cap_01 clp

1

1.1 Controladores lógicos programáveis

Os controladores lógicos programáveis (CLPs) são hoje a tecnologia de controle de processos industriais mais amplamente utilizada. Um CLP é um tipo de computa-dor industrial que pode ser programado para executar funções de controle (Figura 1.1); esses controladores reduziram muito a fiação associada aos circuitos de controle convencional a relé, além de apresentar outros benefícios, como a facilidade de programação e insta-lação, controle de alta velocidade, compatibilidade de

rede, verificação de defeitos e conveniência de teste e alta confiabilidade.

O CLP é projetado para arranjos de múltiplas entradas e saídas, faixas de temperatura ampliadas, imunidade a ruí-do elétrico e resistência à vibração e impacto. Programas para controle e operação de equipamentos de processos de fabricação e mecanismo normalmente são armazena-dos em memória não volátil ou com bateria incorporada. Um CLP é um exemplo de um sistema em tempo real, considerando que a saída do sistema controlado por ele depende das condições da entrada.

Ele é basicamente um computador digital projetado para uso no controle de máquinas, mas diferentemente

1Visão geral dos controladores lógicos programáveis (CLPs)

Objetivos do capítuloApós o estudo deste capítulo, você será capaz de:

1.1 Defi nir o que é um controlador lógico programável (CLP) e listar suas vantagens em relação ao sistemade relé.

1.2 Identifi car as partes principais do CLP, descrevendo suas funções.

1.3 Esboçar a sequência básica de funcionamento do CLP.1.4 Identifi car as classifi cações gerais dos CLPs.

Este capítulo apresenta uma breve história sobre a evolução do controlador lógico programável (CLP). Aqui são discutidas as razões da troca do sistema de controle a relé para estes controladores; são mos-tradas as partes básicas de um CLP, seus diferentes tipos e suas aplicações, e como ele é utilizado para controlar um processo. É também dada uma intro-dução sobre a linguagem em lógica ladder, que foi desenvolvida para simplifi car a tarefa de programa-ção dos CLPs.

(a) (b)

Figura 1.1 Controlador lógico programável.Fonte: Cortesia da GE Intelligent Platforms.

Controladores lógicos programáveis2

de um computador pessoal, ele foi projetado para fun-cionar em um ambiente industrial e é equipado com interfaces especiais de entrada/saída e uma linguagem de programação de controle. A abreviação comum PC, usada na indústria para esses dispositivos, pode ser con-fusa porque ela é também a abreviação para “computa-dor pessoal”; portanto, a maioria dos fabricantes deno-mina o controlador programável como CLP.

A princípio, o CLP era usado para substituir o relé lógico, mas, em decorrência de sua crescente gama de funções, ele é encontrado em muitas e mais complexas aplicações. Pelo fato de sua estrutura ser baseada nos mesmos princípios da arquitetura empregada em um computador, ele é capaz de executar não apenas tarefas de um relé, mas também outras aplicações, como tempori-zação, contagem, cálculos, comparação e processamento de sinais analógicos.

Controladores programáveis oferecem várias vanta-gens em relação aos controles a relé convencionais. Os relés precisam ser instalados para executar uma função específica; quando o sistema requer uma modificação, os condutores do relé precisam ser substituídos ou modifi-cados. Em casos extremos, como em uma indústria auto-motiva, o painel de controle deve ser substituído comple-tamente, considerando que não é economicamente viável refazer a fiação do painel antigo no modelo trocado. Com o CLP, a maior parte desse trabalho com fiação foi elimi-nada (Figura 1.2); além disso, ele tem dimensões e cus-to reduzidos. Sistemas de controles modernos ainda in-cluem relés, porém são raramente utilizados para a lógica.

Além da redução de custos, os CLPs oferecem vários outros benefícios, como:•Maior confiabilidade. Uma vez escrito e testado, o pro-

grama pode ser facilmente transferido para outros CLPs. Como toda a lógica está contida em sua memória, não há chance de cometer erro lógico na fiação (Figura 1.3). O programa elimina grande parte da fiação exter-na que normalmente seria necessária para o controle de um processo. A fiação, embora ainda seja necessária para conectar os dispositivos de campo, torna-se menos volumosa. Os CLPs oferecem ainda a confiabilidade as-sociada aos componentes em estado sólido.

•Mais flexibilidade. É mais fácil criar e modificar um programa em um CLP do que ligar e religar os fios em um circuito. Com um CLP, as relações entre as entradas e as saídas são determinadas pelo usuário do progra-ma, em vez do modo como eles são interconectados (Figura 1.4). Os fabricantes de equipamentos originais

(a) (b)

Figura 1.2 (a) Painel de controle baseado em relé; (b) painel de controle baseado em CLP.Fonte: (a) Cortesia de Midi-lllini Technical Group Inc.; (b) cortesia de Ramco Electric Ltd.

