Clp basico ab, Notas de estudo de Informática

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CLP BÁSICO - AB

CLP BÁSICO - AB

1. Histórico dos CLPs

Segundo a NEMA (National Eletrical Manufactures Association), o Controlador Lógico programável (CLP) é definido como aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para o armazenamento interno de instruções específicas, tais como; lógica, sequenciamento, temporização, contagem e aritmética, para controlar, através de módulos de entradas e saídas, vários tipos de máquinas e processos.

O desenvolvimento dos CLPs começou em 1968 em resposta a uma requisição da Divisão Hidramática da General Motors. Naquela época, a General Motors passava dias ou semanas alterando sistemas de controles baseados em relés, sempre que mudava um modelo de carro ou introduzia modificações em uma linha de montagem. Para reduzir o alto custo de instalação decorrente destas alterações, a especificação de controle da GM necessitava de um sistema de estado sólido, com a flexibilidade de um computador, mas que pudesse ser programado e mantido por engenheiros e técnicos na fábrica. Também era preciso que suportasse o ar poluído, a vibração, o ruído elétrico e os extremos de umidade e temperatura encontrados normalmente num ambiente industrial. Abaixo alguns modelos de CLPs.

Os primeiros CLPs foram instalados em 1969, fazendo sucesso quase imediato. Funcionando como substitutos de relés, até mesmo estes primeiros CLPs, eram mais confiáveis do que os sistemas baseados em relés, principalmente devido à robustez de seus componentes de estado sólido quando comparados às peças móveis dos relés eletromecânicos. Os CLPs permitiram reduzir os custos de materiais, mão-de- obra, instalação e localização de falhas ao reduzir a necessidade de fiação e os erros associados. Os CLPs ocupavam menos espaço do que os contadores, temporizadores e outros componentes de controle anteriormente utilizados.

E a possibilidade de serem reprogramados permitiu uma maior flexibilidade para trocar os esquemas de controle.

Talvez, a razão principal da aceitação dos CLPs pela indústria, foi que a linguagem inicial de programação era baseada nos diagramas de contato (ladder) e símbolos elétricos usados normalmente pelos eletricistas. A maior parte do pessoal de fábrica já estava treinada em lógica ladder, adaptando-a rapidamente nos CLPs.

Por que usar um CLP?

“Deveríamos estar usando um controlador lógico programável?” Nos anos 70 e início dos 80, muitos engenheiros, gerentes de fábrica e projetistas de sistema de controle dedicaram grande parte de seu tempo a debater esta questão, tentando avaliar a relação custo-benefício.

Atualmente, se aceita como regra geral que os CLPs se tornaram economicamente viáveis nos sistemas de controle que exigem mais de três relés. Considerando-se o baixo custo dos micro-CLPs e o fato dos fabricantes colocarem grande ênfase na qualidade e produtividade, a questão do custo deixa praticamente de existir. Além das reduções nos custos, os CLPs oferecem outros benefícios de valor agregado:

⇒ Confiabilidade. Depois de escrito e depurado, um programa pode ser transferido e armazenado facilmente em outros CLPs. Isto reduz o tempo de programação, minimiza a depuração e aumenta a confiabilidade. Como toda a lógica existe na memória do CLP, não existe qualquer possibilidade de cometer um erro lógico por conta de um erro de fiação. A única fiação necessária é para o fornecimento de energia para as entradas e saídas.

⇒ Flexibilidade. As modificações no programa podem ser feitas com pouca digitação. Os OEMs (fabricantes do equipamento original) podem realizar facilmente as atualizações no sistema, bastando enviar um novo programa em vez de um técnico. Os usuários finais podem modificar o programa em campo ou, por outro lado, os OEMs podem evitar que os usuários finais alterem o programa (o que é uma importante característica de segurança).

⇒ Funções Avançadas. Os CLPs podem realizar uma grande variedade de tarefas de controle, desde ações simples e repetitivas até a manipulação de dados complexos. Com a adoção dos CLPs, abrem-se muitas alternativas para os projetistas e simplifica-se o trabalho do pessoal de manutenção.

⇒ Comunicações. A comunicação com interfaces de operação, outros CLPs ou computadores facilita a coleta de dados e o intercâmbio de informações.

⇒ Velocidade. Como certas máquinas automatizadas processam milhares de itens por minuto e como os objetos são expostos aos sensores durante apenas uma fração de segundo, muitas aplicações de automação necessitam da capacidade de resposta rápida dos CLPs.

2. Estrutura Básica de um CLP

A Estrutura básica de um controlador programável adveio do hardware básico de um computador. Podemos afirmar que um CLP é um computador para aplicações específicas.

