Professor: Vilson R.G.R. da Silva
Horário da aula: Segunda/Quarta – 15h30min.
Controlador Lógico Programável em Acionamento de Máquinas
V. T. Correia. Universidade Federal do Paraná Centro Politécnico – Jd. das Américas – 81531-990 – Curitiba – PR – Brasil E-mail:
[email protected] Resumo: Este artigo tem como finalidade apresentar o Controlador Lógico Programável (CLP) e demonstrar através de exemplos de aplicação os benefícios que este pode trazer no acionamento de máquinas.
Introdução O Controlador Lógico Programável, ou simplesmente PLC (Progammable Logic Controller), pode ser definido como um dispositivo de estado sólido – um computador industrial, capaz de armazenar instruções para implementação de funções de controle (sequência lógica, temporização e contagem, por exemplo), além de realizar operações lógicas e aritméticas, manipulação de dados e comunicação em rede, sendo utilizado no controle de Sistemas Automatizados. 1.
Resumo Histórico
Na década de 60, o aumento de competitividade fez com que a indústria automotiva melhorasse o desempenho de suas linhas de produção, aumentando tanto a qualidade como a produtividade. Fazia-se necessário encontrar uma alternativa para os sistemas de controle de relés. Uma saída possível, imaginada pela General Motors, seria um sistema baseado no computador. Assim, em 1968, a Divisão Hydramatic da GM determinou os critérios para o projeto do CLP, sendo o primeiro dispositivo a atender às especificações foi desenvolvido pela Gould Modicon em 1969. As principais características desejadas nos novos equipamentos de estado sólido, com a flexibilidade dos computadores, eram: Preço competitivo com os sistemas a relé; o Dispositivos de entrada e saída facilmente o substituíveis; Funcionamento em ambiente industrial o (vibração, calor, poeira, ruídos);
o
o
Facilidade de programação e manutenção por técnicos e engenheiros; Repetibilidade de operação e uso.
Inicialmente, os CLPs eram chamados de PCs – Programmable Controllers, mas com o advento dos computadores pessoais (PCs – Personal Computers), convencionou-se PLCs ( Programmable Programmable Logical Computers) para evitar conflitos de nomenclatura. Originalmente os CLPs foram usados em aplicações de controle discreto (on/off), como os sistemas a relés, porém eram facilmente instalados, economizando espaço e energia, além de possuírem indicadores de diagnósticos que facilitavam a manutenção. Uma eventual necessidade de alteração na lógica de controle da máquina era realizada em pouco tempo, apenas com mudanças no programa sem necessidade de alteração nas ligações elétricas. A década de 70 marca uma fase de grande aprimoramento dos CLPs. Com as inovações tecnológicas dos microprocessadores, maior flexibilidade e um grau também maior de inteligência, os Controladores Lógicos Programáveis incorporam: 1972 – Funções de temporização e contagem; 1973 – Operações aritméticas, manipulação de dados e comunicação com computadores; 1974 – Comunicação com interfaces Homem-máquina; 1975 – Maior capacidade de memória, controles analógicos e controle PID; 1979/80 – Módulos de I/O remotos, módulos inteligentes e controle de posicionamento. Nos anos 80, aperfeiçoamentos foram atingidos, fazendo do CLP um dos equipamentos mais
atraentes na automação industrial. A possibilidade de comunicação em rede (1981) é hoje uma característica indispensável na indústria. Além dessa evolução tecnológica, foi atingido um alto grau de integração, tanto no número de pontos como no tamanho físico, que possibilitou o fornecimento de minis e micros CLPs. Atualmente, os CLPs apresentam as seguintes características: Módulos de I/O de alta densidade (grande o número de pontos de I/O por módulos); Módulos remotos controlados por uma o mesma CPU; Módulos inteligentes (coprocessadores que o permitem realização de tarefas complexas; controle PID, posicionamento de eixos, transmissão via rádio ou modem, leitura de código de barras); Softwares de programação em ambiente o windows (facilidade de programação); Integração de aplicativos windows (Acess, o excel, visual basic) para comunicação com CLPs; Recursos de monitoramento da execução do o programa, diagnósticos e detecção de falhas; Instruções avançadas que permitem o operações complexas (ponto flutuante, funções trigonométricas); Scan Time (tempo de varredura) reduzido o (maior velocidade de processamento) devido à utilização de processadores dedicados; Processamento paralelo (sistema de o redundância), proporcionando confiabilidade na utilização em áreas de seguranças; Pequenos e micros PICs que oferecem o recursos de hardware e de software dos CLPs maiores; Conexão de CLPs em rede (conexão de o diferentes CLPs na mesma rede, comunicação por meio de rede ethernet). O mercado recebe constante novos e melhores produtos que agregam valores ao mesmo tempo que reduzem o custo das soluções baseadas em CLPs. Portanto, é insdispensável uma atualização contínua por intermédio de contato com fabricantes e fornecedores, sendo a internet uma ótima opção.
