Apostila 032012 clp

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Apostila 032012 clp

  1. 1. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA Centro de Tecnologia Departamento de Eletromecânica e Sistemas de Potência Geomar Machado Martins Princípios de Automação Industrial Agosto de 2007 Revisado em Março de 2012
  2. 2. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial APRESENTAÇÃO A disciplina Princípios de Automação Industrial, ofertada especificamente para o curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Santa Maria, tem por objetivos: - Compreender e aplicar um tratamento introdutório da teoria da automação aplicada à transmissão de sinais de informação, com atenção à comunicação de sinais analógicos e digitais. O texto que segue foi elaborado com a finalidade de servir de suporte para esta disciplina e surgiu da pesquisa de uma série de fontes, entre elas: a literatura técnica especializada, materiais coletados na internet, de diversas fontes e autores, aos quais agradecemos a iniciativa de compartilhamento e universalização do conhecimento sem fins lucrativos, de notas de cursos realizados e de pesquisas em artigos da área, conforme indicados nas referências bibliográficas de cada unidade. Este é um material que sofrerá frequentes atualizações, em função da constante evolução tecnológica na área da Automação Industrial, além do que, o próprio texto pode conter eventuais erros, para os quais pedimos a colaboração dos estudantes e profissionais que eventualmente fizerem uso do mesmo, enviando ao autor uma comunicação sobre as falhas detectadas. Alguns projetos experimentais incluídos no texto referem-se a trabalhos executados pelo autor, juntamente com os estudantes nos laboratórios do curso de engenharia elétrica da Universidade Federal de Santa Maria. Gostaria de agradecer a colaboração das mais diversas pessoas e organismos que de alguma forma contribuem para a o desenvolvimento desta disciplina, entre elas destacandose os técnicos Zulmar, Fernando Martins, Anacleto Brondani, Marcus Molina, que se empenharam no desenvolvimento e finalização dos módulos didáticos. Aos alunos Adriane Dutra, João Victor Baghetti Fuchs, Fernando Konzen, Diogo de Vargas, Thiago Doleski, Leandro Neis, Luis Gustavo Braun, pela tutoria da disciplina. A coordenação do curso de Engenharia Elétrica e a chefia do Depto de Eletromecânica e Sistemas de Potência, aos funcionários do laboratório “Nupedee”, aos grupo de pesquisa, entre outros, que colaboram para a melhoria desta disciplina. Santa Maria, 05 de Março de 2012. Geomar Machado Martins 2 Prof. Geomar M. Martins
  3. 3. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial SUMÁRIO 1. Introdução à Engenharia de Automação 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 Histórico e definição da automação A automação nas atividades humanas A automação no meio produtivo Características e conceitos da automação industrial Componentes básicos da automação Tipos de sistemas de sistemas de processos industriais Tipos de controle na automação Aspectos gerais da automação Arquitetura da automação industrial A visão crítica ao automatizar processos 1.11 Tendências da automação 1.12 O mercado atual da automação no Brasil 5 5 5 6 6 10 10 11 12 15 16 16 2. Controlador Lógico Programável - CLP 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 Introdução Histórico Características e vantagens Aplicações Constituição de um CLP Estrutura de programação Aspectos de software Linguagens de programação Terminologia O micro-CLP Considerações de projeto 18 18 21 22 23 28 29 30 30 35 35 3. Lógica e Linguagem de Programação 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8. 3.9 3.10 Introdução Programação de CLPs Análise das linguagens de programação Normalização Linguagem de Relés e Blocos (Ladder) Desenvolvimento do Programa Ladder Associação de Contatos no Ladder e Lógica Combinacional Sistemas Combinatórios Minimização por Mapa de Karnaugh Outros circuitos combinacionais 4. Sistemas Sequenciais 4.1 Circuitos biestáveis, “Flip-Flops” e “Latches” 4.2 Contadores 4.3 Temporizadores 3 37 39 41 42 43 47 51 59 66 68 75 81 86 Prof. Geomar M. Martins
  4. 4. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 Instruções Booleanas de comparação Instrução Positive Differential Registrador de deslocamento Instruções Aritméticas Outras instruções da linguagem Ladder 94 101 101 104 104 5. Entradas e Saídas Analógicas 5.1 5.2 5.3 5.4 Introdução Entradas analógicas Saídas analógicas Sensores e Atuadores 106 106 116 119 6. Controle Contínuo 6.1 6.2 6.3 6.4 Introdução Controle de sistemas com atuadores lógicos Controle de sistemas com atuadores contínuos Aplicação da função PID em lógica Ladder 123 123 124 127 7. Interface Homem-Máquina 7.1 7.2 7.3 7.4 Introdução IHM via www com CLP Especificação da IHM Aplicação da Interface Homem-Máquina OP05/06 129 132 133 133 8. Noções de Sistemas Supervisórios 8.1 8.2 8.4 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9 Introdução Características do software supervisório Sistemas SCADA Componentes físicos de um sistema supervisório Componentes lógicos de um sistema SCADA Camadas físicas de um sistemas de supervisão Planejamento do sistema supervisório Modos de comunicação Aplicação do supervisório Elipse E3 136 137 138 139 141 141 145 145 147 9. Noções de Redes Locais 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 Introdução Meio físico Protocolos de comunicação Estrutura das redes de comunicação Métodos de acesso ao meio 150 150 151 152 154 4 Prof. Geomar M. Martins
  5. 5. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial UNIDADE I – Introdução à Engenharia de Automação 1.1 Histórico e definição da automação Etimologia: Da palavra Automation (1960), buscava enfatizar a participação do computador no controle automático industrial. Definição atual: “Qualquer sistema, apoiado em computadores, que substitui o trabalho humano, em favor da segurança das pessoas, da qualidade dos produtos, rapidez da produção ou da redução de custos, assim aperfeiçoando os complexos objetivos das indústrias, dos serviços ou bem estar” (Moraes e Castrucci, 2007). 1.2 A automação nas atividades humanas Criada para facilitar a realização das mais diversas atividades humanas, a automação pode ser observada: Nas residências : nas lavadoras de roupas e de louças automáticas; nos microondas; nos controles remotos de portões de garagem, etc. Na rua: nos caixas de bancos automáticos; nos controladores de velocidades de automovóeis; nos trens do metrô; nos cartões de crédito, etc. No trabalho: nos registradores de ponto automático; nos robôs industriais; no recebimento de matéria-prima através de um sistema automático de transporte de carga; na armazenagem do produto final num depósito automatizado; no controle de qualidade através de sistemas de medição e aferição; no controle de temperatura ambiente ou de uma coluna de fracionamento de petróleo; nos sistemas de combate à incêndios, etc. No lazer: em máquinas automáticas de refrigerantes ; em esteiras automáticas de academia; nos aparelhos de reprodução de vídeo ou DVD players; nos videogames, etc. 1.3 A automação no meio produtivo “O processo industrial constitui-se na aplicação do trabalho e do capital para transformar a matéria-prima em bens de produção e consumo, por meios e técnicas de controle, obtendo valor agregado ao produto, atingindo o objetivo do negócio”. Processo Industrial Contínuo: Quando a maioria das variáveis de controle é manipulada são na forma contínua, ou analógica. (Indústria Química, farmacêutica...) Processo Industrial Discreto: Quando a maioria das variáveis de controle é manipulada na forma discreta ou digital. 5 Prof. Geomar M. Martins
