Controladores programáveis

Controladores programáveis

(Parte 1 de 4)

Curso de Automação Industrial

DEXTER Ind. e Com. de Equip. Eletrônicos Ltda.

Claudio Richter 2001

Controladores Programáveis

Curso de Automação Industrial - DEXTER Indústria e Comércio de Equipamentos Eletrônicos Ltda.

Controladores Programáveis

Introdução

Os controladores programáveis (CP) ou controladores lógico-programáveis (CLP ou PLC, em inglês) surgiram para substituir painéis de controle a relé, na década de 60. A grande vantagem dos controladores programáveis era a possibilidade de reprogramação. Já os painéis de controle a relés necessitavam modificações na fiação, o que muitas vezes era inviável, tornando-se mais barato simplesmente substituir todo painel por um novo. Portanto, os CLPs permitiram transferir as modificações de hardware em modificações no software.

Existe um paralelo do que aconteceu com os painéis de controle a relés x controladores programáveis acontecendo atualmente na indústria eletrônica. Até algum tempo atrás, eram muito utilizados os CIs de lógica TTL (ou seus equivalentes CMOS), como portas NAND, OR, FLIP-FLOPs, etc. Eles começaram a ser substituídos por lógica programável (PAL – Programmable Array Logic) e, recentemente, por CPLD (Complex Programmable Logic Device) e FPGAs (Field Programmable Gate Array). As FPGAs permitem integrar funções extremamente complexas, como CPUs inteiras.

Com o sucesso de uso de CLPs na indústria, a demanda por novas funções e maior capacidade aumentou consideravelmente. Os equipamentos cresceram em poder de processamento, número de entradas e saídas (I/O), e novas funções. Entretanto, estes controladores ainda usavam lógica discreta e só eram utilizados na indústria, pois seus custos tornavam inviáveis outras aplicações (automação predial, por exemplo).

O advento do microprocessador permitiu uma diminuição nos custos e tamanho dos CLPs, com aumento de poder de processamento e confiabilidade. Surgiram as redes locais para comunicação entre CLPs e entre CLPs e computadores.

Atualmente existe uma forte tendência a utilização de pequenos controladores programáveis, controlando processos locais e comunicando-se com outros controladores e com sistemas supervisórios. Assim, é possível descentralizar o controle industrial, evitando que uma pane interrompa toda a planta. Muitas máquinas já possuem pequenos CLPs para controlá-las. Além disso, diversos sensores na indústria já utilizam microprocessadores junto ao sensor, para conformar o sinal de saída (que ainda pode ser 4 a 20mA ou comunicação serial 485, por exemplo). Com a diminuição de custos dos CLPs, estes passaram a ser utilizados em outros campos, como na automação predial (controle de iluminação, alarme, ambiência – ventilação, temperatura e umidade, etc). No Brasil ainda é pequeno o mercado de automação predial, mas provavelmente será um campo promissor em breve (ainda mais com o risco de cortes no fornecimento de energia elétrica). A automação residencial também desponta como uma aplicação para pequenos CLPs. Neste caso o maior problema, além dos custos, é a fiação necessária, pois o projeto civil normalmente não prevê eletrodutos para isso. Então, a comunicação entre diversos sensores e CLPs deve ser implementada via rede 485, rádio ou rede elétrica. As aplicações residenciais e prediais são vastas – alarme contra intrusos, controle de painéis solares para aquecimento de água, controle de iluminação, acionamento remoto de equipamentos, economia de energia elétrica...).

Conceitos Básicos

Ponto de Entrada

normalmente um número múltiplo de dois (4, 8, 16, 32, 64, 128, 256,). O número de estados

Considera-se cada sinal recebido pelo CLP a partir de dispositivos ou componentes externos (sensores) como um ponto de entrada. Os pontos de entrada podem ser digitais ou analógicos. Os pontos de entrada digitais, obviamente, reconhecem apenas dois estados: ligado ou desligado. Já os pontos de entrada analógicos reconhecem mais de dois estados – depende do número de bits usado pelo conversor A/D da entrada. Assim, um conversor A/D de

12 bits permite 1024 estados de entrada (210).

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Como exemplo de entradas digitais, pode-se citar sensores fim-de-curso (microchaves ou sensores indutivos), botoeiras, contatos secos (relés), etc.

Já entradas analógicas podem estar ligadas a termopares, sensores resistivos de posição, sinais 4 a 20mA ou 0 a 10V, tensão, corrente, etc.

Ponto de Saída

Cada sinal produzido pelo CLP para acionar dispositivos ou componentes do sistema de controle (atuadores) constitui um ponto de saída. Novamente, podemos separar em saídas digitais ou analógicas. As saídas digitais possuem apenas dois estados, enquanto saídas analógicas possuem mais de dois estados (normalmente, o número de estados é múltiplo de dois – 4, 8, 16, 32, 64,...). O número de estados depende do número de bits usado pelo conversor D/A da saída. Assim, um conversor D/A de 8 bits permite 256 estados de saída (28).

