Controlador lógico progamavel

Controlador lógico progamavel

(Parte 1 de 5)

DSc. William da Silva Vianna

CAMPOS DOS GOYTACAZES – RJ ABRIL – 2008

William da Silva Viannaw_vianna@hotmail.com 2

Instituto Federal Fluminese -- IF

1 INTRODUÇÃO5
2 INFORMAÇÕES GERAIS5
2.1 CARACTERÍSTICAS5
2.2 BREVE HISTÓRICO6
2.3 EVOLUÇÃO6
2.4 APLICAÇÕES7
3 ESTRUTURA BÁSICA8
3.1 MICROMPROCESSADOR9
3.1.1 Processamento Cíclico9
3.1.2 Processamento por interrupção10
3.1.3 Processamento comandado por tempo10
3.1.4 Processamento por evento10
3.2 MEMÓRIA1
3.2.1 Mapa de memória1
3.2.2 Arquitetura de memória de um CP12
3.2.3 Estrutura do mapa de memória do CLP13
3.3 DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA15
3.3.1 Características das entradas e saídas - e/s16
3.3.2 Terminal de programação26
4 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE UM CLP27
4.1 ESTADOS DE OPERAÇÃO27
4.2 FUNCIONAMENTO28
5 LINGUAGEM DE PROGRAMAÇÃO32
5.1 CLASSIFICAÇÃO32
5.1.1 Linguagem de baixo nível32
5.1.2 Linguagem de alto nível3
6 PROGRAMAÇÃO DE CONTROLADORES PROGRAMÁVEIS34
6.1 LADDER DIAGRAM (LD) - DIAGRAMA DE CONTATOS34
6.2 FUNCTION BLOCKS DIAGRAM (FBD) - DIAGRAMA DE BLOCOS35
6.3 INSTRUCTION LIST (IL) - LISTA DE INSTRUÇÃO36
6.4 STRUCTURED TEXT (ST) – TEXTO ESTRUTURADO36
6.5 SEQUENTIAL FUNCTION CHART (SFC) - PASSOS OU STEP36
6.6 LINGUAGEM CORRENTE OU NATURAL37
6.7 ANÁLISE DAS LINGUAGUES DE PROGRAMAÇÃO38
6.8 NORMALIZAÇÃO - IEC 6113139
6.8.1 Elementos Comuns40
6.8.2 Linguagens da norma IEC 61131-341
7 PROGRAMAÇÃO EM LADDER45
7.1 DESENVOLVIMENTO DO PROGRAMA LADDER47
7.1.1 Associação de contatos no ladder50
7.1.2 Instruções52
7.1.3 Instruções básicas52
8 NOÇÕES DE SISTEMA SCADA COM USO DO CLP64
8.1 ARQUITETURA DA REDE CLP PARA SISTEMAS SCADA65
9 CRITÉRIOS PARA AQUISIÇÃO DE UM CLP67
9.1 CRITÉRIOS DE CLASSIFICAÇÃO67
9.2 CRITÉRIOS DE AVALIAÇÃO PARA ESPECIFICAÇÃO E COMPRA DE UM CP68
9.3 ANÁLISE DO FORNECEDOR68
9.4 ASPECTOS TÉCNICOS DO PRODUTO69
9.5 ASPECTOS CONTRATUAIS69
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Figura 1 - Diagrama em blocos com os componentes básicos de um CLP8
Figura 2 - Esquema do processamento cíclico9
Figura 3 - Esquema do processamento por interrupção10
Figura 4 - Esquema do mapa de memória1
Figura 5 - Esquema da divisão dos tipos de memória primária12
Figura 6 - Esquema da arquitetura de um CLP com interfaces de entrada e saída16
Figura 7 - Esquema do cartão ou módulo de entrada digital com respectivos elementos de campo17
Figura 8 - Circuito de entrada digital opto-isolado18
Figura 9 - Esquema do circuito elétrico de ligação de duas entradas digitais com módulo ou cartão entrada em tensão18

Lista de figuras

discreto indutivo19
Figura 1 - Esquema do cartão ou módulo de entrada analógica com respectivos elementos de campo19

Figura 10 - Esquema do circuito elétrico de ligação de uma entradas digitais com módulo ou cartão entrada em tensão e sensor

fios (two wire)20

Figura 12 - Esquema do circuito elétrico de ligação de duas entradas analógicas em corrente com dois transmissores a dois