  6. 6. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 1.4 Características e conceitos da automação industrial “A Automação é um conceito e um conjunto de técnicas por meio das quais se constroem sistemas ativos capazes de atuar com eficiência ótima pelo uso de informações recebidas do meio sobre o qual atuam.” Na Automação Industrial se reúnem três grandes áreas da engenharia: 1. A mecânica, através das máquinas que possibilitam transformar matérias primas em produtos “acabados”. 2. A engenharia elétrica que disponibiliza os motores, seus acionamentos e a eletrônica indispensável para o controle e automação das malhas de produção; 3. A informática que através das arquiteturas de bancos de dados e redes de comunicação permitem disponibilizar as informações a todos os níveis de uma empresa. Assim, a automação, tão presente nas atividades humanas, está presente também nos processos industriais, com o mesmo objetivo básico, que é facilitar os processos produtivos, permitindo produzir bens com : • • • • menor custo; maior quantidade; menor tempo; maior qualidade. Olhando por este aspecto, vemos que a automação está intimamente ligada aos sistemas de qualidade, pois é ela que garante a manutenção de uma produção sempre com as mesmas características e com alta produtividade, visando atender o cliente num menor prazo, com preço competitivo e com um produto de qualidade. Pensando no meio ambiente, observa-se também que a automação pode garantir o cumprimento das novas normas ambientais, através de sistemas de controle de efluentes (líquidos que sobram de um processo industrial), emissão de gases, possibilidade de uso de materiais limpos, reciclagem, etc. Portanto, a automação tem papel de muita importância na sobrevivência das indústrias, pois garante a melhoria do processo produtivo e possibilita a competição nesse mercado globalizado, onde o concorrente mais próximo pode estar do outro lado do mundo. 1.5 Componentes básicos da automação Sistemas automatizados são, algumas vezes, extremamente complexos, porém, ao observar suas partes nota-se que seus subsistemas possuem características comuns e de simples entendimento. Assim, formalmente, um sistema automatizado possui os seguintes componentes básicos: • sensoriamento; • comparação e controle; 6 Prof. Geomar M. Martins
  7. 7. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial • atuação. Exemplo 1 - Um aquário e a temperatura de sua água. Num aquário deve-se manter a água em torno da temperatura ambiente (25°C). Não é necessário ser muito rigoroso sendo que a temperatura pode variar de 23 a 28°C. Nota-se que a temperatura da água pode variar e deve ser ajustada de acordo com a necessidade. Considere o esquema a seguir: Figura 1.1 – Controle de temperatura automatizado em um aquário. Neste exemplo podem ser identificados os componentes básicos da automação (processo, sensor, atuador, controle e distúrbio): - - - O processo (aquário), que requer o controle da temperatura. O sensor de temperatura, constituído pelo termômetro de mercúrio; O controlador, estabelecido pelo acoplamento de um sistema mecânico de ajuste ao termômetro. Este sistema mecânico movimenta um contato metálico ao longo do corpo do termômetro. Ele permite ao controlador, fazer uma comparação com um valor pré-ajustado (ponto de ajuste) e tomar a decisão de ligar ou desligar o atuador (resistência), mantendo a temperatura dentro de um limite considerado aceitável. O distúrbio é representado pelas condições externas que podem influenciar na temperatura da água. A temperatura do ambiente externo influencia diretamente no controle, determinando uma condição diferente de atuação no processo. O atuador formado pelo relé elétrico e a resistência. Quando o deslocamento do mercúrio alcança o ponto de ajuste, um contato elétrico é fechado, sendo ele ligado ao relé que, usando a alimentação da rede, desliga a resistência responsável pelo aquecimento da água. Então, em forma de diagrama, nesse sistema temos: 7 Prof. Geomar M. Martins
  8. 8. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 1.2 – Diagrama em blocos do controle do processo. Observa-se que existe uma influência da ação de aquecimento da água no valor medido pelo sensor de temperatura. Este ciclo fechado é chamado de malha fechada de controle, ou sistema de realimentação, no qual a saída do sistema influencia diretamente na situação de sua entrada. Em alguns processos, não existe a realimentação, isto é, a ação do atuador comandada pelo controlador não é observada por um sensor que realimenta o sistema. Um exemplo típico é o de uma máquina de lavar roupa, que por não possuir um sensor de roupa limpa, funciona em um ciclo aberto de controle, chamado de malha aberta. O controle apresentado neste exemplo não possui precisão, isto é, nada garante que a temperatura permaneça exatamente no ponto ajustado, ou que fique oscilando em torno do valor ajustado. Este tipo de controle é chamado de Liga/Desliga (ou ON/OFF). O atuador (resistência) permanece em dois estados bem definidos (nenhuma corrente = desligado e máxima corrente = ligado). É considerado então um controle descontínuo. A quantidade de informações e conceitos que podem ser retirados de um sistema tão simples como esse é muito grande, sendo que elas resumem os conhecimentos necessários para o entendimento de um sistema automatizado. Exemplo 2 - Um tanque de combustível e seu nível. Neste caso, pode-se abordar duas situações de controle automatizado: Medição descontínua: para garantir segurança evitando o transbordamento ou esvaziamento abaixo de determinada posição mínima. 8 Prof. Geomar M. Martins
  9. 9. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial A medição descontínua normalmente é feita por sensores do tipo chave com dois estados, ativo ou não ativo. Considerando um contato elétrico, esse poderá estar aberto (possibilitando passagem de corrente) ou fechado (impedindo a passagem de corrente). Figura 1.3 – Controle de nível de líquido em um tanque. Medição contínua: para determinar a quantidade de combustível armazenado. Além do sistema de segurança mostrado anteriormente, tem-se a necessidade de determinar a quantidade armazenada de um certo combustível dentro deste tanque. Nesse caso é necessário empregar um medidor que "observe" continuamente as variações da altura da coluna líquida no interior do tanque. Este medidor deve fornecer um sinal de saída contínuo, proporcional à altura do tanque. Tendo o valor da altura dada pelo medidor e conhecendo a capacidade do tanque dada pelo formato do próprio tanque, é possível calcular a quantidade de combustível do tanque para cada condição de nível. Figura 1.4 – Controle com transmissor de nível 9 Prof. Geomar M. Martins