Para entender como funciona um CLP é necessário uma análise rápida de seus componentes. Todos os CLPs, dos micro aos grandes, usam os mesmos componentes básicos e estão estruturados de forma similar, como mostrado na figura abaixo. Os sistemas CLP consistem de :

1. Entradas
2. Saídas
3. Unidade Central de Processamento (Central Processing Unit – CPU)
4. Memória para o programa e armazenamento de dados
5. Fornecimento de alimentação
6. Dispositivo de programação

2.1 Entradas

Os terminais de entrada conectados no CLP formam a interface pela qual os dispositivos de campo são conectados ao CLP.

Os sinais recebidos por um módulo de entrada podem vir de dois tipos de sensores:

⇒ Discretos: Chave limite; botoeira; chave de digitadora (thumbwheel); chave de pressão; fotocélula; contato de relé; chave seletora; teclado.

⇒ Analógicos:

Transdutor de pressão; transdutor de temperatura; célula de carga (strain gage); sensores de vazão; transdutores de vibração; transdutores de corrente; transdutores de vácuo; transdutores de força.

Os sinais elétricos enviados pelos dispositivos de campo ao CLP são normalmente de 120Vca ou de 24Vcc. Os circuitos de entrada no CLP recebem esta tensão vinda do campo e a “condicionam” de forma que possa ser utilizada pelo CLP. Tal condicionamento é necessário, já que os componentes internos de um CLP operam a 5Vcc e devem, portanto, estar protegidos de flutuações de tensão. Para que os componentes internos fiquem eletricamente isolados dos terminais de entrada, os CLPs empregam um isolador óptico, que usa a luz para acoplar os sinais de um dispositivo elétrico a outro.

A estrutura interna de um módulo de entrada pode ser subdividida em seis blocos principais, como mostrado na figura abaixo:

2.2 Saída

Os módulos de saída também são considerados como elementos de interface, pois permitem que o processador se comunique com o meio externo. A estrutura interna de um módulo de saída pode ser subdividida em sete blocos principais, relacionados a seguir:

Tabela onde podemos ver a função de cada bloco:

Parte Função Interface/Demultiplexação Recebe os sinais vindos do processador direcionando-os para as respectivas saídas. Memorizador de sinal Armazena os sinais que já foram multiplexados pelo bloco anterior. Isolação elétrica Proporciona isolação elétrica entre os sinais vindos do processador e os dispositivos de campo. Indicadores de estado de saídas

.Proporciona indicação visual do estado funcional das saídas contidas num módulo de saída Estágio de Potência Transforma os sinais lógicos de baixa potência vindos do processador em sinais de potência, capazes de operar os diversos tipos de dispositivos de campo Terminais para conexão dos dispositivos de campo

Permite a conexão física entre CLP e os dispositivos de campo. Dispositivos de campo Consiste em dispositivos eletromecânicos que atuam no processo/equipamento, em função dos sinais de controle enviados pelo CP.

Dependendo da natureza dos dispositivos de campo e do tipo de sinal de controle necessário para comandá-los, podemos dispor dos seguintes tipos de módulos de saída:

TIPO CARACTERÍSTICAS

Digital (AC) 12Vac; 24 a 48Vac; 120Vac; 220/240Vac; 120Vac com isolação.

Digital (DC) 12 a 60Vdc; 12 a 24Vdc com resposta rápida; 24 a 48Vdc; 12 a 24Vdc com suprimento; 12 a 24Vdc com dreno; 48Vdc com suprimento; 48Vdc com dreno.

Analógico 1 a 5Vdc; 0 a 10Vdc; -10 a +10Vdc; 4 a 20mA.

Especial TTL com suprimento; TTL com dreno; 5 a 30Vdc selecionável; contato NA; contato NF; saída em ASCII; servo-motor; motor de passo.

Os circuitos de saída funcionam de maneira similar aos circuitos de entrada: os sinais emitidos pela CPU passam por uma barreira de isolamento antes de energizar os circuitos de saída.

Os CLPs utilizam vários circuitos de saída para energizar seus terminais de saída: relés, transistores e triacs.

⇒ Relés. Os Relés podem ser usados com alimentação alternada ou contínua. Os relés eletromagnéticos de CLPs tradicionais aceitam correntes de até alguns ampéres. Os relés suportam de forma melhor os picos de tensão porque contêm uma camada de ar entre seus contatos que elimina a possibilidade de ocorrência de fuga. No entanto, são comparativamente lentos e sujeitos a desgaste com o tempo.

