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MECATRÔNICA ATUAL Nº 3 - ABRIL/200254

Paulo Cesar de Carvalho m máquinas e processos industriais é muito comum a necessidade de aquisitar vários sinais, por exemplo sinais de botoeiras, fins de curso, sensores, ou mesmo realizar uma lógica entre eles para comandar equipamentos tais como motores, válvulas, inversores, etc . Esta função, que denominamos de intertravamento, é uma das principais funções realizadas pelos CLPs . Eles substituem com muitas vantagens o intertravamento realizado com relés. Poderíamos citar muitos benefícios do CLP em relação a um intertravamento a relé, mas, lembramos como os principais : menor tamanho, facilidade de manutenção, programação e capacidade de comunicação com sistemas que gerenciam a produção. Nas figuras 1 e 2 são mostrados exemplos de Módulo a Relé e CLP de médio porte.

Sob o ponto de vista funcional, podemos considerar as seguintes funções que são executadas por um CLP:

Aquisição e comando

Esta função é realizada ciclicamente pelos módulos de Entrada e Saída que podem ser digitais ou analógicos. O tempo entre cada atualização dos pontos de E/S é chamado ciclo de varredura. Os módulos de Entrada aquisitam os sinais do campo e os módulos de Saída realizam acionamentos em campo a cada ciclo de varredura . O ciclo de varredura varia de 5 ms a 600 ms, dependendo da rapidez da CPU e do tamanho do programa aplicativo, sendo o tempo de ciclo típico de um CLP da ordem de 100 ms. O total de pontos de E/S (Entrada Digitais (ED), Entradas Analógicas (EA), Saídas Digitais (SD) e Saídas Analógicas (SA) é fator preponderante para determinar o tipo de CLP a ser utilizado de modo a garantir a performance esperada do sistema. Numa divisão simples, podemos considerar como de pequeno porte um CLP de até 64 E/S, de médio porte até 500 E/S e de grande porte acima deste número.

No número anterior da revista Mecatrônica Atual, abordamos os módulos de Entrada e Saída dos CLPs . Neste artigo, vamos tratar de mais algumas características deles. A idéia é dar subsídios para o leitor especificar um CLP em aplicações práticas na indústria.

Barramento de dados

Em pequenos CLPs o barramento de dados é feito na própria placa da CPU, pois os módulos de aquisição de dados e módulos de saída estão integrados em um só conjunto . Em CLPs maiores o barramento de dados está na placa traseira do bastidor onde a CPU e os módulos de aquisição são encaixados . Outro sistema, mais econômico, utiliza um cabo plano entre os módulos de E/S e a CPU denominado “flat-cable”. A desvantagem do flat-cable é que o usuário precisa se lembrar de desconectar o cabo antes de retirar o módulo, pois, do contrário, poderá danificar o barramento. A maioria dos CLPs tem diagnóstico na CPU para falha neste barramento. Uma função adicional oferecida nos CLPs de maior porte é a troca a quente dos módulos de E/S. Esta função permite ao usuário trocar um cartão de E/S sem interromper a comunicação no barramento de dados.

Memória imagem de operandos

A memória imagem é normalmente uma memória do tipo RAM alimentada por bateria que armazena o estado de todos os operandos do CLP. Assim, se um operando de entrada , por exemplo um sensor conectado a uma entrada digital, ligar, este estado será alterado na memória imagem para nível lógico “1 “. Cada operando digital ocupa 1 bit na memória imagem e os operandos analógicos ocupam 16 bits. Na memória imagem também são armazenados operandos internos utilizados no programa ( abordaremos estes operandos em outro artigo voltado para a programação de CLPs ) . O tamanho desta memória limita o uso de operandos internos no programa aplicativo. Por este motivo é importante saber a limitação do número de operandos internos da CPU.

Armazenamento do programa aplicativo

Ao contrário de programas de computador, os programas aplicativos de CLPs em linguagem ladder, são pequenos, e para aplicação de cerca de

500 pontos de Entrada e Saída podem ser menores que 64 kbytes. O programa aplicativo fica guardado na memória de programa, que pode ser uma EPROM , RAM alimentada com bateria ou FLASH . O sistema de armazenamento em memória RAM alimentada por bateria é muito susceptível a perda de programa, uma vez que a bateria pode perder a carga e, nesse caso, se o CLP for desligado o programa é perdido. A memória RAM é utilizada somente como local provisório de armazenamento do programa durante o start-up do sistema, uma vez que sua gravação é muito rápida. A memória EPROM é bastante segura quanto a perda de programas, sendo utilizada para gravar a versão final do programa. Devido à dificuldade de gravação da EPROM que necessita de gravador especial e à dificuldade de reaproveitamento , visto que é necessário apagar a memória com luz ultravioleta para uma nova gravação, este tipo de memória de programa deixou de ser empregada para esta finalidade. Atualmente, a memória mais utilizada é a memória FLASH, que permite gravar e apagar elétricamente, não perde os dados sem energia e permite até 1000 regravações , além de ter capacidade bem superior chegando a armazenar programas de até 1000 kbytes ou 1 Mbyte. O processo de transferir o programa aplicativo da memória RAM para a FLASH é bastante simples, basta um comando no software de programação do CLP.