  10. 10. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Observando os exemplos acima, conclui-se que é possível ter sensores descontínuos (Liga/Desliga) e contínuos (chamados analógicos). A escolha do tipo de medição vai depender do que se pretende na automação. No caso do tanque, os dois controles podem estar presentes, cada um cuidando de sua parte no controle do sistema como um todo. 1.6 Tipos de sistemas de sistemas de processos industriais Em automação tem se tornado necessário classificar os sistemas em função de suas ocorrências mais comuns e importância. Além dos sistemas dinâmicos acionados pelo tempo, exemplo típico dos fenômenos químicos, físicos, térmicos, regidos por equações diferenciais, também aparecem em grande quantidade os sistemas de chaveamento manual, automático, as manufaturas, as filas de serviços, etc, que são acionados por eventos, e não são regidos por equações diferenciais. Estes últimos são conhecidos como sistemas dinâmicos a eventos discretos (SED’s) e são sistemas cuja evolução decorre unicamente de eventos instantâneos, repetitivos ou esporádicos. 1.7 Tipos de controle na automação Pode-se classificar o controle em dois grandes grupos: 1.7.1 Controle Dinâmico O controle dinâmico procura estabelecer o comportamento estático e dinâmico dos sistemas físicos, tornando-os mais obedientes aos operadores e mais imunes às perturbações dentro de certos limites. Utiliza medidas das saídas do sistema a fim de melhorar o seu desempenho operacional, através de realimentação. Possui um incalculável poder tecnológico, permitindo o aperfeiçoamento de processos, aumento de velocidade e precisão. É característico da automação industrial de controle de processos (automação contínua), sendo tradicionalmente empregado o controle do tipo P + I + D (proporcional + integral + derivativo), entre outras escolhas. Este será visto em detalhes na seção 6.1. Exemplo de aplicação: controle de temperatura de um aquário. 1.7.2 Controle Lógico ou Controle de Eventos 10 Prof. Geomar M. Martins
  11. 11. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial O Controle lógico complementa os sistemas lógicos permitindo que eles respondam a eventos externos ou internos de acordo com novas regras que são desejáveis de um ponto de vista utilitário. Utiliza sinais sempre discretos em amplitude, geralmente binários e operações nãolineares e se apresenta na forma de circuitos (elétricos, hidráulicos, pneumáticos, etc) de redes lógicas combinatórias (sem memórias ou temporizações) cujos projetos são construídos com álgebra booleana (descreve, analisa e simplifica as redes com auxílio de Tabelas da Verdade e Diagramas de relés) ou em redes seqüenciais (com memória, temporizadores e entrada de sinais em instantes aleatórios) cujo projeto utiliza a teoria dos autômatos finitos, redes de Petri, cadeias de Markov ou em simulações por computador. É característico da automação industrial de manufatura (automação discreta). Exemplo de aplicação: botões de segurança de uma prensa de alavanca. Figura 1.5 – Exemplo de aplicação de controle lógico Os dois tipos de controle (dinâmico e lógico) são empregados em proporções extremamente variáveis, conforme o processo, e misturam-se nos controladores lógicos programáveis (CLPs) e PCs. No entanto, as teorias do controle dinâmico e do controle lógico desenvolvem-se independentes uma da outra. O controle dinâmico busca evitar a instabilidade do sistema, enquanto o controle lógico procura evitar o conflito ou a parada total da evolução dos sinais. 1.8 Aspectos gerais da automação A automação resulta de diversas necessidades da industria: maior nível de qualidade dos produtos, maior flexibilidade de modelos para o mercado, menores custos e perdas de 11 Prof. Geomar M. Martins
  12. 12. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial materiais e de energia, mais disponibilidade e qualidade da informação sobre o processo e melhor planejamento e controle da produção. Segundo o grau de complexidade e meios de realização física, a automação industrial pode ser classificada em: • Automações especializadas (menor complexidade) • Grandes sistemas de automação (maior complexidade) • Automações Industriais de âmbito local (média complexidade) Automações especializadas (menor complexidade) Emprega microprocessadores com programação normalmente em linguagem de máquina e memórias do tipo ROM. Ex.: automação interna aos aparelhos eletrônicos, telefones, eletrodomésticos, automóveis. Grandes sistemas de automação (maior complexidade) Utiliza programação comercial e científica em software de tempo real. Ex.: Controladores de vôos nos aeroportos, controle metroviário, sistemas militares. Automações Industriais e de serviços de âmbito local (média complexidade) Baseia-se no uso dos CLP’s isolados ou em redes. Ex.: Transportadores, processos químicos, térmicos, gerenciadores de energia e de edifícios. Corresponde à grande maioria das aplicações existentes, sendo este o foco da disciplina. 1.9 Arquitetura da automação industrial A Figura 1.6 mostra os níveis hierárquicos de um processo de automação industrial, representado pela conhecida Pirâmide de Automação. Para cada nível está associado um formato de comunicação dados que pode ser diferir daquele adotado para a comunicação entre níveis. Na base da pirâmide aparece o Controlador Lógico Programável, responsável por acionar as máquinas, motores e outros processos produtivos. No topo da pirâmide, destaca-se a informatização ligada ao setor corporativo da empresa. 12 Prof. Geomar M. Martins
  13. 13. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 1.6 - Divisão Hierárquica de um Processo de Automação Industrial Nível 1: Chão de fábrica (Máquinas, dispositivos e componentes) Na base da pirâmide tem-se o nível responsável pelas ligações físicas da rede ou o nível de E/S. Neste nível encontram-se os sensores discretos, as bombas, as válvulas, os contatores, os CLPs e os blocos de E/S. O principal objetivo é o de transferir dados entre o processo e o sistema de controle. Estes dados podem ser binários ou analógicos e a comunicação pode ser feita horizontalmente (entre os dispositivos de campo) e verticalmente, em direção ao nível superior. É neste nível, comumente referenciado como chão de fábrica, que as redes industriais têm provocado grandes revoluções. Ex.: linha de montagem e máquina de embalagens. Figura 1.7 - Nivel chão de fábrica. 13 Prof. Geomar M. Martins
  14. 14. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Nível 2: Supervisão e Controle (IHMs) É o nível dos controladores digitais, dinâmicos e lógicos e de algum tipo de supervisão associada ao processo. Concentra as informações sobre o nível 1. Ex.: Sala de supervisão. Figura 1.8 – Nível do controle. Nível 3: Controle do Processo Produtivo Permite o controle da planta, sendo constituído por bancos de dados com informações dos índices de qualidade da produção, relatórios e estatísticas de processo, índices de produtividade e etc. Ex.: avaliação e controle da qualidade em processo alimentício e supervisão de laminadores. Nível 4: Controle e Logística dos Suprimentos É o nível responsável pela programação e pelo planejamento da produção. Ex.: controle de suprimentos e estoques em função da sazonalidade. Nível 5: Gerenciamento Corporativo É o nível responsável pela administração dos recursos da empresa. Do ponto de vista da comunicação das informações, no topo da pirâmide encontrase o nível de informação da rede (gerenciamento). Este nível é gerenciado por um computador central que processa o escalonamento da produção da planta e permite operações de monitoramento estatístico da planta sendo implementado, na sua maioria, por softwares gerenciais/corporativos. 14 Prof. Geomar M. Martins
