paradigmas muito grande, permitindo assim a melhor aceitação do produto no mercado.

O diagrama de contatos (Ladder) consiste em um desenho formado por duas linhas verticais, que representam os pólos positivo e negativo de uma bateria, ou fonte de alimentação genérica. Entre as duas linhas verticais são desenhados ramais horizontais que possuem chaves. Estas podem ser normalmente abertas, ou fechadas e representam os estados das entradas do CLP. Dessa forma fica muito fácil passar um diagrama elétrico para linguagem Ladder. Basta transformar as colunas em linhas, como se mostra nas figuras 2.1 e 2.2, para o caso de uma simples partida direta.

Figura 2.1 – Diagrama elétrico de uma partida direta Figura 2.2 – Diagrama elétrico de uma partida direta

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Não se deve esquecer de ligar as botoeiras e contatores, que são os elementos de comando, externamente ao CLP. Para o caso deste comando as ligações elétricas são mostradas na figura 2.3. É importante observar que o relé foi colocado para permitir a existência de dois circuitos diferentes, o de comando composto por uma tensão contínua de 24 V, e o circuito de potência, composto por uma tensão alternada de 220 V. Ainda no CLP a letra “I” significa entrada (Input) e a letra ”O” significa saída (Output).

Deve-se lembrar sempre que em painéis elétricos o CLP está inserido na parte de comando do mesmo.

Deve-se lembrar sempre que em painéis elétricos o CLP está inserido na parte de comando do mesmo.

Figura 2.3 – Exemplo de ligação para acionamento de um contator, como no caso do comando direto de um motor de indução trifásico

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O mesmo procedimento de conversão pode ser feito com para uma partida de motores com reversão, como mostram as figuras 2.4 e 2.5 a seguir.

Figura 2.4 – Diagrama de comando para uma partida com reversão Figura 2.5 – Programa em Ladder para uma partida com reversão

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Na figuras 2.4 e 2.5 podem-se observar os elementos básicos de comando, que são os selos dados pelos contatos abertos de O1 e O2, e também os intertravamentos dados pelos contatos fechados de O1 e O2.

Observando os dois exemplos dados, pode-se definir agora os elementos essenciais em uma programação Ladder:

Tabela 2.1 – Elementos Básicos em Ladder Nomeclatura Abreviação Símbolo

Contato Normalmente Aberto NA

Contato Normalmente Fechado NF Bobina ou Saída ---

Com os elementos básicos montam-se diversas combinações importantes, mostradas nos próximos itens.

2.1) Funções Lógicas em Ladder

As funções lógicas são estudadas em todos e quaisquer elementos. A combinação entre os contatos NA e NF servem de importante orientação para o projetista e programador de circuitos lógicos.

A) Função “E” (AND)

Tabela verdade

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B) Função “OU” (OR)

D) Função “Não E” (NAND)

Segundo a álgebra de Boole: BABA+= _ *. Assim a função NAND consiste em dois contatos NF em paralelo.

D) Função “Não OU” (NOR)

Segundo a álgebra de Boole: BABA* _ =+. Assim a função NOR consiste em dois contatos NF em série.

Tabela Verdade

Tabela verdade

Tabela verdade

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2.2) Circuitos de Selo

Os selos são as combinações mais básicas entre elementos, destinados a manter uma saída ligada, quando se utilizam botoeiras.

A) Selo com prioridade no ligamento

Com as duas chaves pressionadas o circuito sempre estará ligado.

Figura 2.6 – Selo com prioridade no ligamento A) Selo com prioridade no desligamento

Com as duas chaves pressionadas o circuito sempre estará desligado. É o mais utilizado por questões de segurança.

Figura 2.7 – Selo com prioridade no desligamento 2.3) Instruções de ‘SET” e “RESET”

A instrução de “SET” liga uma saída e mantém a mesma ligada mesmo que a alimentação da entrada seja retirada. Para se desligar a saída utiliza a instrução “RESET”. A figura 2.8 mostra um exemplo da utilização destas instruções na partida direta de um motor. O programa na figura 2.8 é equivalente ao programa mostrado na figura 2.7.

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Figura 2.8 – Utilização das Instruções de SET e RESET

2.4) Circuitos de Detecção de Borda

Existem situações em que é necessário registrar não o estado da entrada, mas sim o instante em que essa entrada comuta. Isso é realizado pelos circuitos de detecção de borda, que podem detectar o flanco ascendente (instante de ativação da entrada) quanto o flanco descendente (instante de desativação da entrada).

Estes circuitos se aproveitam do modo de operação do CLP onde a varredura é feita através de uma linha de cada vez. A figura 2.9 mostra o exemplo de detecção de borda durante a subida.

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