(two wire)20
Figura 14 - Diagrama em blocos dos elementos de tratamento do sinal de entrada21
Figura 15 - Esquema do cartão ou módulo de saída digital com respectivos elementos de campo2
Figura 16 – Esquema do circuto interno e externo de ligação de um ponto de saída digital a transistor2
Figura 17 - Esquema do circuto interno e externo de ligação de um ponto de saída digital a triac23
Figura 18 - Esquema do circuto interno e externo de ligação de um ponto de saída digital a rele ou contato seco23
Figura 19 - Esquema do circuito elétrico de ligação de duas saídas digitais independentes23
Figura 20 - Esquema do circuito elétrico de ligação de duas saídas digitais com um terminal em comum24
Figura 21 - Esquema do cartão ou módulo de saída analógica com respectivos elementos de campo24
Figura 2 - Esquema do circuito elétrico de ligação de duas saídas analógicas em corrente25
Figura 23 - Fluxograma de funcionamento do ciclo de operação de um CLP29
Figura 24 - Ilustração do funcionamento da atualização da memória imagem de E/S31
Figura 25 - Exemplo de programa em Ladder35
Figura 26 - Exemplo de programa em blocos35
Figura 27 - Exemplo de programa em IL36
Figura 28 - Exemplo de programa em ST36
Figura 29 - Exemplo de programa em passos37
Figura 30 - Exemplos básicos de programas escritos utilizando as linguagens da norma IEC 61131-340
Figura 31 - Exemplo de programa básico SFC42
Figura 32 - Exemplo de um mesmo código implementado nas 4 linguagens IEC43
Figura 3 - Modelo de software proposto pelo padrão IEC 61131-34
Figura 34Elementos básicos binários da programação em Ladder45
Figura 35 - Passos para elaboração do programa que irá controlar um processo ou equipamento48
Figura 36 - Circuito básico de acionamento48
Figura 37 - Circuito básico de acionamento em Ladder49
Figura 38 - Linha Ladder com contato inversor49
Figura 39 - Ladder utilizando contato normalmente aberto (A) e Ladder utilizando contato normalmente fechado (B)50
Figura 40 - Programa Ladder com lógica E50
Figura 41 - Programa Ladder com lógica E51
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Figura 43 - Esquema do uso de um bloco funcional no programa Ladder53
Figura 4 - Programa Ladder com bloco funcional de temporização53
Figura 45 - Programa Ladder com bloco funcional de contagem54
Figura 46 - Gráficos para demonstração do funcionamento do contador54
Figura 47 - Programa Ladder com bloco funcional para mover dado5
Figura 48 - Gráficos para demonstração do funcionamento do bloco mover56
Figura 49 - Programa Ladder com blocos funcionais de comparação maior e menor56
Figura 50 - Gráficos para demonstração do funcionamento do bloco de comparação maior e menor57
Figura 51 - Programa Ladder com bloco funcional matemático de adição57
Figura 52 - Gráficos para demonstração do funcionamento do bloco soma58
Figura 53 - Programa Ladder com bloco funcional matemático de subtração59
Figura 54 - Gráficos para demonstração do funcionamento do bloco de subtração59
Figura 5 - Programa Ladder com bloco funcional matemático de multiplicação60
Figura 56 - Programa Ladder com bloco funcional matemático de divisão60
Figura 57 - Programa Ladder com bloco funcional lógica E61
Figura 58 - Programa Ladder com bloco funcional lógica OU62
Figura 59 - Programa Ladder com bloco funcional lógica ou exclusivo63
Figura 60 - Esquema básico de um sistema SCADA65
Figura 61 – Arquitetura local de rede CLP com uso do CLP modular ou compacto6
Figura 62 - Arquitetura local de CLP com I/O remotos ou distribuídos6
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1 INTRODUÇÃO

O Controlador Lógico Programável, ou simplesmente CLP, tem revolucionado os comandos e controles industriais desde seu surgimento na década de 70.

Antes do surgimento dos CLPs as tarefas de comando e controle de máquinas e processos industrias eram feitas por relés eletromagnéticos, especialmente projetados para este fim.

O primeiro CLP surgiu na indústria automobilística, até então um usuário em potencial dos relés eletromagnéticos utilizados para controlar operações sequenciadas e repetitivas numa linha de montagem. A primeira geração de CLPs utilizou componentes discretos como transistores e CIs com baixa escala de integração.