  15. 15. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial No nível imediatamente abaixo, localiza-se a rede central, a qual incorpora os DCSs (Sistemas de Controle Discreto) e PCs. A informação trafega em tempo real para garantir a atualização dos dados nos softwares que realizam a supervisão da aplicação. Uma das dificuldades dos primeiros processos de automação industrial baseava-se no “ilhamento” das informações dentro do seu respectivo nível da pirâmide. Poucas informações fluíam do nível de supervisão e controle para o nível de controle discreto e praticamente nenhuma informação fluía para o topo da pirâmide, onde se encontram os softwares de gerenciamento da empresa. Nos projetos de automação modernos as informações fluem entre todas as camadas. Esta característica é tão importante para as indústrias, hoje em dia, que muitas delas estão atualizando suas plantas industriais, ou incorporando novas tecnologias em sistemas antigos (conhecido por RETROFIT). 1.10 A visão crítica ao automatizar processos As principais motivações para a automação de um processo industrial são a redução do custo, a melhoria da qualidade do produto e a realização de tarefas que são danosas ao ser humano (tarefas repetitivas ou que exigem grande esforço físico, ambientes perigosos ou insalubres). Quase sempre os dois primeiros motivos são os que movem os processos de automação. A automação é capaz de manter o homem no domínio da situação no que se refere à produção industrial, porém numa posição mais confortável. O homem, nessa situação, necessita cada vez mais usar o seu cérebro e cada vez menos seus músculos. Porém essa mudança faz com que os profissionais necessitem cada vez mais se especializar, buscando competências para o desenvolvimento de suas atividades. A reconversão, isto é, a adaptação a novos postos de trabalho e a qualificação profissional são condições primordiais. Embora a automação seja um processo irreversível na sociedade e o fator custo X benefício, calcado no aumento do lucro das empresas, o grande definidor do emprego da tecnologia, é fundamental que empresários e engenheiros tenham uma visão das conseqüências sociais que um processo de automação pode trazer: • A automação quase sempre gera desemprego; • A automação requer um profissional cada vez mais qualificado; Em países em desenvolvimento o governo não possui uma infra-estrutura para atender a população desfavorecida; O “sonho” propalado da automação era que ela traria melhor qualidade de vida para toda a sociedade, reduzindo a carga horária de trabalho para possibilitar ao ser humano um convívio mais harmonioso entre si e a natureza. Este sonho tem se esbarrado na boca voraz do capitalismo selvagem que infelizmente, sem a força de um governo forte, é incapaz de dividir as riquezas acumuladas para o bem de toda a sociedade. 15 Prof. Geomar M. Martins
  16. 16. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial O papel de preparar esse novo profissional é das escolas que deve contar com o apoio das indústrias, porém com a velocidade que ocorrem as mudanças tecnológicas, não é permitido ao profissional estar sempre num ambiente escolar para sua preparação. Então, o que fazer? A conclusão que se chega é que o profissional cada vez mais terá que se autodesenvolver, provendo o seu próprio conhecimento, não só na área tecnológica, mas também em outras áreas, de modo mais amplo, como: economia, sociologia, comércio exterior, qualidade, relações humanas, meio ambiente, etc. Cabe ao engenheiro e aos empresários a visão crítica diante dos processos de automação. Mais importante do que retardar um processo inevitável talvez seja criar condições para que o bem final possa ser melhor repartido entre todos. 1.11 Tendências da automação Tecnologia Wireless: de lenta, cara e insegura tornou-se mais rápida e econômica. Chips de menor capacidade residirão inteligência diretamente em sensores e atuadores – softwares serão parte do produto. Controles baseados em PLC ou PC serão obsoletos e caros. A propriedade da solução tecnológica será medida em meses em vez de anos Sistemas microeletromecânicos serão usados para miniaturizar sensores, atuadores, motores, engrenagens displays para equipamentos digitais. 1.12 O mercado atual da automação no Brasil Conforme dados da ABINEE, vistos nas tabelas abaixo, o faturamento da área da automação industrial cresceu cerca de 25% no período entre o primeiro semestre de 2006 e o de 2007. As exportações neste período chegaram a US$ 132 milhões e é um mercado em expansão, ao contrário de outros, como é o caso das telecomunicações que retrai cerca de 21% no período pesquisado. 16 Prof. Geomar M. Martins
  17. 17. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Fonte: Revista Abinee – Agosto/2007 Fonte: Revista Abinee – Agosto/2007 Bibliografia do Capítulo Moraes e Castrucci, Engenharia de Automação Industrial, livro. Editora LTC, São Paulo, 2007. WEB: http://www.senaiformadores.com.br/Cursos/01/ WEB: http://www.amarcato.ufjf.br/eletrica/automacao/arquivos/Automacaocapitulo1.pdf 17 Prof. Geomar M. Martins
  18. 18. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial UNIDADE II – Controlador Lógico Programável - CLP 2.1 Introdução Antes do surgimento dos Controladores Lógicos Programáveis (CLP’s), as tarefas de comando e controle de máquinas e processos industriais eram feitas por relés eletromagnéticos, especialmente projetados para este fim. O controle baseado em relés exigia modificações na fiação, no caso de alterações no processo automatizado, e em muitos casos isso se tornava inviável, sendo mais barato substituir todo o painel por um novo. O CLP revolucionou os comandos e controles industriais desde seu surgimento na década de 70. 2.2 Histórico O primeiro CLP surgiu na indústria automobilística americana até então um usuário em potencial dos relés eletromagnéticos utilizados para controlar operações seqüenciadas e repetitivas numa linha de montagem, especificamente na Hydromic Division da General Motors, em 1968, devido a grande dificuldade existente para alterar-se a lógica de controle de painéis de comando a cada mudança na linha de montagem. Estas mudanças implicavam 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. Os primeiros controladores surgiram baseados numa especificação resumida a seguir: • • • • • • • • Facilidade de programação; Facilidade de manutenção com conceito plug-in; Alta confiabilidade; Dimensões menores que painéis de Relês, para redução de custos; Envio de dados para processamento centralizado; Preço competitivo; Expansão em módulos; Mínimo de 4000 palavras na memória. A grande vantagem dos controladores programáveis era a possibilidade de reprogramação, permitindo transferir as modificações de hardware em modificações de software. 18 Prof. Geomar M. Martins