2.
Classificação dos CLPs
Embora existam algumas divergências entre os autores e fabricantes quanto aos critérios de classificação, os CLPs podem ser divididos em grupos específicos de acordo com a estrutura que apresentem (especificamente relacionada à quantidade de pontos de I/O que a CPU pode controlar e a quantidade de memória de programação disponível): Micros CLPs: até 64 pontos de I/O e até 2K o words de memória; Pequenos CLPs: de 64 até 512 pontos de o I/O e até 4k words de memória; CLPs médios: de 256 a 2048 pontos de I/O o e dezenas de K words de memória; CLPs grandes: acima de 2048 pontos de I/O o e centenas de K words de memória; Em 1997, CLPs com até 14 pontos de I/O e tamanho muito reduzido foram lançados no mercado, tendo sido denominados pelos fabricantes de Nanos CLPs. Entre os Micros e pequenos CLPs, ainda é possível encontrar outra divisão: CLPs Compactos: que têm quantidade fixa o de pontos de I/O; CLPs Modulares: que permitam a o configuração, por parte do usuário, da quantidade e combinação dos pontos de I/O. 3.
Composição do CLP
Os principais blocos que compõem um CLP são: CPU (Central Processing Unit – Unidade o Central de Processamento): compreende o processador (microprocessador ou processador dedicado), o sistema de memória (ROM e RAM) e os circuitos auxiliares de controle; Módulos de I/O (Input/Output): podem ser o discretos (sinais digitais: 12 Vdc, 110 Vac, contatos normalmente abertos ou fechados) ou analógicos (sinais analógicos: 4-20 mA, 0-10 Vdc, termopar); Fonte de Alimentação: responsável pela o tensão de alimentação fornecida à CPU e aos módulos de I/O. Em alguns casos, proporciona saída auxiliar (baixa corrente); Base ou Rack: proporciona conexão o mecânica e elétrica entre a CPU, os Módulos de I/O e a fonte de alimentação.
Contém o barramento de comunicação entre eles, no qual os sinais de dados, endereço, controle e tensão de alimentação estão presentes. Pode ainda ser composto por Circuitos/Módulos especiais: contador rápido (5 kHz ou mais), interrupção por hardware, controlador de temperatura, controlador PID, co-processadores (transmissão via rádio, posicionamento de eixos, sintetizador de voz, entre outros) e comunicação em rede, por exemplo. 4.
Operação Básica
A CPU executa a leitura do status (condições, estados) dos dispositivos de entrada por meio dos Módulos de I/O. Esses status são armazenados na memória (RAM) para serem processados pelo Programa de Aplicação (desenvolvido pelo usuário e armazenado em memória RAM, EPROM ou EEPROM no CLP). Após a execução do Programa de Aplicação, o processador atualiza os status dos dispositivos de saída por meio dos Módulos de I/O, realizando a lógica de controle. A programação de CLP é feita por meio de uma ferramenta de Programação que pode ser um programador Manual (Terminal de Programação, Handheld Programmer), ou PC com Software de Programação específico (ambiente DOS ou Windows). A linguagem Ladder (RLL – Relay Ladder Logic, Lógica de Contatos de Relé), muito popular entre os usuários antigos sistemas de controle a relés, é a mais utilizada. Esta linguagem é a representação lógica da sequência elétrica de operação, como mostrado na figura a seguir.
A lógica implementada pelo CLP é muito similar à convencional, sendo que os dispositivos de entrada são conectados ao Módulo de Entrada e o dispositivo de saída ao Módulo de Saída. O programa de aplicação determina o acionamento da saída em função das entradas. Qualquer alteração desejada nesta lógica é realizada por meio de alterações no programa, permanecendo as mesma ligações nos Módulos I/O. 5.
Lógica e Linguagem de Programação
A linguagem de programação, segundo IEC 1131-3, tem-se mostrado bastante eficiente, principalmente porque permite ao usuário representar um programa de automação de um processo ou manufatura, tanto em um diagrama lógico, como em lista de instruções e principalmente ser hoje um padrão entre os diversos fabricantes de CLP. A linguagem IEC 1131-3 é uma entre muitas de alto nível existentes, entendendo-se por alto nível aquela que se aproxima muito da humana. Ela foi desenvolvida levando-se em conta os conhecimentos da área de automação, tendo, a partir daí, surgido representações para a mesma linguagem: Diagrama de contatos do inglês Ladder o diagram – LAD; Lista diagrama em Bloco de Funções, do o inglês Functions Block Diagram – FDB; Texto estruturado, do inglês Structured o Text – ST; Linguagem sequencial (também muito o conhecida como Grafcet), do inglês Sequential Function Chart – SFC e IL do inglês Instruction List; Automatizar um sistema significa fazer uso de funções lógicas, representadas, por sua vez, por portas lógicas que podem ser implementadas, fazendo uso de componentes, independente do nível de sua tecnologia, ou seja, relé, diodo, transistor, circuito integrado, etc. Para exemplificar esta parte, iremos abordar a linguagem de programação mais utilizada por programadores de CLPs, o Diagrama de contatos ou linguagem Ladder. 6.