Este equipamento foi batizado nos Estados Unidos como PLC ( Programable

Logic Control ), em português CLP ( Controlador Lógico Programável ) e este termo é registrado pela Allen Bradley (fabricante de CLPs).

Definição segundo a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) “É um equipamento eletrônico digital com hardware e software compatíveis com aplicações industriais.”

Definição segundo a Nema (National Electrical Manufacturers

Association)

“Aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para o armazenamento interno de instruções para implementações específicas, tais como lógica, seqüenciamento, temporização, contagem e aritmética, para controlar, através de módulos de entradas e saídas, vários tipos de máquinas ou processos.”

2 INFORMAÇÕES GERAIS

2.1 CARACTERÍSTICAS

Basicamente, um controlador programável apresenta as seguintes características:

Hardware e/ou dispositivo de controle de fácil e rápida programação ou reprogramação, com a mínima interrupção da produção; Capacidade de operação em ambiente industrial; Sinalizadores de estado e módulos tipo plug-in de fácil manutenção e substituição; Hardware ocupando espaço reduzido e apresentando baixo consumo de energia; Possibilidade de monitoração do estado e operação do processo ou sistema, através da comunicação com computadores constituindo sistemas de supervisção controle e aquisição de dados (SCADA); Compatibilidade com diferentes tipos de sinais de entrada e saída;

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Capacidade de alimentar, de forma contínua ou chaveada, cargas que consomem correntes de até 2 A; Hardware de controle que permite a expansão dos diversos tipos de módulos, de acordo com a necessidade; Custo de compra e instalação competitivo em relação aos sistemas de controle convencionais; Possibilidade de expansão da capacidade de memória; Conexão com outros CLPs através de rede de comunicação; Possilidade de integração com redes de chão de fábrica; Programação em pelo menos uma linguagem com possbilidade de programação em até cinco linguagens distintas em um mesmo programa;

2.2 BREVE HISTÓRICO

O controlador programável nasceu praticamente dentro da indústria automobilística americana, especificamente na Hydromic Division da General Motors, em 1968, devido a grande dificuldade de se mudar a lógica de controle de painéis de comando a cada mudança na linha de montagem. Estas mudanças implicavam em altos gastos de tempo e dinheiro.

Sob a liderança do engenheiro Richard Morley, foi preparada uma especificação que refletia os sentimentos de muitos usuários de relés, não só da indústria automobilística como de toda a indústria manufatureira.

Nascia assim a indústria de controladores programáveis, hoje com um mercado mundial multibilionário

2.3 EVOLUÇÃO

Desde o seu aparecimento até hoje, muita coisa evolui nos controladores lógicos. Esta evolução está ligada diretamente ao desenvolvimento tecnológico da informática em suas características de software e de hardware.

O que no seu surgimento era executado com componentes discretos, hoje se utiliza de microprocessadores e microcontroladores de última geração, usando técnicas de processamento paralelo, inteligência artificial, redes de comunicação, fieldbus, etc.

Até recentemente não havia nenhuma padronização entre fabricantes, apesar da maioria utilizar as mesmas normas construtivas. Porém, pelo menos ao nível de software aplicativo, os controladores programáveis podem se tornar compatíveis com a adoção da norma IEC 61131-3, que prevê a padronização da linguagem de programação e sua portabilidade.

Outra novidade que foi incorporada aos controladores programáveis é o fieldbus (barramento de chão-de-fábrica), que surge como uma proposta de padronização de sinais a nível de chão-de-fábrica. Este barramento se propõe a diminuir sensivelmente o número de condutores usados para interligar os sistemas de controle aos sensores e atuadores, além de propiciar os ganhos da utilização de equipamentos microprocessados no chão-de-fábrica.

Hoje os CLPs 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

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Instituto Federal Fluminese -- IF industrial. As vantagens de sua utilização, comparados a outros dispositivos de controle industrial incluem:

Menor Ocupação de espaço; Potência elétrica requerida menor; Reutilização; Reprogramável, se ocorrerem mudanças de requisitos de controle; Confiabilidade maior; Manutenção mais fácil; Maior flexibilidade, satisfazendo um maior número de aplicações; Permite a interface através de rede de comunicação com outros CLPs e microcomputadores; Projeto do sistema mais rápido.

Todas estas considerações mostram a evolução de tecnologia, tanto de hardware quanto de software, o que permite o seu acesso a um maior número de pessoas tanto nos projetos de aplicação de controladores programáveis quanto na sua programação.