Usuário do programa

CLP

Figura 1.3 A lógica completa está contida na memória do CLP.

Capítulo 1 Visão geral dos controladores lógicos programáveis (CLPs) 3

podem atualizar o sistema simplesmente enviando um novo programa; usuários finais podem modificá-lo no campo, ou, se desejarem, podem providenciar seguran-ça de acordo com as características do equipamento, como travas e senhas para o programa.

•Menor custo. Os CLPs foram projetados originalmente para substituir o controle lógico a relé, e a redução de custos tem sido tão significativa que este está se tor-nando obsoleto, exceto para aplicações de potência. De modo geral, se uma aplicação utiliza mais de meia dú-zia de relés de controle, provavelmente será mais eco-nômico instalar um CLP.

•Capacidade de comunicações. Um CLP pode comuni-car-se com outros controladores ou com qualquer ou-tro equipamento do computador para realizar funções como supervisão do controle, coleta de dados, dispo-sitivos de monitoramento e parâmetros do processo, além de baixar e transferir programas (Figura 1.5).

Contator Sinaleiro Solenoide

Saídas

Entradas

Botões decomando

Chave-limite Sensor

Figura 1.4 As relações entre as entradas e as saídas são determinadas pelo usuário do programa.

Figura 1.5 Módulo de comunicação de CLP.Fonte: Cortesia da Automation Direct. www.automationdirect.com

Figura 1.6 Contagem em alta velocidade.Fonte: Cortesia da Banner Engineering Corp.

•Tempo de resposta rápido. Os CLPs foram projetados para alta velocidade e aplicações em tempo real (Figura 1.6). O controlador programável opera em tempo real, o que significa que um evento que ocorre no campo resultará na execução de uma operação ou saída. Má-quinas que processam milhares de itens por segundo e objetos que levam apenas uma fração de segundo pró-ximo a um sensor requerem uma capacidade de res-posta rápida do CLP.

•Facilidade na verificação de defeitos. Os CLPs possuem um diagnóstico residente e substituem funções que permitem ao usuário traçar e corrigir os problemas do programa e do equipamento facilmente. Para detectar e reparar problemas, os usuários podem visualizar o programa de controle em um monitor e observá-lo em tempo real à medida que ele está sendo executado (Figura 1.7).


1.2 Partes de um CLP

Um CLP pode ser dividido em partes, como mostra a Figura 1.8. Temos a unidade central de processamento (CPU), a seção de entrada/saída E/S, a fonte de alimenta-ção e o dispositivo de programação. O termo arquitetura pode se referir ao equipamento, ao programa do CLP ou

a uma combinação dos dois. Um projeto de arquitetura aberta permite que o sistema seja conectado facilmen-te aos dispositivos e programas de outros fabricantes, e utiliza componentes de prateleira que seguem padrões aprovados. Um sistema com arquitetura fechada é aquele cujo projeto é patenteado, tornando-o mais difícil de ser conectado a outros sistemas. A maioria dos sistemas de CLP é patenteada; logo, torna-se necessário verificar se o equipamento ou programa genérico que será utilizado é compatível com esse CLP específico. Além disso, embora os conceitos principais sejam os mesmos para todos os métodos de programação, é possível que existam algu-mas diferenças de endereçamento, alocação de memó-rias, reaquisição e manipulação de dados para modelos diferentes. Consequentemente, os programas não podem ser intercambiados entre os diferentes fabricantes de CLP.

Existem dois modos de incorporar as E/S (entradas e saídas) em um CLP: fixas e moduladas. A E/S fixa (Figura 1.9) é típica dos CLPs de menor porte e é incorporada no equipamento sem separação, sem unidades removíveis. O processador e a E/S são montados juntos, e os termi-nais de E/S terão um número fixo de conexões embutidas para as entradas e saídas. A vantagem principal desse tipo

CLP Monitor

Figura 1.7 O programa de controle pode ser visto em um monitor em tempo real.

M

(a) Tipo modular

Unidade centralde processamento

(CPU)

Dispositivo de programação

Memória

Dispositivo sensor de

entrada

Dispositivode saídade carga

Programa Dados

Isolamentoóptico

Módulo de entrada

Módulo de saída

Módulo do processador

Isolamentoóptico

Módulo da fonte de alimentação

Fonte de alimentação

Comunicações

Seção desaída

Memória

CPU

Seção deentrada

(b) Tipo fixo

Figura 1.8 Partes de um controlador lógico programável.Fonte: (a) Cortesia da Mitsubishi Automation; (b) imagem usada com permissão da Rockwell Automation, Inc.