Figura 1 –Sequência elétrica de operação
Linguagem Ladder
Os CLP vieram a substituir elementos e componentes eletro-eletrônicos de acionamento e a linguagem utilizada na sua programação é similar à linguagem de diagramas lógicos de
acionamento desenvolvidos por eletrotécnicos e profissionais da área de controle, esta linguagem é denominada linguagem de contatos ou simplesmente LADDER.
Também poderemos utilizar estes conceitos para desenvolver outras lógicas, como por exemplo a lógica AND (E), abaixo representada:
A linguagem Ladder permite que se desenvolvam lógicas combinacionais, sequenciais e circuitos que envolvam ambas, utilizando como operadores para estas lógicas: entradas, saídas, estados auxiliares e registros numéricos. A Tabela abaixo exemplifica 3 dos principais símbolos de programação. Figura 3 –Exemplo com porta lógica AND
Ou ainda a representada:
lógica
OR
(OU),
abaixo
Tabela 1 – Principais Símbolos da linguagem ladder
Figura 4 –Exemplo com porta lógica OR
7. Tabela 2 –Analogia entre a lógica de Boole e a Linguagem Ladder
Para entendermos a estrutura da linguagem vamos exemplificar o acionamento de uma lâmpada L a partir de um botão liga/desliga. Abaixo, o esquema elétrico tradicional, o programa e as ligações no CLP.
Figura 2 –Acionamento de uma Lâmpada
O botão B1, normalmente aberto, está ligado a entrada I0.0 e a lâmpada está ligada à saída Q0.0. Ao acionarmos B1, I0.0 é acionado e a saída Q0.0 é energizada. Caso quiséssemos que a lâmpada apagasse quando acionássemos B1 bastaria trocar o contato normal aberto por um contato normal fechado, o que representa a função NOT (NÃO).
Exemplos de Acionamentos de Máquinas Utilizando CLP
De modo a exemplificar a utilização do Controlador Lógico Programável em acionamentos de máquinas, será abordado dois tipos de acionamentos utilizando a Linguagem Ladder: Partida direta e chave reversora. a. Partida Direta Para esta prática, são utilizados apenas um contactor e um botão LIGA e outro DESLIGA. Ao acionar o LIGA, o CLP acionará uma entrada para o mesmo fazer atuar uma de suas saídas com um nível lógico de tensão alto a fim de acionar a bobina do contactor principal. Quando se desejar desligar o motor, será necessário apenas acionar o botão DESLIGA.
função desligar o motor. Os dois contatores são para acionamento do motor nos dois sentidos. Quando acionado o botão I0.0, será acionado o contator Q0.0 e, desta forma, o motor será acionado e irá girar no sentido horário. Para acionar o outro sentido, tendo o programa da Figura 7, tem-se que desligar o motor utilizando o botão DESLIGA I0.2 e logo depois acionando o botão LIGA I0.1.
Figura 5 – Circuito de Comando de uma Partida Direta
Figura 8 – Circuito de Comando de uma Chave Reversora
Figura 6 – Circuito de Força de uma Partida Direta
Figura 7 – Diagrama Ladder de uma Partida Direta
b. Chave Reversora Para esta prática são utilizados três botões e dois contatores. Um botão tem como função ligar o motor no sentido horário e um outro para o sentido anti-horário. O terceiro botão tem como
Figura 9 – Circuito de Força de uma Chave Reversora
Figura 10 – Diagrama Ladder de uma Chave Reversora
8.
Conclusão
Desde a primeira vez que o Controlador Lógico Programável foi utilizado foram percebidos os grandes benefícios que sua utilização em uma planta industrial poderia trazer. Se tratando mais especificamente dos benefícios que estes trazem para o acionamentos de máquinas, a grande vantagem do uso do CLP é a não necessidade das fiações ligadas à máquina serem alteradas caso seja necessário alguma mudança em seu acionamento. Todas as alterações podem ser feitas no programa do CLP. Desta forma, diminui-se drasticamente a possibilidade de uma eventual falha de ligação e também tem-se uma redução de acidentes. Com o CLP, uma provável falha de operação por parte do operador foi eliminada, visto que a operação irá se repetir através do programa de aplicação. Desta forma, podemos dizer que os CLPs realmente atenderam as espectativas da General Motors, tornando-se um equipamento indispensável em instalações industrias nos dias de hoje. 9.
Referências
1 – Apostila do Curso de Programação de CLPs – Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR 2 – Acionamentos de Máquinas utilizando CLP Siemens – A. Nogueira; T. Aquino; G. Marinho – 2003