  19. 19. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Nascia, assim, a indústria de controladores programáveis, hoje com um mercado mundial estimado em 4 bilhões de dólares anuais, e que no Brasil é estimado em 50 milhões de dólares anuais (dados de 2005). Com o sucesso do uso dos CLPs na indústria, a demanda por novas funções e maior capacidade aumentou consideravelmente. Evolução A primeira geração de CLP’s utilizava componentes discretos como transistores e circuitos integrados (CI’s) com baixa escala de integração. A partir da década de 70, os equipamentos cresceram em poder de processamento, número de entradas e saídas (I/O), e novas funções foram incorporadas. Ainda usavam lógica discreta e só eram empregados na indústria, pois eram caros para outras aplicações (p. ex. automação predial). O advento do microprocessador (ainda na década de 70) permitiu a diminuição nos custos e tamanho dos controladores e eles passaram a se chamar Controladores Lógicos Programáveis (CLPs), com o aumento do poder de processamento e confiabilidade. Na década de 80, surgiram as redes locais para comunicação de dados entre CLPs e entre estes e os computadores (Morais e Castrucci, 2001). A tendência atual é a utilização de pequenos CLPs controlando processos locais e comunicando-se com outros CLPs e outros sistemas supervisórios descentralizando-se o processo industrial. Assim, evita-se que uma pane interrompa toda a planta. Com a diminuição dos custos, os CLPs passaram a ser empregados em outros campos como a automação predial (controle de iluminação, alarme, ambiência: ventilação, temperatura e umidade, etc.). Nos países desenvolvidos, a automação residencial desponta como uma aplicação para pequenos CLPs, esbarrando nos custos e na previsão de fiação e tubulação adequada. Neste caso, a comunicação pode ser feita via rádio ou usando a própria rede elétrica (que é uma tendência forte para os próximos anos). Conclui-se que desde o seu aparecimento até hoje, muita coisa evoluiu 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 utiliza 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 no nível de software aplicativo, os controladores programáveis podem se tornar compatíveis com a adoção da 19 Prof. Geomar M. Martins
  20. 20. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial norma IEC 1131-3, que prevê a padronização da linguagem de programação e sua portabilidade. Outra novidade que está sendo incorporada pelos controladores programáveis é o fieldbus (barramento de campo), que surgiu como uma proposta de padronização de sinais ao nível de chão-de-fábrica. Este barramento diminui sensivelmente o número de condutores usados para interligar os sistemas de controle aos sensores e atuadores, além de propiciar a distribuição da inteligência por todo o processo. Hoje os CLP’s oferecem um considerável número de benefícios para aplicações industriais, que podem resultar em economia que excede o custo do CLP e devem ser considerados na seleção de um dispositivo de controle industrial. Linha do Tempo Década de 60 - aumento de competitividade na industria, melhoria das linhas de produção. 1968 – Divisão Hydramatic (GM) define especificações de projeto para um PLC. 1969 – Bedford Associates (Modicon) desenvolve primeiro PLC, chamado MODICON 084. Dick Morley é considerado o pai do PLC. Figura 2.1 – O CLP Modicon 084 e Dick Morley 1972 - PLCs incorporam funções de Temporização e Contagem. 1973- The "084" é melhorado e re-introduzido como "184". A força de trabalho aumentou de 80 para 170 empregados e as vendas atingem US$5 million. São introduzidas: Operações Aritméticas, manipulação de dados e comunicação com computadores. 1974 - Comunicação com Interfaces Homem-Máquina. 1975 - Modicon lança o "284", o primeiro controlador com um microprocessador e controle distribuído e o "384, o primeiro PLC com algoritmos digitais para controle contínuo (PID). Maior capacidade de memória. 1979 - Companhia introduz Modbus, a primeira rede de comunicações industrial, permitindo o interfaceamento de computadores e controladores. Graças a sua confiabilidade, Modbus se torna um padrão industrial. 20 Prof. Geomar M. Martins
  21. 21. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 1979/1980 Módulos de I/O remotos, módulos inteligentes e controle de posicionamento. 1981 Comunicação em rede. 1982 Aparecimento dos primeiros minis e micros PLCs. Anos 90s ocorre uma gradual redução em novos protocolos e a modernização das camadas fisicas dos protocolos mais populares dos anos 80. 1993 – É introduzido o padrão internacional IEC 1131-3 com a finalidade de unificar as linguagens de programação dos PLCs. 2000 - É criada a Automação Web para supervisão remota de processos com produção automatizada. A solução integra PLCs e outros componentes em uma arquitetura aberta usando a Ethernet e os protocolos Internet para conectar via Web. 2.3 Características e vantagens Basicamente, um Controlador Lógico 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; compatibilidade com diferentes tipos de sinais de entrada e saída; 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 CLP’s através de rede de comunicação. De acordo com (Natale, 2003, p.11), o CLP “É um computador com as mesmas características conhecidas do computador pessoal, porém, [é utilizado] em uma aplicação dedicada [...]” na automação de processos em geral, e no comando numérico computadorizado (CNC) realiza a automação da manufatura. Definição segundo a ABNT O CLP é um equipamento eletrônico digital com hardware e software compatíveis com aplicações industriais. Definição segundo a Nema (National Electrical Manufactures Association) 21 Prof. Geomar M. Martins
  22. 22. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para armazenamento interno de instruções para implementações específicas, como lógica, seqüenciamento, temporização, contagem e aritmética, para controlar, através de módulos de entradas e saídas, vários tipos de máquinas ou processos. Um CLP é um equipamento eletrônico digital que tem por objetivo implementar funções específicas de controle e monitoração sobre variáveis de uma máquina ou processo. De forma geral, os controladores lógicos programáveis (CLPs) são equipamentos eletrônicos de última geração, utilizados em sistemas de automação flexível. Estes permitem desenvolver e alterar facilmente a lógica para acionamento das saídas em função das entradas. Desta forma, pode-se utilizar inúmeros pontos de entrada de sinal para controlar pontos de saída de sinal (cargas). As vantagens da utilização dos CLP's, comparados aos outros dispositivos de controle industrial, são: • • • • • • • • • menor espaço ocupado; menor Potência elétrica requerida; reutilização; programável: maior confiabilidade; fácil manutenção; maior flexibilidade; permite interface através de rede de comunicação com outros CLP’s e microcomputadores; projeto mais rápido. Todos estes aspectos mostram a evolução da tecnologia, tanto de hardware quanto de software, o que permite acesso a um maior número de pessoas nos projetos de aplicação de controladores programáveis e na sua programação. Porém, conforme Georgini (2000): “Constantes atualizações dos produtos agregam valores e reduzem o custo das soluções baseadas em PLCs, o que exige do profissional uma atualização contínua por intermédio de contato com fabricantes e fornecedores, sendo a internet uma ótima opção.” 2.4 Aplicações O controlador programável automatiza processos industriais, de seqüenciamento, intertravamento, controle de processos, batelada, etc. Este equipamento tem seu uso na área de automação da manufatura e de processos contínuos. Praticamente não existem ramos de aplicações industriais onde não se possa aplicar os CP’s. Por exemplo: 22 Prof. Geomar M. Martins
  23. 23. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial • • • • • • 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 e controle PID; aquisição de dados de supervisão em: fábricas, prédios inteligentes, etc; bancadas de teste automático de componentes industriais. Com a tendência dos CLP’s terem baixo custo, muita inteligência, facilidade de uso e massificação das aplicações, este equipamento pode ser utilizado nos processos e nos produtos. Poderemos encontrá-lo em produtos eletrodomésticos, eletrônicos, residenciais e veículos. 2.5 Constituição de um CLP Um CLP é constituído por módulos de entrada e de saída (hardware) onde as funções disponíveis podem ser programadas em uma memória interna (software), através de uma linguagem de programação que possui um padrão internacional chamado IEC 11313, uma fonte de alimentação e uma CPU (Unidade Central de Processamento). Cada unidade que compõe um CLP é responsável pelo seu funcionamento. Figura 2.2 – Constituição de um CLP As configurações oferecidas pelos diversos fabricantes de CLPs podem ser divididas em duas formas básicas: a) Compacta – onde a CPU e todos os módulos de entrada e saída (E/S) estão no mesmo rack. Um CLP deste tipo pode atender cerca de 80% das aplicações de automação mais comuns. 23 Prof. Geomar M. Martins