Módulode saída

Módulo de entrada

Módulo do processador

Fonte de

alimentação

Módulo de combinação de E/S

Módulodeslizante

do rack

Figura 1.10 Configuração da E/S modular.

de equipamento é o baixo custo. O número de pontos de E/S disponíveis varia e geralmente pode ser expandido, incorporando-se unidades de E/S fixas adicionais. Uma desvantagem da E/S fixa é a falta de flexibilidade, pois a quantidade e os tipos de entrada são ditados pela unida-de. Além disso, para certos modelos, se uma parte da uni-dade apresentar um defeito, será necessária a substituição da unidade toda.

A E/S modular (Figura 1.10) é dividida por compar-timentos cujos módulos podem ser plugados separada-mente, o que aumenta de maneira significativa suas op-ções e a flexibilidade da unidade, sendo possível escolher os módulos do fabricante e misturá-los como desejar. O controle modular básico consiste em um rack (gabi-nete), uma fonte de alimentação, módulo de processador (CPU), módulos de entrada/saída (E/S) e uma interface de operação para programação e monitoração. Os módu-los são plugados no rack e estabelecem uma conexão com uma série de contatos, localizada na parte de trás do rack, chamada de painel traseiro ou placa-mãe (backplane). O processador do CLP também é conectado na placa-mãe e pode se comunicar com todos os módulos do rack.

A fonte de alimentação fornece corrente contínua CC para os outros módulos que estão plugados no rack (Fi-gura 1.11); para sistemas de CLP de maior porte, a ali-mentação normalmente não é fornecida para os disposi-tivos de campo, mas por uma fonte de corrente alternada (CA) ou de corrente contínua (CC); para alguns sistemas de micro CLP, a fonte de alimentação pode ser usada para alimentar os dispositivos de campo.

O processador (CPU) é o “cérebro” de um CLP (Fi-gura 1.12) e consiste, geralmente, em um microproces-sador, para a implementação lógica e controle das co-municações entre os módulos, e requer uma memória para armazenar os resultados das operações lógicas exe-cutadas pelo microprocessador. As memórias EPROM ou EEPROM somadas à memória RAM também são necessárias para o programa.

A CPU controla todas as atividades e é projetada de modo que o usuário possa introduzir o programa dese-jado em lógica ladder. O programa do CLP é executado como parte de um processo repetitivo referido como varredura ou exploração (scan), (Figura 1.13), no qual a CPU faz uma leitura do estado (ligado ou desligado) das entradas e, depois de completada a execução do progra-ma, executa o diagnóstico interno e as tarefas de comuni-cação. Em seguida, o estado das saídas é atualizado, e esse PL

Conexões de entrada

Condutor comum da fonte de alimentação

Condutor comum de retorno da fonte de alimentação

Conexões de saída

Processador CLP

Figura 1.9 Configuração da E/S fixa.


processo é repetido continuadamente enquanto o CLP estiver no modo de funcionamento (RUN).

O sistema de E/S forma a interface com a qual os dispositivos de campo são conectados ao controlador (Figura 1.14), e tem a finalidade de condicionar os vá-rios sinais recebidos ou enviados para os dispositivos de campo externos. Dispositivos de entrada, como os botões de comando, chaves-limite e sensores são equipamentos para os terminais de entrada, enquanto os dispositivos de saída como os pequenos motores, motores de partida, válvulas solenoides e sinaleiros são equipamentos para os terminais de saída. Para isolar eletricamente os com-ponentes internos dos terminais de entrada e de saída, os CLPs normalmente empregam um isolador óptico, os quais usam a luz para acoplar os circuitos. Os dispositivos externos, de entrada e saída, são chamados também de

“campo” ou “mundo real”, termos usados para distinguir dispositivos externos reais, e que devem ser conectados fisicamente ao programa interno do usuário, que imita a função de relés, temporizadores e contadores.

Um dispositivo de programação é utilizado para inserir o programa na memória do processador, com a utilização da lógica ladder a relé, uma das linguagens de progra-mação mais populares e que utiliza símbolos gráficos que mostram os resultados desejados, especialmente criada para facilitar a programação do CLP aos familiarizados com o controle lógico a relé, pois é idêntico a esse cir-cuito. Os dispositivos de programação portáteis (Figura 1.15) são utilizados algumas vezes para programar CLPs de pequeno porte, por terem baixo custo e pela facilidade de utilização. Uma vez plugados no CLP, eles podem ser utilizados para programar e monitorar, e tanto a unidade portátil compacta como os computadores portáteis (lap-tops) são utilizados frequentemente no chão de fábrica (próximo aos equipamentos e das máquinas), para veri-ficar defeitos nos equipamentos, modificar programas e transferir programas para outras máquinas.