⇒ Transistores. Os transistores chaveiam corrente contínua, são silenciosos e não contêm peças móveis sujeitas a desgaste. Os transistores são rápidos e podem reduzir o tempo de resposta, mas suportam cargas de, no máximo, 0,5A. Certos tipos especiais de transistores, os FETs (Transistores de Efeito de Campo) podem aceitar cargas maiores, normalmente de 1A.

⇒ Triacs. Os triacs chaveiam exclusivamente corrente alternada. Como os transistores, as saídas triacs são silenciosas, não têm peças móveis sujeitas a desgaste, são rápidas e transportam cargas de até 5A.

Obs. As saídas de estado sólido (triacs e transistor) podem ser danificadas e destruídas em caso de sobrecarga ou sob tensão.

Ainda dentro da CPU encontra-se um programa executável ou Memória do Sistema que direciona e realiza as atividades de “operação”, tais como a execução do programa do usuário e a coordenação de varreduras das entradas e atualizações das saídas. A memória do sistema, programada pelo fabricante, não pode ser acessada pelo usuário.

2.4 O que caracteriza o tamanho do CLP?

Vários critérios são utilizados para classificar um CLP como micro, pequeno, médio ou grande, entre eles: funcionalidade, número de entradas e saídas, custo e dimensões físicas.

Os CLPs podem ser de Estrutura Fixa ou Estrutura Modular.

⇒ Estrutura Fixa. São unidades que já incluem o processador, a fonte de alimentação e as E/S reunidas em um só bloco.

⇒ Estrutura Modular. É aquele que tem componentes separados, porém interligados e podem ser expandidos com o acréscimo de mais módulos de E/S no chassi.

2.5 Método de Processamento

O processamento do programa do usuário de um CLP é geralmente um processamento cíclico.

⇒ Processamento cíclico

É a forma mais comum de execução que predomina em todas as CPU’s conhecidas e é 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.

Ciclo normal de um programa

Um dado importante de uma CPU 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 1ms a cada 1.000 instruções de programa)

Para verificação do funcionamento da CPU, é estipulado um tempo de processamento, cabendo a um circuito chamado de Watch Dog Timer, supervisioná- lo. Ocorrendo a ultrapassagem deste tempo máximo, o funcionamento da CPU, será interrompido, sendo assumido um estado de erro.

O termo varredura ou scan, é usado para dar um nome a um ciclo completo de operação ( loop). O tempo gasto para a execução do ciclo completo é chamado Tempo de Varredura, e depende do tamanho do programa do usuário e a quantidade de pontos de entrada e saída.

Início (^) Fim

2.6 Tipos de Memória de Aplicação

Como o nome indica, os controladores lógicos programáveis têm memórias programáveis que permitem aos usuários desenvolver e modificar programas de controle. A memória é um espaço físico dentro da CPU onde podem ser armazenados e manipulados os arquivos de programas e arquivos de dados.

Há duas categorias de memória: volátil e não - volátil. A memória volátil pode ser alterada ou apagada facilmente, podendo-se, ainda, gravar ou ler tal memória. No entanto, em caso de falha de alimentação, o conteúdo programado poderá ser perdido, sendo necessário, portanto, ter um backup do programa.

A forma mais conhecida de memória volátil é a Memória de Acesso Aleatório (Random Access Memory- RAM). A memória RAM é relativamente rápida e oferece uma alternativa fácil para criar e armazenar os programas de aplicação do usuário. Em caso de interrupção do fornecimento de alimentação, os CLPs com memória RAM usam baterias ou capacitores de reserva para evitar a perda do programa.

A memória não volátil retém seu conteúdo programado, sem usar bateria ou capacitor, mesmo se houver interrupção do fornecimento de alimentação. A memória EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory – Memória de Leitura Eletricamente Apagável e Programável) é uma memória não volátil com a mesma flexibilidade da memória RAM, sendo programada por meio de um software de aplicação que roda em um computador pessoal ou por meio de um Terminal de Programação (Hand-Held).

Apesar das memórias RAM e EEPROM poderem salvar os programas aplicativos em caso de interrupção do fornecimento de alimentação, elas não salvam necessariamente os dados do processo, tais como os valores acumulados de um temporizador ou contador. Caso a retenção de dados de um processo seja importante em uma determinada aplicação, escolha um CLP que ofereça 100% de retenção dos dados. Em caso de falha de alimentação, este tipo de CLP salva automaticamente os dados do processo na memória EEPROM não volátil.