  24. 24. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial b) Modular – onde a CPU e cada um dos módulos de E/S se encontram separados e são montados de acordo com a configuração exigida. Figura 2.3 – Aspecto físico de um CLP modular O diagrama de blocos abaixo representa a estrutura básica de um controlador programável com todos os seus componentes. São estes componentes que irão definir a configuração do CLP. 2.5.1 CPU Segundo Moraes e Castrucci (p.31, 2001), a CPU é “responsável pela execução do programa do usuário, atualização da memória de dados e memória-imagem das entradas e saídas”. Inicialmente com a segunda geração de CLP (barramento de dados, endereço e controle), a CPU era constituída por um microcontrolador. A opção por microcontroladores baseava-se pelo custo-benefício, facilidade de manuseio, e também pela baixa complexidade dos softwares. Com exceção dos CLPs de pequeno porte, em geral, eles apresentam um microprocessador na forma de um CI dedicado. A CPU é o cérebro do sistema. Atualmente, é constituída por microprocessador ou microcontrolador de 8, 16 ou 32 bits e, em CP´s maiores, um co-processador adicional para aumentar a capacidade de processamento em cálculos complexos com aritmética de ponto flutuante, uma memória RAM e uma memória Flash EPROM ou E2PROM (para backup do programa). A maioria dos fabricantes de CP´s especificam os tempos de varredura como função do tamanho do programa (p.ex. 10 ms/1k de programa), e situam-se na faixa de 0,3 à 10 ms/k, caracterizando a existência de CP´s rápidos e lentos. 2.5.2 Memórias As memórias podem ser divididas em dois grupos conforme a função: Memória de Dados: também conhecida como memória de rascunho. Serve para armazenar temporariamente os estados de E/S, marcadores de presets de temporizadores/contadores e valores digitais para que a CPU possa processa-los. A cada ciclo de varredura a memória de dados é atualizada. Geralmente é uma memória do tipo RAM. Memória de Usuário: serve para armazenar as instruções do software aplicativo e do usuário (programas que controlam a máquina ou a operação do processo), que são 24 Prof. Geomar M. Martins
  25. 25. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial continuamente executados pela CPU. Pode ser memória RAM, EPROM, NVRAM ou FLASH-EPROM. 2.5.3 Terminal de Programação (TP) Pode ser outro computador dedicado usado para elaborar os programas que serão usados no CLP. Em geral, usa-se um computador pessoal (PC) com um software emulador do TP dedicado. 2.5.4 Interface Homem-Máquina (IHM) É responsável pela comunicação do operador com o sistema para atuar em variáveis do processo (tais como temperatura, pressão, etc.) sem que se interfira com o programa ou que se entenda ele. Existe uma enorme gama de IHMs: displays de uma ou dezenas de linhas ou gráficos, de acordo com a aplicação e necessidade. 2.5.5 Portas de Comunicação (TER e AUX) Permitem a comunicação da CPU com o TP (TER) e da CPU com a IHM (AUX). 2.5.6 Interface para Comunicação em Rede Permite a comunicação do CLP com outros CLPs e com um PC. É colocada no lugar de um dos módulos de E/S ou em uma parte específica da CPU. O tipo de interface e o cabo utilizado irão definir o padrão físico e o protocolo de rede. Ex.: MPI ou PPI (point to point), MODEBUS, FIELDBUS, PROFIBUS. Comunicação Serial: é a mais comumente utilizada e é feita utilizando-se simples cabos de par trançado. Os padrões mais utilizados são o RS232C, loop de corrente 20 mA e o RS-422/RS-485 em alguns casos. RS-232C: é empregada para velocidades de transmissão de até 20k baud (bits/s) e distância máxima de 15 metros, que se utilizada com modems, pode ser aumentada. RS-422/RS-485: é uma versão melhorada do padrão RS-232C. Ela possibilita o emprego de velocidades de transmissão de até 100k baud para distâncias de até 1200 m, podendo alcançar velocidades da ordem de Mbaud para distâncias menores. Loop de Corrente 20 mA: é idêntica à RS232C, e como é baseada em níveis de correntes ao invés de tensões, permite o emprego de distâncias bem maiores. Muitos CLP´s oferecem ambos os padrões: RS-232C e loop de corrente. 2.5.7 Blocos de Entrada/Saída São responsáveis pela aquisição de dados de variáveis do processo e acionamento de dispositivos físicos como relés, sinalizadores, etc. O acesso a esta interface pode ocorrer por bornes, blocos de bornes ou cabos e conectores. 25 Prof. Geomar M. Martins
  26. 26. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial As entradas e saídas de um CLP podem ser divididas em duas categorias: as analógicas e digitais. Na figura abaixo são ilustrados estes dois modelos de interfaces I/O (Daher, 2003). Figura 2.4 - Interfaces de I/O digitais e analógicas. Na entrada, o módulo aceita as tensões usuais de comando (24 Vcc, 110/220 Vca) que chegam e as transforma em tensões de nível lógico aceitos pela CPU. As entradas analógicas são referentes aos dispositivos que trabalham com grandezas analógicas, como por exemplo, temperatura, umidade relativa, pressão, entre outras. Para que a CPU trabalhe com esses valores analógicos é necessário que essas entradas sejam convertidas usando conversores A/D (analógico para digital). O módulo de saída comuta as tensões de controle fornecidas, necessárias para acionar vários dispositivos conectados. O isolamento é feito através de opto-acopladores ou transformadores (isolamento galvânico). As entradas e saídas são organizadas por tipos e funções, e agrupadas em grupos de 2, 4, 8, 16 e até 32 “pontos” (ou circuitos) por interface (cartão eletrônico) de E/S. Os cartões são normalmente do tipo de encaixe e, configuráveis, de forma a possibilitar uma combinação adequada de pontos de E/S, digitais e analógicas. A quantidade máxima de pontos de E/S, disponíveis no mercado de CP´s, pode variar de 16 a 8192 pontos normalmente, o que caracteriza a existência de pequenos, médios e grandes CP´s. 2.5.8 Fonte de alimentação A alimentação de energia do CLP utiliza uma fonte chaveada e uma única tensão de saída de 24 V. Esse valor já é utilizado com a finalidade de alimentar os módulos de entrada e saída de dados e a CPU ao mesmo tempo. Outra característica importante é que normalmente as máquinas industriais, funcionam com essa tensão por ser bem menos suscetível a ruídos. Outro ponto destacável, é que essa tensão já é compatível com o sistema de comunicação RS-232. Como foi visto, o CLP é formado por uma fonte de alimentação, uma CPU, e interfaces de I/O, porém pode-se considerá-lo como uma pequena caixa contendo centenas ou milhares de relês separados, tais como contadores, temporizadores e locais de armazenamento de dados, conforme o diagrama da figura 2.5 (Silva Filho, 2000). Na 26 Prof. Geomar M. Martins