O computador pessoal (PC) é o dispositivo de pro-gramação mais utilizado. A maioria das marcas de CLPs possui programa disponível de modo que ele possa ser usado como dispositivo de programação que permite ao usuário criar, editar, documentar, armazenar e verificar defeitos nos programas em lógica ladder (Figura 1.16). O monitor do computador é capaz de mostrar mais lógi-ca na tela que os tipos compactos, simplificando, assim, a interpretação do programa. O computador pessoal se comunica com o processador do CLP via link (elo ou vín-culo) de comunicações de dados em série ou paralelo, ou EtherNet. Se a unidade de programação não for utilizada, ela deve ser desligada e removida, uma vez que isso não afeta o funcionamento do programa do usuário.

Fonte de alimentação

Figura 1.11 A fonte de alimentação fornece corrente contí-nua CC para outros módulos que são plugados no rack.Fonte: Este material e os direitos de cópia associados são de propriedade da Schneider Electric e usados com sua permissão.

Figura 1.12 Módulos característicos de processadores do CLP.Fonte: Imagem usada com permissão da Rockwell Automation, Inc.

Executar oprogram

a

Diagnóstico

e

comunicaçã

o

Ler a

s entradas

Atualizar as

saídas

Figura 1.13 Ciclo de varredura para o CLP.


O programa é uma série de instruções desenvolvidas pelo usuário que orienta o CLP a executar as ações, a lin-guagem de programação fornece as regras para combinar as instruções de modo que elas produzam as ações es-peradas. A lógica ladder para relé (RRL) é uma lingua-gem-padrão de programação usada com os CLPs, e sua origem é baseada no controle de relé eletromecânico.

Módulo de entrada

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Entrada0 Entrada

1Entrada2 Entrada

3Entrada4 Entrada

5Entrada6 Entrada

7Entrada8 Entrada

9Entrada10 Entrada

11Entrada

13Entrada14 Entrada

15

Entrada12

COMCC COM

CC

VCA

Saída 1

Saída 3

Saída 5

Saída 7

Saída 9

Saída 11

Saída 13

Saída 15

Saída 0

Saída 2

Saída 4

Saída 6

Saída 8

Saída 10

Saída 12

Saída 14

COMCA

24 VCCMódulo deentrada

240 VCAMódulo desaída

24 VCC

Fonte dealimentação dos

dispositivos de campo

+ –

240 VCA

M

Fonte dealimentação dos

dispositivos de campo

L2 L1

R

Y

Módulo de saída

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Figura 1.14 Sistema de conexões das entradas/saídas (E/S) do CLP.

O programa com a linguagem da lógica ladder representa graficamente os degraus de contatos, as bobinas e os blo-cos de instrução. A RRL foi projetada originalmente para facilitar o uso e o entendimento para seus usuários e tem sido modificada para acompanhar a crescente demanda de necessidades da indústria de controle.

1.3 Princípios de funcionamento

O funcionamento de um CLP pode ser entendido consi-derando-se o problema de controle de processo simples mostrado na Figura 1.17. Nela, um motor misturador é utilizado para agitar o líquido em um tanque quando a temperatura e a pressão atingirem o valor desejado (pre-set). Além disso, é providenciado um ponto de ajuste direto do motor, por meio de um botão de comando se-parado. O processo é monitorado por sensores de tem-peratura e pressão que fecham seus respectivos contatos quando as condições dos valores desejados são atingidas.

Esse problema de controle pode ser resolvido usan-do o método de relé para o controle do motor mostrado no diagrama ladder a relé na Figura 1.18. A bobina de partida do motor (M) é energizada quando as chaves de

Figura 1.15 Dispositivo compacto de programação.Fonte: Cortesia da Automation Direct. www.automationdirect.com


temperatura e pressão são fechadas ou quando o botão de comando manual for pressionado.

Agora veremos como um controlador lógico pro-gramável pode ser utilizado para esta aplicação. Uti-lizaremos os mesmos dispositivos de campo (chave de temperatura, chave de pressão e botão de comando), os quais deverão ser conectados ao módulo de entrada apropriado segundo o esquema de endereçamento dado

pelo fabricante. A Figura 1.19 mostra as conexões típicas dos condutores para uma alimentação de 120 V com o módulo de entrada.

O mesmo dispositivo de campo de saída (bobina de partida do motor) que será usado deverá ser conectado ao módulo de saída apropriado segundo o esquema de endereçamento dado pelo fabricante. A Figura 1.20 mos-tra as conexões típicas dos condutores para uma alimen-tação de 120 VCA com o módulo de saída.

Em seguida, o programa em lógica ladder do CLP se-ria elaborado e armazenado na memória da CPU; esse processo é mostrado na Figura 1.21. O formato utiliza-do é similar ao do diagrama esboçado para o circuito em

Figura 1.16 Programa típico para PC utilizado para criar um programa em lógica ladder. Fonte: Imagem usada com permissão da Rockwell Automation, Inc.

Sensor depressão

Motor

Sensor detemperatura

Botão de comando

Figura 1.17 Problema de controle de processo do misturador.