2.6.1 Dados, Memória e Endereçamento

A memória é um espaço físico e os dados são informações armazenadas neste espaço. A CPU funciona exatamente como um computador. Ela manipula os dados usando dígitos binários, os bits. O bit é uma localização discreta dentro de uma pastilha de silício (chip). O bit pode estar submetido à tensão, sendo, portanto, lido como 1 (Energizado), ou não estar submetido à tensão e, então, seu valor será 0 (desenergizado). Portanto, os dados são uns padrões de cargas elétricas que representam um valor numérico.

O bit é a menor unidade disponível de memória. Normalmente, as CPUs processam e armazenam os dados em grupos de 16 bits, também conhecidos como “ palavras”. Mas os usuários podem também manipular os dados ao nível de bits.

Cada palavra de dados possui uma localização física especifica na CPU, chamada de “endereço” ou “registro”. Cada elemento do programa do usuário é referenciado com um endereço para indicar onde se localizam os dados para aquele elemento. Ao atribuir endereços para as E/S de um programa, observe que o endereço está relacionado ao terminal onde os dispositivos de entrada e saída estão conectados.

2.6.2 Partes de um endereço

Os endereços são compostos de caracteres alfanuméricos separados por delimitadores. Os delimitadores incluem os dois pontos, o ponto, e a barra.

Os arquivos de Saída e Entrada possuem elementos de 1 palavra, onde cada elemento é especificado pelo número de slot e palavra. Os Temporizadores e Contadores possuem três elementos de palavra. Os arquivos de Status, Bit e Inteiro possuem elementos de 1 palavra.

Exemplos

N7:15 é um endereço de elemento, onde o dois pontos separa o Tipo e o Número do Arquivo (Arquivo Inteiro Núm.7) do elemento. Já que os arquivos de Inteiro possuem elementos de 1 palavra, o endereço N7:15 aponta para a palavra Núm.15 no arquivo de inteiro Núm. 7.

T4:7.ACC é um endereço de palavra, onde o ponto separa o elemento da palavra dentro do elemento. Já que os arquivos de Temporizador possuem elementos de 3 palavras, o endereço T4:7.ACC aponta para a palavra de Acumulador (terceira palavra) no elemento Núm. 7 do arquivo de Temporizador T4.

B3:64/15é um endereço de bit, onde a barra separa o bit do elemento. Já que os arquivos de bits possuem elementos de uma palavra, o endereço B3:64/15 aponta para o bit Núm. 15 na palavra Núm. 64 no arquivo de Bits B3.

I:4.1/3é um endereço de bits, onde a barra separa o bit da palavra, e o ponto separa a palavra do slot. Esta é uma maneira alternativa de endereçar terminais de E/S 16 e superiores. Outra maneira de representar este endereço é digitar I:4/19.

Apesar dos CLPs operarem de forma binária (1 e 0), eles também usam o binário para converter, aceitar e manipular dados de outros sistemas de numeração. Estes sistemas incluem o decimal, o hexadecimal, o decimal codificado em binário (BCD) e o octal. Ver anexo 01.

2.8 Dispositivos de Programação

Para inserir um programa em um CLP, os dois dispositivos mais utilizados são o computador pessoal (PC) e o Terminal Portátil de Programação (Hand-Held Programmer – HHP).

O PC é usado para rodar o software de programação do CLP. Este software permite aos usuários criar, editar, documentar, armazenar e localizar as falhas dos diagramas ladder, gerando também relatórios impressos. As instruções dos softwares são baseadas em símbolos gráficos para as várias funções. Não é necessário o conhecimento das linguagens mais avançadas de programação para se usar o software, bastando um entendimento genérico dos diagramas elétricos funcionais. Veja figura abaixo:

Apesar do HHP poder ser utilizado para programar o CLP, seu uso mais freqüente é na localização de falhas, pois é compacto e tem sua própria memória para armazenar os programas. Os terminais HHP são extremamente úteis quando se trata de localizar falhas em equipamentos nas fábricas, modificar programas e transferir programas a várias máquinas. A linguagem usada pelo HHP é uma forma gráfica de programação de lista de instruções, baseada nas instruções de lógica ladder do CLP. Veja figura abaixo:

2.9 Linguagens de Programação

Um programa é uma série de instruções ou comandos que o usuário desenvolve para fazer com que o CLP execute determinadas ações. Uma linguagem de programação estabelece regras para combinar as instruções de forma que gerem as ações desejadas.

Classificação

Podemos classificar as diversas linguagens utilizadas na programação de dispositivos microprocessados em dois grupos:

• Linguagem de baixo nível
• Linguagem de alto nível

Linguagem de baixo nível