Processamento

O processamento do programa aplicativo do CLP é executado pela

Figura 1 – Módulo de saída digital a Relé da Série Ponto, da Altus, com 32 saídas. A borneira no módulo diminui gastos com bornes do painel elétrico.

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para a CPU e os módulos de E/SA

CPU (figura 3) . Nos pequenos CLPs a CPU, a Fonte e os módulos de E/S constituem uma única caixa e não conseguimos distinguir a CPU . Os CLPs de maior número de E/S são modulares e, normalmente, teremos um módulo só para fonte de alimentação que alimenta a CPU e a eletrônica dos módulos de E/S, um módulo seguir, apresentaremos os critérios mais comuns para a escolha da CPU, classificados de a) até i).

a) Tempo médio de execução do programa aplicativo

Infelizmente, este critério varia bastante entre os fabricantes de CLPs . Alguns informam o tempo para executar X kbytes de programa aplicativo, independentemente das intruções existentes, outros dão o tempo de execução para cada tipo de instrução, e assim por diante.

Para dar uma idéia de valores típicos: em CPUs de pequeno porte - de 5 ms p/ cada 1000 instruções de contato, e nas CPUs de grande porte esse tempo é menor que 2 ms.

O tempo de ciclo representa o tempo gasto pela CPU em aquisitar as entradas , processar o programa aplicativo e atualizar as saídas ( comandos ) . Este tempo deve ser analisado com cuidado em aplicações com grande número de E/S , com progra- ma complexo ou em aplicações onde se necessita tempo de varredura menor que 20 ms. Em aplicações críticas, é comum o usuário desejar que determinados trechos de programa ou determinadas Entradas, sejam “varridos” em tempos menores que outros. Ou seja, o tempo de ciclo global pode ser de 100 ms desde que alguns trechos de programa ou determinadas entradas sejam atendidas em tempos menores, por exemplo, a cada 10 ms. Alguns CLPs possuem esta função que prioriza a varredura de pequenos trechos de programa ( interrupção por software ) ou de determinados pontos de Entrada (interrupção de hardware).

b) MTBF O MTBF é o tempo máximo entre falhas. Ele é calculado pela norma MILHDBK-217E utilizando-se como base, entre outras coisas, o número e tipo de componentes utilizados no hardware. Como referência, uma CPU de pequeno porte que possui pontos de Entrada e Saída e fonte integrados num mesmo circuito pode ter MTBF da ordem de 18.0 horas, e uma CPU de médio/grande porte que, normalmente, está separada da fonte e E/S pode ter MTBF maior que 70.0 horas.

c) Expansibilidade Esta característica é importante para projetos onde o aumento do número de E/S irá ocorrer em etapas. Neste caso, é importante prever o número máximo de E/S considerando uma folga de 10 ou 20% para se especificar a CPU que atenderá à demanda final do número de pontos.

d) Relógio de tempo real Esta função é bastante desejável em aplicações onde é necessário que a CPU realize ações baseadas no horário como, por exemplo, acionar o início de um processo em uma determinada hora programada.

e) Capacidade de memória A capacidade de memória deve ser calculada para atender a demanda do aplicativo que será desenvolvido, com uma folga para atender futuras modificações e implementações. Em CLPs menores a capacidade de memória é reduzida, uma vez que o número de pontos a controlar é pequeno. Considerando linguagem ladder, uma capacidade adequada para um mini - CLP de 16 ED e 16 SD é 32 k ou 64 k, e para CLPs de grande porte este número pode ser de 1Mbyte.

f) Programação "on-line" É padrão em CLPs de grande porte, mas nos de pequeno porte esta função pode não estar disponível. A programação “on-line” permite que o usuário envie um novo programa aplicativo para a CPU sem parar o processamento do programa, ou seja, assim que o usuário envia o novo programa a CPU acaba o ciclo de varredura do programa antigo e, na seqüência, executa o novo ciclo de varredura com o programa novo. Esta função é imprescindível em sistemas que não possam parar, sob o risco de perder toda a matéria prima que está sendo manuseada.

fabricante do CLPAtravés desta

g) Comunicação em rede No mínimo, todo CLP dispõe de pelo menos uma porta de comunicação serial onde o usuário vai conectar o cabo serial do programador que, normalmente, é um computador executando um software programador do porta o usuário faz todas as atividades de manutenção : verifica o “status” da CPU, dos módulos de E/S, o tempo de ciclo do programa aplicativo, faz a carga do programa e faz a leitura do programa para salvar em disco, etc. Esta porta normalmente é uma rede mestre-escravo que pode ser utilizada para outras funções tais como: conectar um sistema de supervisão ou uma Interface Homem Máquina local. No entanto, como esta porta é destinada a manutenção, se ela for utilizada para conectar uma IHM por exemplo, toda vez que o usuário precisar conectar o laptop para a manutenção, deverá retirar o cabo da IHM e, depois de concluído o serviço, recolocálo. Para se evitar este tipo de problema é desejável que a CPU tenha mais canais de comunicação para permitir, além da conexão com IHMs locais, a conexão em rede com outros sistemas. O assunto rede de CLPs é bas-