2.4 APLICAÇÕES

O controlador programável existe para automatizar processos industriais, sejam de sequênciamento, intertravamento, controle de processos, batelada, etc.

Este equipamento tem seu uso tanto na área de automação da manufatura, de processos contínuos, elétrica, predial, entre outras.

Praticamente não existem ramos de aplicações industriais onde não se possa aplicar os CLPs, entre elas tem-se:

Máquinas industriais (operatrizes, injetoras de plástico, têxteis, calçados); Equipamentos industriais para processos (siderurgia, papel e celulose, petroquímica, química, alimentação, mineração, etc); Equipamentos para controle de energia (demanda, fator de carga); Controle de processos com realização de sinalização, intertravamento, controle PID, controle avançado; Aquisição de dados de supervisão em: fábricas, prédios inteligentes, etc; Bancadas de teste automático de componentes industriais; Testes de conformidade em aplicações laboratoriais Controle de sistemas embarcados em diversas aplicações aeroespaciais; Etc.

Com a tendência dos CLPs terem baixo custo, muita inteligência, facilidade de uso e massificação das aplicações, a utilização deste equipamento não será apenas nos processos mas também nos produtos. Pode-se encontrá-lo em produtos eletrodomésticos, eletrônicos, residências e veículos.

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3 ESTRUTURA BÁSICA

O controlador programável tem sua estrutura baseada no hardware de um computador, tendo portanto uma unidade central de processamento (UCP), interfaces de entrada e saída e memórias.

As principais diferenças em relação a um computador comum estão relacionadas a qualidade da fonte de alimentação, que possui características ótimas de filtragem e estabilização, interfaces de E/S imune a ruídos e um invólucro específico para aplicações industriais. Tem-se também um terminal usado para programação do CLP. Esse terminal pode ser dedicado ou um microcomputador padrão com software de programação específico para o equipamento que será programado.

O diagrama de blocos a seguir, ilustra a estrutura básica de um controlador programável:

Figura 1 - Diagrama em blocos com os componentes básicos de um CLP. Dentre as componentes integrantes desta estrutura tem-se:

Microprocessador; Memória; Barramentos; E/S (Entradas e Saídas); Terminal de Programação; Fonte de alimentação.

Microprocessador Memória

Fonte de Alimentação

TERMINAL DE PROGRAMAÇÃO Barramentos

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3.1 MICROMPROCESSADOR

O microprocessador 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 dado para os cartões de saída como resposta ao processamento.

Geralmente, cada CLP tem um microprocessador, que pode controlar vários pontos de E/S (entradas e saídas). De acordo com a estrutura física dos pontos de E/S (I/O) o CLP pode ser classificado em:

CLP compacto – quando todo os componentes do CLP são fabricados em um único módulo (exceto terminal de programação). Frequentemente o CLP compacto é empregado em pequenas aplicações. Além disso, geralmente faz-se uso de microcontroladores em substituição ao microprocessador, memória e I/O; CLP modular – constituído de um ou mais racks que permitem a montagem da fonte de alimentação, Unidade Central de Processamento (UCP) e cartões de entrada e saída; CLP com I/O distribuído –constituído de pelo menos uma UCP, fonte e diversos módulos de E/S distribuídos e comunicando com a UCP por meio de uma rede fieldbus.

Independente da classificação o processamento poderá ter estruturas diferentes para a execução de um programa, tais como:

Processamento cíclico; Processamento por interrupção; Processamento comandado por tempo; Processamento por evento.

3.1.1 PROCESSAMENTO CÍCLICO

É a forma mais comum de execução que predomina em todas as UCPs conhecidas, e de onde vem o conceito de varredura, ou seja, as instruções de programa contidas na memória, são lidas uma após a outra seqüencialmente do início ao fim, daí retornando ao início ciclicamente.

Figura 2 - Esquema do processamento cíclico.

Um dado importante de uma UCP é o seu tempo de ciclo, ou seja, o tempo gasto para a execução de uma varredura. Este tempo está relacionado com o tamanho do programa do usuário (em média 10 ms a cada 1.0 instruções).

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3.1.2 PROCESSAMENTO POR INTERRUPÇÃO

Certas ocorrências no processo controlado não podem, algumas vezes, aguardar o ciclo completo de execução do programa. Neste caso, ao reconhecer uma ocorrência deste tipo, a UCP interrompe o ciclo normal de programa e executa um outro programa chamado de rotina de interrupção.