  27. 27. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial verdade o que ocorre é que o CLP simula essas funcionalidades, utilizando os registradores internos da CPU, Figura 2.5 - Funcionalidades de um CLP. onde: • Relês de entrada (contatos): Conectados com o mundo externo. Existem fisicamente e recebem sinais de interruptores, sensores etc. Normalmente não são relês e sim transistores munidos de isolamento óptico. No caso do CLP TP-02 da WEG Automação, o símbolo na linguagem LADDER que representa este tipo de relé é a letra “X”; • Relês de utilidade interna (contatos): Não recebem sinais do mundo externo e não existem fisicamente. São relês simulados que permitem eliminar relês de entrada externos (físicos). Também há alguns relês especiais que servem para executar só uma tarefa, como relês de pulso, temporizadores etc. Outros são acionados somente uma vez durante o tempo no qual o CLP permanece ligado e tipicamente são usados para inicializar dados que foram armazenados. No caso do CLP TP-02 o símbolo na linguagem LADDER que representa este tipo de relê é a letra “C”; • Contadores (Counters): Estes não existem fisicamente. São contadores simulados e podem ser programados para contar pulsos. Normalmente, estes contadores podem contar para cima (incrementar), ou abaixo (decrementar), ou ambos. Considerando que são simulados, os contadores estão limitados na velocidade de contagem. Alguns fabricantes também incluem contadores de alta velocidade baseados em hardware, podendo ser considerados como fisicamente existentes. • Temporizadores (Timers): Estes também não existem fisicamente. O mais comum é o tipo com “Retardo no Ligamento”. Outros incluem “Retardo no desligamento” e tipos retentivos e não-retentivos. Os incrementos variam de um mili-segundo até um segundo; • Relês de saída: Estes possuem conexão com o mundo externo e existem fisicamente. Enviam sinais de ON/OFF a solenóides, luzes, etc., podem ser transistores, Relês ou Triacs, dependendo do modelo de CLP. No caso do CLP TP02, o símbolo na linguagem LADDER que representa este tipo de relé é a letra “Y”; 27 Prof. Geomar M. Martins
  28. 28. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial • 2.5.9 Armazenamento de dados: Normalmente há registros designados simplesmente para armazenar dados. Eles são usados como armazenamento temporário para manipulação matemática ou de dados. Podem ser usados quando houver ausência de energia no CLP. Classificação Embora uma classificação de CLP´s devesse levar em conta a combinação de vários aspectos tais como número de pontos de E/S, capacidade de memória, comunicação, recursos de software e programação, etc., para propósitos práticos, pode-se considerar a seguinte classificação: Micro e Mini CLP´s, CLP´s de pequeno porte, CLP´s de médio porte e CLP´s de grande porte. Uma classificação, em função do número de E/S, aceita, é apresentada na tabela 2.1. Tabela 2.1 – Classificação dos CLPs PORTE No. de PONTOS Micro +/- 20 Mini +/- 180 Pequeno +/- 400 Médio Até 3000 Grande Acima de 3000 Considerando um CLP do tipo compacto, uma configuração mínima para o equipamento poderia ser a seguinte: 16 entradas digitais, 12 a 16 saídas digitais, 8 entradas analógicas, 1 a 2 saídas analógicas, 4 entradas de contagem de baixa velocidade (500 Hz), 2 contadores de 10 a 40 kHz, centenas de memórias (flags), contadores e temporizadores. 2.5.10 Especificação A especificação de um CLP pode ser feita em função do número de sensores e atuadores necessários. Ainda deve-se conhecer o nível elétrico dos sinais envolvidos, tanto na entrada como na saída. 2.6 Estrutura de Programação O princípio de funcionamento de um CLP é semelhante ao de todo sistema microprocessado, baseando-se em três passos: Com a partida, o CLP executa as seguintes tarefas: 1ª.) Transfere os sinais existentes na interface de entrada para a memória de dados (RAM). 2ª.) Inicia a varredura do software aplicativo armazenando-o na memória de dados. Dentro deste ciclo, executará todas as operações que estavam programadas no sofware aplicativo, como intertravamentos, habilitação de temporizadores/contadores, armazenagem de dados processados na memória de dados, etc... 28 Prof. Geomar M. Martins
  29. 29. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 3ª.) Concluída a varredura do software aplicativo, o CP transfere os dados processados (resultados das operações lógicas) para a interface de saída. Paralelamente, novos dados provenientes da interface de entrada irão alimentar a memória de dados. A figura 2.6 ilustra o ciclo de operação de um CLP (Silva Filho, 2000). Figura 2.6 – Ciclo de processamento O programa completo para o controle do sistema é armazenado em uma área de memória denominada Programa do Usuário. Divide-se o programa em partes chamadas Blocos. Os Blocos podem ser identificados por letras e números. Usa-se uma linguagem de programação regulamentada pela norma IEC 1131-3, que permite escrever o programa em cinco representações diferentes, que serão vistos a seguir. 2.7 Aspectos de Software Além do número de pontos de E/S, o que determina a utilização de um CLP são os recursos de software disponíveis, ou seja, quais funções podem ser executadas. Todos os CLP´s possuem as seguintes funções básicas de software: - Lógica E, OU e XOR; - SET e RESET; - Temporização e contagem; - Cálculos com aritmética básica (+, -, x, %); - Parênteses (para associação de lógicas); - Comparação de valores; - Registrador de deslocamento; - Salto. Estas funções são detalhadas no capítulo 4. 29 Prof. Geomar M. Martins
  30. 30. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial A medida que os CLP´s tem sua capacidade de processamento aumentada, surge a necessidade de funções de software mais avançadas, tais como: - Cálculos com ponto flutuante; - Cálculos integrais e trigonométricos; - Malha de controle PID; - Posicionamento; - Contagem rápida; - Leitura de sinais analógicos; - Linearização de sinais analógicos; - Lógica fuzzy; - Outros. Algumas destas funções são abordadas no capítulo 5. 2.8 Linguagens de Programação A programação traduz as funções a serem executadas. Para isso, ela deve ser a mais simples possível. A linguagem de programação é baseada na memotécnica, e através de uma linguagem específica, que usa abreviações, figuras e números, se torna acessível a todos os níveis tecnológicos, principalmente aos técnicos e engenheiros (lógica de relés). Hoje, a linguagem de programação é padronizada segundo a norma IEC 1131-3 (estabelecida em 1993) e visa atender tanto os conhecimentos da época do relé, ditos comandos elétricos, onde os sistemas eram automatizados fazendo-se uso destes, como os conhecimentos da era digital, onde os sistemas são automatizados usando-se CLPs. No primeiro caso, adequa-se a representação da linguagem pelos diagramas de contatos, e no segundo, a representação pelos diagramas lógicos da tecnologia digital, ou ainda a representação matemática. Existem diferentes formas de representação para a mesma linguagem e que são detalhadas na seção 3.2, desta apostila: 2.9 Terminologia A linguagem de programação dos CLP´s consiste de um conjunto de termos comumente usados, cujo entendimento se faz necessário e que são descritos a seguir. Sensor Um sensor é um dispositivo que converte uma condição física em um sinal elétrico para uso pelo CLP. Os sensores são conectados na entrada de um CP. Ex.: um botão tipo pushbutton conectado na entrada do CLP envia um sinal elétrico indicando a condição (aberto/fechado) de seus contatos. 30 Prof. Geomar M. Martins