L1 L2

M

OL

Botão decomando manual

120 VCA

Bobinade partidado motor

Chave detemperatura

Chave depressão

Figura 1.18 Diagrama ladder para o processo de controle a relé.


ladder a relé. Os símbolos individuais representam ins-truções, enquanto os números representam os endereços da posição da instrução. Para programar o controlador, é necessário inserir essas instruções uma por uma na me-mória do processador, utilizando o dispositivo de progra-mação. A cada dispositivo de entrada e de saída é dado um endereço, que permite ao CLP saber onde ele está

Comum

0

12

34

5

6

7

Módulo deentrada

L1 N120 VCA

Botão decomandomanual

Temperatura

Pressão

Figura 1.19 Conexões típicas para uma alimentação- -padrão de 120 VCA configurada com o módulo de entrada.Fonte: Cortesia da Automation Direct. www.automationdirect.com

Módulode saída

120 VCA

NL1

L1

0

1

2

3

4

5

6

7

Bobina departida

do motor

OL

M

Figura 1.20 Conexões típicas de um módulo de saída para uma alimentação-padrão em 127 VCA.Fonte: Cortesia da Automation Direct. www.automationdirect.com

O/1

Bobina departida do

motor

I/1I/1

Chave depressão

I/2

I/2

Chave detemperatura

I/3

I/3


L2L1

Entradas SaídaPrograma

Monitorar asentradas

Verifica asentradas

Executar oprograma

...

Executa o controledo programa

...

E atualizaas saídas

...

M

OL

O/1

Modificaras saídas

Figura 1.21 Programa em lógica ladder para controle do processo com o esquema de endereço típico.

conectado fisicamente. Observe que o formato de ende-reço da E/S é diferente, dependendo do modelo do CLP e do fabricante. As instruções são armazenadas na parte de programas do usuário na memória do processador e, durante a varredura do programa, o controlador monito-ra as entradas, executa o programa de controle e muda as saídas adequadamente.

Para o programa funcionar, o controlador é coloca-do no modo de funcionamento (RUN) ou no modo de ciclo de operação, e, durante cada ciclo de operação, ele


examina os estados dos dispositivos de entrada, execu-ta o programa do usuário e muda as saídas adequada-mente. Cada símbolo –| |– é entendido como um jogo de contatos normalmente abertos; o símbolo –( )– é utilizado para representar a bobina que, quando energizada, fecha-rá um conjunto de contatos. No programa em lógica la-dder mostrado na Figura 1.21, a bobina O/1 é energizada quando os contatos I/1 e I/2 são fechados, ou quando o contato I/3 é fechado. Estas duas condições fornecem um caminho contínuo lógico da esquerda para a direita por cada degrau que inclui a bobina.

Um controlador lógico programável funciona em tempo real, na medida em que um evento que ocorre no campo resultará em uma operação ou em uma saída. O funcionamento no modo RUN para o esquema do controle de processo pode ser descrito pela seguinte se-quência de eventos:

•Primeiro, as entradas, a chave de pressão, a chave de temperatura e o botão de comando são examinados e seus estados, gravados na memória do controlador.

•Um contato fechado é registrado na memória como um 1 lógico, e um contato aberto, como um 0 lógico.

•Em seguida, o diagrama ladder é executado, com cada contato apresentando um estado ABERTO ou FECHA-DO, segundo o qual é gravado com os estados 1 ou 0.

I1

I1 I2 I3L1 L2

I2 Q1

I3

L1

L2

M Partida

Entradas

Pressão

Temperatura

PB

Saídas

Programa

Q1 Q2 Q3 Q4

Figura 1.22 Instalação típica necessária para implementar o esquema de controle do processo utilizando um controlador fixo CLP.Fonte: Imagem usada com permissão da Rockwell Automation, Inc.

•Quando o estado dos contatos de entrada proporciona uma continuidade lógica da esquerda para a direita pe-los degraus, a locação da memória da bobina de saída será dada como um valor 1, e o contato da interface do módulo de saída será fechado.

•Quando não há continuidade lógica no degrau do pro-grama, a locação da memória da bobina de saída será ajustada para um 0 lógico, e o contato da interface do módulo de saída será aberto.

•A finalização de um ciclo desta sequência pelo con-trolador é chamada de varredura (scan). O tempo de varredura, tempo necessário para um ciclo comple-to, fornece uma medida de resposta de velocidade do CLP.

•Geralmente, a locação de memória de saída é atualiza-da durante a varredura, mas a saída atual não é atua-lizada até o final da varredura do programa durante a varredura da E/S.