Esta interrupção pode ocorrer a qualquer instante da execução do ciclo de programa. Ao finalizar esta situação o programa voltará a ser executado do ponto onde ocorreu a interrupção.

Uma interrupção pode ser necessária, por exemplo, numa situação de emergência onde procedimentos referentes a esta situação devem ser adotados.

Figura 3 - Esquema do processamento por interrupção

3.1.3 PROCESSAMENTO COMANDADO POR TEMPO

Da mesma forma que determinadas execuções não podem ser dependentes do ciclo normal de programa, algumas devem ser executados a certos intervalos de tempo, as vezes muito curto, na ordem de 10 ms.

Este tipo de processamento também pode ser incarado como um tipo de interrupção, porém ocorre a intervalos regulares de tempo dentro do ciclo normal de programa.

3.1.4 PROCESSAMENTO POR EVENTO

Este é processado em eventos específicos, tais como no retorno de energia, falha na bateria e estouro do tempo de supervisão do ciclo da UCP.

Neste último, tem-se o chamado Watch Dog Time (WDT), que normalmente ocorre como procedimento ao se detectar uma condição de estouro de tempo de ciclo da UCP, parando o processamento numa condição de falha e indicando ao operador através de sinal visual e as vezes sonoro.

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3.2 MEMÓRIA

O sistema de memória é uma parte de vital importância no processador de um controlador programável, pois armazena todas as instruções assim como o os dados necessários para executá-las.

Existem diferentes tipos de sistemas de memória. A escolha de um determinado tipo depende: do tipo de informação armazenada; da forma como a informação será processada pela UCP.

As informações armazenadas num sistema de memória são chamadas palavras de memória, que são formadas sempre com o mesmo número de bits.

A capacidade de memória de um CP é definida em função do número de palavras de memória previstas para o sistema.

3.2.1 MAPA DE MEMÓRIA

A capacidade de memória de um CP pode ser representada por um mapa chamado mapa de memória.

Figura 4 - Esquema do mapa de memória.

O tamanho da palavra de memória dependerá de características como:

Tipo de processador utilizado; Projeto dos circuitos internos CLP.

DecimalOctal Hexadecimal
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3.2.2 ARQUITETURA DE MEMÓRIA DE UM CP

A arquitetura de memória de um controlador programável pode ser constituída por diferentes tipos de memória.

A memória do computador é onde se armazenam os dados que devem ser manipulados pelo computador (chamada memória de dados) e também onde esta armazenado o programa do computador (memória de programa).

Aparentemente não existe uma diferença física entre as memórias de programa, apenas utilizam-se memórias fixas para armazenar dados fixos ou programas e memórias que podem ser alteradas pelo sistema para armazenar dados que podem variar de acordo com o programa. Existem diversos tipos de memórias que podem ser utilizadas pelo computador: fita magnética, disco magnético e até memória de semicondutor em forma de circuito integrado.

As memórias a semicondutores podem ser divididas em dois grupos diferentes: - Memória ROM ( read only memory ) memória apenas de leitura.

- Memória RAM ( random acess memory ) memória de acesso aleatório.

ROMRAM
ROM MÁSCARA PROM EPROM EEPROM EAROMESTÁTICA DINÂMICA

Figura 5 - Esquema da divisão dos tipos de memória primária

As memórias ROM são designadas como memória de programa por serem memórias que não podem ser alteradas em estado normal de funcionamento, porém têm a vantagem de não perderem as suas informações mesmo quando é desligada sua alimentação.

As memórias RAM e ROM são classificadas como memórias primárias, os discos rígidos, midias como cartões de memória e discos flexívies são classificados como memórias secundárias. Os CLPs não possuem discos rígidos ou outro tipo de memória secundária.

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Tabela 1 - Tipos de memória.

Tipo de Memória Descrição Característica

RAM DINÂMICA Memória de acesso aleatório - Volátil

- Gravada pelo usuário

- Lenta

- Ocupa pouco espaço

- Menor custo

RAM ESTÁTICA Memória de acesso aleatório - Volátil

- Gravada pelo usuário

- Rápida

- Ocupa mais espaço

- Maior custo

ROM MÁSCARA Memória somente de leitura - Não Volátil - Não permite apagamento

- Gravada pelo fabricante

PROM Memória programável somente de leitura - Não volátil

- Não permite apagamento

- Gravada pelo usuário

EPROM Memória programável/ apagável somente de leitura - Não Volátil

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