Pontos de saída digitais podem ser implementados por relés, transistores, ou ainda por SCRs e TRIACs. São usados para acionar lâmpadas, motores, solenóides, válvulas, etc.

Já pontos de saída analógicos fornecem correntes de 4 a 20mA, ou tensões de 0 a 10V. São usados para atuar válvulas proporcionais, controlar velocidade de motores (via Inversor de Freqüência), etc.

Nota: Embora normalmente SCRs e TRIACs sejam usados em saídas digitais (ligado ou desligado), é possível usar estes dispositivos como uma saída analógica (com mais de 2 estados), controlando a fase de disparo do dispositivo em relação a rede elétrica. Este é o princípio de funcionamento dos controles de iluminação residencial (dimmers).

Conexão de Sensores a Pontos de Entrada

A conexão de sensores e sinais externos no controlador programável deve ser feita com certo cuidado, em especial no que tange a interferência elétrica induzida por cabos de força ou acionamento. Como os sinais de entrada, normalmente, têm níveis de tensão e corrente pequenos (mV, no caso de termopares), eles se tornam susceptíveis a interferências de campos elétricos e magnéticos a sua volta, ou ainda a induções provenientes de telefones celulares, rádio transmissores, etc. Assim, cabos de entradas analógicas devem ter malha de blindagem, e os cabos de entradas (tanto analógicas quanto digitais) devem ser conduzidos dos sensores ao CLP via eletroduto ou calha específica, de metal e aterrada. Não deve-se misturar aos cabos de entrada cabos de acionamento e, muito menos, cabos de força. No caso de cruzamento entre cabos de entrada e cabos de força ou acionamento, fazer o cruzamento a 90°, de forma a minimizar a possibilidade de interferências. Deve-se evitar colocar cabos de entrada e cabos de força “correndo” em paralelo em um eletroduto ou calha, pois o acoplamento indutivo e capacitivo entre eles será maximizado.

As entradas analógicas a corrente (4 a 20mA) costumam ser mais imunes a ruídos elétricos do que entradas a tensão (0 a 10V), pois apresentam uma impedância menor. As entradas digitais normalmente são dimensionadas para a tensão de alimentação do controlador (12 ou 24 Vdc), e não devem ser ligadas diretamente a rede elétrica, a não ser que o manual do equipamento indique que isso é permitido.

Conexão de Atuadores a Pontos de Saída

As saídas analógicas (4 a 20mA, 0 a 10V) são pontos de saída de baixa potência e, por isso, devem ser isoladas de cabos de força ou acionamento. Podem ser incluídas no eletroduto ou calha com os cabos de entrada ao CLP.

Já as saídas digitais, que acionam lâmpadas, solenóides, contactoras, etc., devem ser isoladas das entradas do CLP, pelos motivos expostos no item anterior. No caso de atuação de cargas indutivas, há de se considerar ainda a supressão da força contra-eletromotriz gerada na bobina do atuador, ao desligá-lo. Devido a importância deste fenômeno, vamos revisá-lo rapidamente.

Digamos que tenhamos o circuito a seguir, com a chave fechada durante um longo período. Neste caso a corrente já se estabilizou, já que a bobina ideal não oferece resistência a uma corrente constante. Revisando, a bobina oferece resistência a variação de corrente, pois a tensão em seus terminais é dada por:

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Sendo: v = tensão nos terminais da bobina (V) L = indutância da bobina (Hy) i = corrente na bobina (A) t = tempo (s)

Ou seja, com a chave fechada a um longo período a corrente i=V/R, e a tensão sobre a bobina é nula (já que delta i = 0). Mas ao abrirmos a chave a corrente tende a zero instantaneamente, e com isso o termo delta i / delta t tende ao infinito. Resulta que a tensão nos terminais da bobina tende ao infinito. Esta alta tensão gera um arco elétrico na chave, pois a tensão nos terminais chega a tal valor que rompe a rigidez dielétrica do ar (cerca de 1000 V/m).

Por exemplo, digamos que a indutância de determinada válvula solenóide é de 10 mHy, a corrente de acionamento da válvula é 200 mA, e a tensão de alimentação da válvula é 24 V. O circuito está ligado quando, repentinamente, a chave é aberta. Vamos supor que a chave leve cerca de 1 µs para abrir. Ora, a tensão nos terminais da bobina nesta situação atingiria:

v = 10x10-3 ( -0,2 / 10-6 ) = -2000V !!!

Ou seja, apesar do circuito ser alimentado com uma tensão de apenas 24V, ao abrir a chave (que pode ser o contato de um relé do CLP) a tensão atinge milhares de volts!

Na verdade, o que ocorre é que existe energia armazenada no campo magnético da bobina, e esta energia é dissipada muito rapidamente no arco elétrico que se forma nos contatos da chave. Obviamente, este arco deve ser evitado, pois diminui muito a vida útil da chave (ou relé do CLP), e a alta tensão gerada pode interferir com sinais de entrada do CLP. A solução é providenciar um caminho para a corrente da bobina, quando a chave é aberta.