A Figura 1.22 mostra a conexão típica necessária para implementar o esquema de controle do processo utilizan-do um controlador CLP fixo. Nesse exemplo, o controla-dor Pico da Allen-Bradley, equipado com 8 entradas e 4 saídas, é utilizado para controlar e monitorar o processo, e a instalação pode ser resumida da seguinte maneira:


•Linhas de energia com fusível, do tipo de tensão e ní-vel especificados, são conectadas aos terminais L1 e L2 do controlador.

•Os dispositivos de campo, as chaves de pressão e de temperatura e o botão de comando são conectados en-tre L1 e os terminais de entrada do controlador I1, I2 e I3, respectivamente.

•A bobina de partida do motor é conectada diretamen-te em L2 e em série com os contatos do relé de saída Q1 e L1.

•O programa em lógica ladder é gravado utilizando o teclado e o display de LCD.

•A programação Pico também está disponível para per-mitir a criação ou o teste de um programa em um com-putador pessoal.

1.4 Modificando a operação

Uma das características importantes de um CLP é a facili-dade de modificação do programa. Considere, por exem-plo, que o circuito de controle do processo original para a operação de misturar deva ser modificado, como mostra o diagrama ladder a relé da Figura 1.23. Isso requer que seja permitido ao botão de comando manual operar o controle com qualquer pressão, mas apenas quando uma temperatura especificada pelo ajuste for atingida.

Se um sistema a relé fosse utilizado, seria necessário modificar a instalação do circuito mostrado na Figura 1.23 para se obter a modificação desejada. Contudo, se um sistema com CLP fosse utilizado, isso não seria nece- ssário, pois as entradas e saídas ainda são as mesmas, sen-do preciso apenas mudar o programa em lógica ladder, como mostra a Figura 1.24.

1.5 CLPs versus computadores

A arquitetura de um CLP é basicamente a mesma de um computador pessoal, que pode funcionar como um controlador lógico programável se houver um meio de receber informação dos dispositivos, como botões de co-mando ou chaves; também são necessários um programa para processar as entradas e um meio de ligar e desligar os dispositivos da carga.

Entretanto, algumas características importantes são diferentes das de um computador pessoal. O CLP é projetado para operar em um ambiente industrial, com ampla faixa de temperatura ambiente e umidade, e um projeto de instalação industrial de um CLP bem elabo-rado, como o mostrado na Figura 1.25, normalmente não é afetado pelos ruídos elétricos inerentes a muitos locais na indústria.

Diferentemente de um PC, o CLP é programado em lógica ladder para relé ou em outras linguagens de apren-dizado fácil; sua linguagem de programação é embutida na sua memória e não há um teclado permanente incor-porado, acionador de CD ou monitor. Em vez disso, os CLPs vêm equipados com terminais para os dispositi-vos de campo de entrada e saída, bem como com portas de comunicação.

Os computadores são complexas máquinas de calcular capazes de executar vários programas ou tarefas simulta-neamente e em diversas ordens. A maioria dos CLPs, no entanto, executa um programa simples, de modo ordena-do e sequencial, da primeira à última instrução.

O sistema de controle do CLP foi projetado para ser instalado e mantido facilmente; a verificação de defei-tos é simplificada pelo uso de indicadores de falhas, e as mensagens são mostradas em uma tela programada; além disso, os módulos de entrada/saída para a conexão dos dispositivos de campo são facilmente conectados e substituídos.

L1 L2


120 VCA

Bobinade partidado motor

Chave detemperatura

Chave depressão

M

OL

Figura 1.23 Diagrama ladder a relé do processo modificado.

Bobina departida do motor

I/1

Chave depressão

I/2

Chave detemperatura

I/3


O/1

Figura 1.24 Programa em lógica ladder para o CLP do processo modificado.


Um programa associado a um CLP, mas escrito e executado em um computador pessoal, está em uma das duas grandes categorias:•Programa (software) do CLP, que permite ao usuário

programar e documentar, oferece as ferramentas (am-biente de programação) para escrever um programa no CLP – usando a lógica ladder ou outra linguagem de programação – e documentar ou explicar o programa e os detalhes necessários.

•Programa (software) do CLP que permite ao usuário monitorar e controlar o processo também conhecido como interface homem-máquina (IHM). Ele permite ao usuário ver um processo – ou uma representação gráfica do processo – em um monitor, determinar como o sistema está funcionando, os valores de ten-dência e receber condições de alarme (Figura 1.26). Os CLPs podem ser integrados com as IHMs, mas o mesmo ambiente de programação não programa os dois dispositivos.

Os atuais fabricantes de automação têm respondido à crescente necessidade dos sistemas de controle indus-trial aproveitando as vantagens de um estilo de controle do CLP com as do sistema baseado no PC. Esses dis-positivos são chamados de controladores de automação programáveis (CAP) (Figura 1.27) e combinam a robus-tez do CLP com a funcionalidade do PC. Por meio dos CAPs, é possível projetar sistemas avançados incorpo-rando capacidades de programação, como os controles avançados, comunicação, registros de dados e proces-samento de sinais, além de melhorar o desempenho do hardware em controle de processo.