Figura 2 – CLP de médio porte da FESTO.

tante amplo e trataremos em um artigo específico.

h) Redundância A redundância de CPU é utilizada somente em sistemas de grande porte devido ao seu alto custo. A redundância de CPU é aplicada em sistemas que controlam áreas muito críticas, onde o tempo de parada para a troca de uma CPU não é aceitável como, por exemplo, em plataformas de petróleo e em alguns processos industriais.

melhor que 1 ms )Esta função permi-

i) Sincronismo Esta é uma função exclusiva de automação para a área elétrica e está disponível normalmente em CPUs de grande porte e dedicadas para este tipo de automação . Nesse caso, a CPU deve ter uma entrada específica para receber o sinal de GPS ( aparelho que realiza a leitura de 3 satélites (no mínimo) e informa a hora com precisão te que os relógios de todas as CPUs estejam com a mesma hora com defasagem menor que 1 ms. Quando ocorre uma entrada digital de falha, a CPU data e armazena a informação. Depois, através do sistema de supervisão é possível saber qual foi o evento que originou a falha. Esta é uma exigência do setor elétrico face à necessidade do Operador Nacional do Sistema ( ONS ) de saber a causa de problemas que originam blecautes, por exemplo.

Existem muitos fabricantes de CLPs no mercado e os modelos diferem bastante em relação às características técnicas. Por este motivo vamos especificar um CLP genérico, que iremos denominar de CLP-15, pois ele controlará a área 15, responsável pela transferência de suco concentrado de uma planta genérica de fabricação de suco.

Características básicas da área 15

O sistema é formado por válvulas que direcionam o suco produzido para armazenamento em câmaras frias. O posicionamento incorreto de uma vál- vula pode resultar em destino errado do suco ou mesmo de mistura de 2 sucos diferentes que estão sendo transferidos. Sendo assim, cada válvula possui fins de curso para confirmar se está fechada ou aberta. A transferência é feita por bomba positiva e a pressão deve ser controlada para evitar que haja danos à tubulação. A temperatura do suco deve ser medida antes da transferência, pois o suco não pode chegar “quente” na câmara fria.

Características do CLP - 15

O CLP deverá ser instalado em local com alimentação em 127 VAC +/- 10%, 60 Hz, temperatura ambiente máxima de 40 o C e 90% de umidade máxima sem condensação.

O sistema deverá controlar 100 válvulas pneumáticas com acionamento individual para abrir e fechar . Cada vál- vula possui 2 fins de curso, um para indicar válvula aberta e outro para indicar válvula fechada . Cada bobina da válvula solenóide , quando acionada, consome 100 mA em 24 VCC . O sistema possui uma bomba do tipo “positiva” que impulsiona o suco pela tubulação. Esta bomba é acionada por inversor de freqüência . O CLP deverá variar a rotação da bomba aplicando um sinal 4 a 20 mA ao inversor. O inversor já foi dimensionado para trabalhar com folga no meio da faixa de rotação. Prever um sinal de comando tipo contato seco, para habilitar o inversor, e retorno tipo contato seco, para inversor com defeito e alarme no motor.

A pressão na linha deve ser no máximo 4 bar para evitar que a tubulação seja danificada. O CLP deverá controlar a rotação da bomba de forma a impulsionar o suco com a máxima velocidade possível sem que a pressão ul-

Figura 3 – CPU de um CLP de última geração. Note a miniaturização dos componentes.

MECATRÔNICA ATUAL Nº 3 - ABRIL/200258 trapasse o máximo de 4 bar. Note que a velocidade varia à medida que o suco está mais ou menos concentrado. Para medir a pressão na tubulação será utilizado um transmissor de pressão que mede de 0 a 12 bar e fornece um sinal proporcional de 4 a 20 mA.

Deverá ser medida a temperatura antes da bomba para evitar que seja transferido suco quente para as câmaras frias. O transmissor de temperatura fornece saída de 4 a 20 mA para a faixa de –20o a + 10 o C.

Especificação do CLP

A primeira coisa que precisamos fazer é contar os sinais de Entrada e Saída e separar os sinais pelo tipo e características elétricas.

a) Número de entradas digitais (ED)

Válvulas : São 100 válvulas, cada uma com 2 fins de curso que são contatos secos = 200 pontos.

Inversor : O inversor possui retorno de 2 sinais tipo contato seco p/ o CLP, indicando falha no acionamento, sobrecorrente ou alarme no motor.

Total de ED = 202 pontos contato seco. Como todos os acionamentos serão em 24 VCC, é interessante “molhar” os contatos secos das entradas digitais com 24 VCC. Sendo assim, serão 202 pontos de entrada 24 VCC. Como os módulos de entrada são nor- malmente múltiplos de 16 pontos, precisaremos de 13 módulos e teremos 6 pontos reservas.

b) Número de saídas digitais (SD)

Válvulas : São 100 válvulas, cada uma com 2 comandos de acionamento em 24 VCC= 200 pontos.

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