No caso de circuitos de corrente contínua, um diodo pode fornecer a solução:

Quando a chave é aberta, a bobina gera a tensão contra-eletromotriz, mas o diodo passa a conduzir quando esta atinge cerca de -0,7V, mantendo a corrente na bobina. A corrente diminui lentamente devido a resistência associada a qualquer bobina (exceto se a bobina fosse feita de material super-condutor), e evita-se o arco na chave.

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Já se o circuito for usado em corrente alternada, não é possível colocar um diodo em paralelo com a bobina, pois durante meio-ciclo da rede ele entraria em condução. Neste caso pode-se usar filtros RC (resistor-capacitor), e também varistores (resistores variáveis com a tensão). Abaixo temos um exemplo de filtro RC + Varistor ligado a uma saída da Expansão de Entradas e Saídas do Controlador µDX, da Dexter.

Programa Aplicativo

A lógica que avalia a condição dos pontos de entrada e dos estados anteriores do CLP, executando as funções desejadas e acionando as saídas, é chamada de programa aplicativo ou simplesmente programa do CLP.

Para isso, o CLP lê ciclicamente as entradas, transferindo-as para uma memória imagem (que recebe em cada endereço correspondente a uma entrada o seu valor – 0 ou 1 no caso de entradas digitais, ou um valor numérico no caso de entradas analógicas).

De posse da memória imagem e dos estados internos gerados pelos ciclos de execução anteriores, o CLP gera uma memória imagem das saídas conforme as operações definidas no programa.

Por fim, a memória imagem das saídas é transferida para as saídas (valor 0 ou 1 causa o desligamento ou acionamento de uma saída digital, ou um valor numérico modifica o valor de corrente ou tensão de uma saída analógica).

Como para qualquer controle ou automatização é necessário o maior grau de paralelismo possível (em qualquer processo sempre pode ocorrer mais de um evento diferente ao mesmo tempo) é empregado nos CLPs um método que simula paralelismo.

Neste método os parâmetros de entrada (estado de ligações e valores de variáveis) são mantidos numa tabela acessível por qualquer um dos blocos de instrução que esteja sendo interpretado (memória imagem das entradas). Uma segunda tabela (memória imagem das saídas), com os resultados produzidos pela interpretação de cada bloco, vai sendo montada a medida que os blocos vão sendo lidos e interpretados.

Assim, cada bloco poderá utilizar qualquer um dos parâmetros de entrada sem que estes sejam alterados devido à interpretação de algum outro bloco. Depois, no final do ciclo, a tabela de saída (com os resultados) é movida diretamente para a tabela de entrada para que os novos valores estejam disponíveis igualmente para todos os blocos no próximo ciclo.

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É fácil perceber que esta forma de funcionamento faz com que todos os blocos sejam interpretados em paralelo, o que permite a elaboração de programas segmentados, onde cada parte pode controlar um processo independentemente e ao mesmo tempo que as demais.

Este paralelismo, operado em ciclos, faz com que a atualização da saída de um bloco de instrução para a entrada de um ou mais blocos demore o equivalente ao tempo de um ciclo. Esta demora, ou atraso, deve ser considerado no planejamento de um programa pois a conexão "encadeada" de, por exemplo, 10 blocos de instrução terá um atraso de 10 ciclos desde o estímulo na entrada do primeiro bloco até a saída no último. Com um tempo de ciclo de 1/16s do µDX isto resultaria em um atraso de 0,625 segundos.

Componentes de um CLP

O terminal de programação é um dispositivo que, conectado temporariamente ao CLP, permite introduzir o programa aplicativo, fazendo com que esse se comporte conforme a necessidade de controle de processo do usuário. Além disso, o terminal de programação permite, muitas vezes, monitorar o programa aplicativo, ou seja, visualizar em tempo real o programa sendo executado, ou ainda executá-lo passo a passo. Alguns CLPs permitem, inclusive, a simulação do programa aplicativo (sua execução apenas no terminal de programação, com fins de depuração).

Terminal de Programação CPU: Processador Memória de Programa Memória de Dados Relógio de Tempo Real Watch-Dog Timer Fonte de Alimentação

Entradas e Saídas Digitais e Analógicas

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Atualmente, o mais usual é a utilização de um microcomputador IBM-PC compatível como terminal de programação (na versão desktop ou laptop, para programação em campo). Os fabricantes de CLPs disponibilizam os softwares de programação (que rodam sob DOS ou Windows) e cabos para conexão ao CLP (normalmente, pela porta serial do micro e, mais raramente, pela porta paralela, como é o caso do controlador µDX).

A CPU (unidade central de processamento) é a responsável pelo armazenamento do programa aplicativo e sua execução. Ela recebe os dados de entrada, realiza as operações lógicas baseada no programa armazenado e atualiza as saídas. Consta de um processador, memória de programa (não-volátil), memória de dados, relógio de tempo real (para disparo de eventos em datas e horários determinados), watch-dog timer (reinicializa o processador no caso do programa “pendurar”) e fonte de alimentação.

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