1.6 CLP: classe e aplicação

O critério utilizado na classificação dos CLPs inclui fun-cionalidade, número de entradas e saídas, custo e tamanho físico (Figura 1.28). Desses fatores, a quantidade de E/S é considerada o mais importante. Geralmente, o tipo nano é o de menor tamanho, com menos de 15 pontos de E/S.

(a)

(b)

Figura 1.25 CLP instalado em um ambiente de indústria.Fonte: (a) e (b) Cortesia da Automation IG.

Figura 1.27 Controlador de automação programável (PAC).Fonte: Cortesia da Omron Industrial Automation. www.ia.omron.com

Figura 1.26 Monitor e interface de operação de um CLP.Fonte: Cortesia Rogers Machinery Company, Inc.


Depois dele, vêm os tipos micro (15 a 128 pontos de E/S), os de porte médio (128 a 512 pontos de E/S), e os de grande porte (mais de 512 pontos de E/S).

Combinar o CLP com a aplicação é o fator chave no processo de seleção, e normalmente não é aconselhável comprar um sistema de CLP além do que dita a necessi-dade da aplicação. Porém, as condições futuras devem ser previstas para garantir que o sistema seja adequado para atender à aplicação atual e também aos requisitos futuros da aplicação.

Existem três tipos principais de aplicações: terminal único (single-ended), multitarefa e gerenciador de con-trole. A aplicação de um terminal único envolve um CLP controlando um processo (Figura 1.29). Ele deve ser uma unidade simples e não deve ser utilizado para se comu-nicar com outros computadores ou CLPs. A medida e a sofisticação do processo a ser controlado são fatores ób-vios na determinação da seleção do CLP. As aplicações poderiam ditar um processador maior, mas essa catego-ria geralmente requer um CLP menor.

A aplicação de um multitarefa envolve um CLP controlando vários processos, e a capacidade adequada da E/S é um fator importante neste tipo de instalação.

Além disso, se o CLP for um subsistema de um proces-so maior e deve comunicar-se com um CLP central ou computador, uma rede de comunicação de dados será também necessária.

A aplicação de um gerenciador de controle envolve um CLP controlando vários outros (Figura 1.30) e re-quer um CLP com processador capaz de se comunicar com outros CLPs e, possivelmente, com um compu-tador. O gerenciador de controle supervisiona vários CLPs, baixando programas que determinam aos outros CLPs o que deve ser feito, e deve ser capaz de se co-nectar a todos os CLPs de modo que, de acordo com o endereçamento adequado, possa se comunicar com aque-le que for necessário.

A memória é a parte de um CLP que armazena dados, instruções e programa de controle, e sua medida é ex-pressa geralmente em valores K: 1 K, 6 K e 12 K, e assim sucessivamente. A medição com quilo, abreviado como K, normalmente representa mil unidades. Contudo, ao lidar com memória de computador ou CLP, 1 K significa 1.024, porque essa medição é baseada no sistema de nú-meros binários (210 = 1.024). De acordo com o tipo de memória, 1 K pode significar 1.024 bits, 1.024 bytes ou 1.024 palavras.

Figura 1.28 Variedade de tipos de controladores progra-máveis.Fonte: Cortesia da Siemens.

Figura 1.30 Aplicação do CLP gerenciador de controle.

Figura 1.29 Aplicação de um CLP de terminal único.Fonte: Cortesia da Rogers Machinery Company, Inc.


Embora seja comum medir a capacidade da memó-ria dos CLPs em palavras, é necessário saber o número de bits em cada palavra antes que a medida da memó-ria possa ser comparada com precisão. Os computado-res modernos geralmente têm medidas de 16, 32 ou 64 bits; por exemplo, um CLP que utiliza palavras de 8 bits tem 49.152 bits de armazenagem, com uma capacidade de 6 K por palavra (8 × 6 × 1.024 = 49.152), enquanto um CLP que utiliza palavras de 32 bits tem 196.608 bits de armazenamento, com a mesma memória de 6 K (32 × 6 × 1.024 = 196.608). A quantidade de memória reque-rida depende da aplicação. Entre os fatores que afetam a medida da memória necessária para uma determinada instalação de CLP, estão:•o número de pontos de E/S utilizados;

•o tamanho do programa de controle;

•a necessidade de coleta de dados;

•a necessidade de funções de supervisão;

•a expansão futura.

O conjunto de instruções para um determinado CLP especifica os diferentes tipos de instruções suportadas. Em geral, isso varia de 15 instruções, para as unidades menores, até 100 instruções ou mais, para unidades de maior capacidade (ver Tabela 1.1).

Tabela 1.1 Instruções típicas de CLP.

Instrução Operação XIC (Verificador de ligado ou fechado)

Examina um bit para uma condição de ligado ou fechado

XIO (Verificador de desligado ou aberto)

Examina um bit para uma condição de desligado ou aberto

OTE (energização da saída)

Liga um bit (não retentivo)

OTL (travamento da saída)

Trava um bit (retentivo)

OTU (destravamento da saída)

Destrava um bit (retentivo)

TOF (temporizador de retardo ao desligar)

Liga ou desliga uma saída após seu degrau ter sido desligado por um intervalo de tempo determinado

TON (temporizador de retardo ao ligar)

Liga ou desliga uma saída após seu degrau ter sido ligado por um intervalo de tempo determinado

CTD (contador decrescente)

Usa um programa de contagem regressiva de um valor especificado

CTU (contador crescente)

Usa um programa de contagem progressiva até um valor especificado

QUESTÕES DE REVISÃO

1. O que é um controlador lógico programável (CLP)?2. Identifique quatro tarefas que os CLPs podem realizar além

da operação de chaveamento de relés.3. Liste seis vantagens distintas que os CLPs oferecem em rela-

ção aos sistemas de controle a relé convencional.4. Explique a diferença entre arquitetura aberta e patenteada

do CLP.5. Descreva dois modos em que a E/S é incorporada ao CLP.6. Descreva como os módulos de E/S se conectam ao proces-

sador em um tipo de configuração modular.7. Explique a função principal de cada um dos componentes

principais de um CLP.a. Módulo do processador (CPU);b. Módulo de E/S;c. Dispositivo de programação;d. Módulo de fonte de alimentação.

8. Quais são os dois tipos de dispositivos de programação mais comuns?

9. Explique como os termos programa e linguagem de progra-mação se aplicam no CLP.

10. Qual é a linguagem de programação-padrão usada nos CLPs?11. Responda às perguntas a seguir referentes ao diagrama

ladder para o controle de processo da Figura 1.18:a. Quando a chave de pressão fecha seus contatos?b. Quando a chave de temperatura fecha seus contatos?c. Como são conectadas as chaves de pressão e temperatu-

ra, uma em relação à outra?d. Descreva as duas condições sob as quais a bobina de par-

tida do motor será energizada.e. Qual é o valor aproximado da queda de tensão em cada

um dos seguintes contatos quando abertos?(1) chave de pressão;(2) chave de temperatura;(3) botão de comando manual.

12. O controlador lógico programável funciona em tempo real. O que isso significa?

13. Responda às perguntas a seguir referentes ao diagrama ladder para o controle de processo da Figura 1.21:a. O que representam os símbolos individuais?b. O que representam os números?c. Qual dispositivo de campo é identificado com o número

I/2?d. Qual dispositivo de campo é identificado com o número

O/1?e. Quais são as duas condições que proporcionam um ca-

minho contínuo da esquerda para a direita pelo degrau?f. Descreva a sequência de operação do controlador para

uma varredura do programa.14. Compare o método pelo qual o funcionamento do controle

de processo é alterado em um sistema baseado em relé com o método utilizado por um sistema baseado no CLP.


15. Compare o CLP e o PC com relação a:a. Diferenças físicas dos equipamentos;b. Ambiente de funcionamento;c. Método de programação;d. Execução do programa.

16. Quais são as duas categorias de software escritas e em fun-cionamento, em PCs que são utilizadas em conjunto com os CLPs?

17. O que é um controlador de automação programável (CAP)?18. Liste quatro critérios pelos quais os CLPs são classificados.19. Compare os tipos de aplicações do CLP: terminal único,

multitarefa e gerenciador de controle.20. Qual é a capacidade da memória, expressa em bits, para um

CLP que utiliza palavras de 16 bits e tem uma capacidade de 8 K de palavra?

21. Liste cinco fatores que afetam a medida da memória neces-sária para uma determinada instalação de CLP.

22. A que se refere o conjunto de instruções para um determi-nado CLP?

PROBLEMAS

1. Dadas duas chaves com contato simples, escreva um pro-grama para ligar uma saída quando as chaves A e B forem fechadas.

2. Dadas duas chaves com contato simples, escreva um pro-grama para ligar uma saída quando a chave A ou a chave B for fechada.

3. Dados quatro botões de comando (A-B-C-D), normalmen-te abertos, escreva um programa para ligar uma lâmpada se os botões de comando A e B ou C e D forem fechados.

4. Escreva um programa para o diagrama ladder a relé mos-trado na Figura 1.31.

LS2

120 VCA

S1 LS1

L1

Figura 1.31 Circuito para o Problema 4.

5. Escreva um programa para o diagrama ladder a relé mos-trado na Figura 1.32.

120 VCA

S3

TS1PB1

S2

S1 PS1L1

Figura 1.32 Circuito para o Problema 5.

cap_01 clp

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