  31. 31. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 2.7 – Exemplo de um sensor lógico. Atuador O atuador converte um sinal elétrico proveniente do CLP em uma condição física. Os atuadores são conectados na saída do CLP. Ex.: uma chave de partida de motor elétrico conectada na saída do CLP irá partir ou parar o motor, conforme o sinal enviado para a saída do CLP. Figura 2.8 – Exemplo de um atuador. Entrada Discreta Também referida como entrada digital, é uma entrada que possui duas condições: ligada ou desligada. Exemplos: pushbuttons, chaves fim-de-curso, chaves seletoras, pressostatos, chave de nível, contatos de relés, chaves limitadoras e chaves de proximidade podem ser conectadas às entradas discretas do CLP. Na condição fechada ou ligada, a entrada pode ser referida como nível lógico 1 (um) ou alto. Na situação aberta ou desligada, esta entrada pode ser referida como nível lógico 0 (zero) ou baixo. 31 Prof. Geomar M. Martins
  32. 32. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 2.9 – Representação de diversos tipos de contato nas entradas do CLP. No exemplo da figura 2.10 usa-se uma chave tipo pushbutton com os contatos normalmente abertos - NA (ou em inglês Normally Open – NO). Um dos lados da chave é conectado na primeira entrada do CLP e o outro lado é conectado em uma fonte de 24 Vcc. No estado aberto, não existe tensão presente na entrada do CLP, caracterizando a condição desligado. Quando a chave é pressionada, aplica-se 24 Vcc na entrada do CLP, caracterizando a condição ligado. Figura 2.10 – Funcionamento de uma chave tipo pushbutton. Entrada Analógica Caracteriza-se por um sinal contínuo aplicado na entrada. Valores típicos podem variar de 0 a 20 mA ou 0 a 10 V. Ex.: um transmissor de nível monitora o nível de líquido em um tanque. Dependendo de sua condição, o nível deve ser informado ao CLP através de um sinal proporcional à variação do líquido. 32 Prof. Geomar M. Martins
  33. 33. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 2.11 – Exemplo de Entrada Analógica Entre os sensores que podem ser aplicados estão os transdutores de tensão e corrente, temperatura, pressão, potenciômetros e etc. Normalmente, os CLPs do tipo compacto possuem um ou dois circuitos conversores Analógico/Digital, A/D, e um determinado número de canais de entrada (4, 8 ou 16) multiplexado. Deve-se configurar a entrada, informando qual o canal a ser lido e que tipo de sinal elétrico que é usado na entrada. Os sinais elétricos padronizados apresentam um dos formatos, vistos na tabela 2.2. Tabela 2.2 – Formato dos sinais analógicos padronizados Tipo de Sinal Valor mínimo Valor máximo Tensão 0 10 V Corrente 0 20 mA Corrente 4 20 mA Em ambiente industrial, prefere-se o terceiro padrão, em função da possibilidade de rompimento do cabo que conduz o sinal desde o ponto onde está instalado o sensor até o CLP. C L P Grandeza Fisica Sensor Transdutor d = 50 m EA Figura 2.12 – Aplicação de entrada analógica Saída Discreta É uma saída que pode assumir duas condições: ligada ou desligada. Solenóides, bobinas contatoras, alarmes, sinaleiros, bobinas de relés, contactoras e lâmpadas são exemplos de atuadores conectados a uma saída discreta ou digital. No exemplo abaixo, uma lâmpada pode ser ligada ou desligada pela saída do CLP à qual está conectada. 33 Prof. Geomar M. Martins
  34. 34. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 2.13 – Exemplo de uma saída discreta As saídas digitais dos CLPs podem se apresentar sob duas formas: saídas à relé e saídas à transistor. Nas saídas à relés deve-se limitar a corrente e instalar fusíveis para a proteção do circuito, considerando o nível máximo de tensão aplicada. Podem ser usadas para acionar diretamente atuadores, desde que respeitado o limite de corrente. No CLP TP02 da WEG tem-se saídas agrupadas de 2 A, 250 V. Já, no micro-CLP CLIC da WEG, as saídas são individuais de 10 A, 250 V. As saídas à transistor possuem baixos limites de corrente e tensão (da ordem de 300 mA, 24 V, para os CLPs TP02). Deve ser observada a polaridade dos componentes no circuito. Comparativamente, as saídas à transistor possuem uma vida útil e velocidade muito maiores do que as saídas à relé e ocupam espaços menores. Cartões com relés possuem no máximo 8 saídas, enquanto nos cartões com transistor, chega-se a 32 saídas. Para compensar os pequenos sinais de saída a transistor, pode-se acoplar cartões com micro-relés, conforme a figura 2.14. + 24 V Figura 2.14 – Esquema de um micro-relé. Saída Analógica Uma saída analógica possui um sinal que pode variar continuamente. A saída pode ser tão simples como um nível de 0 a 10 Vcc para acionar um medidor analógico (de velocidade, peso ou temperatura), como em situações mais complexas, tais como um 34 Prof. Geomar M. Martins
  35. 35. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial transdutor pneumático de corrente que controla uma válvula de controle de fluxo operada à ar, válvulas proporcionais ou até mesmo o acionamento de motores. Figura 2.15 – Exemplo de uma saída analógica. Da mesma forma que ocorre com as entradas analógicas, a saída também exige a configuração do canal, em função do CLP compacto possuir normalmente um conversor Digital/Analógico (D/A) e vários canais de saída multiplexados. 2.10 – O micro–CLP Outra tendência de mercado atual é o uso de pequenos CLPs para controlar processos locais ou tarefas simples, os quais se comunicam com outros CLPs e Sistemas Supervisórios formando uma rede de automação. Isto é, em aplicações nas quais é necessário automatizar um processo com poucos passos de programação, bem como com poucas entradas e saídas. Diversos fabricantes entraram nesse mercado através do lançamento de CLPs de pequeno porte, de programação simples e baixo custo. A figura 2.16 ilustra o Micro-CLP CLIC, da WEG, o qual constitui um exemplo clássico desse equipamento. Figura 2.16 – O Clic - Microcontrolador Programável. 2.11 - Considerações de projeto Para adequar um Controlador Lógico Programável (CLP) a um sistema ou a uma máquina é necessário verificar o número de pontos de entrada, o número de pontos de 35 Prof. Geomar M. Martins
  36. 36. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial saída, a velocidade de processamento e os tipos de entradas e saídas (sensores e atuadores) necessários à aplicação. De fato, os Controladores Lógicos Programáveis, como todas as ferramentas de automação, estão em constante desenvolvimento, no sentido da redução de custos, da dimensão física, do aumento da velocidade, da facilidade de comunicação, e também no aperfeiçoamento interfaces mais amigáveis. A flexibilidade dos CLPs indica que, as alterações lógicas podem ocorrer com grande facilidade, sem que sejam necessárias alterações do Hardware ou inclusão de componentes eletrônicos ou elétricos. Esta é a principal característica dos sistemas de automação flexíveis e o que faz dos CLPs ferramentas de grande aplicação nas estruturas de automação. Além da linguagem de contatos, existem outras formas de programação características de cada fabricante. Pode-se concluir então que os projetos de automação e controle envolvendo CLPs reduzem o trabalho de desenvolvimento de Hardware dos circuitos lógicos do acionamento, bem como os dispositivos e potência para acionamento de cargas e dos atuadores, uma vez que é possível escolher módulos de saída já prontos, adequados ao tipo de carga que se deseja acionar. A utilização do CLP contempla, por conseguinte, alguns passos genéricos: • Definição da função lógica a ser programada; • Transformação desta função em programa assimilável pelo CLP; • Implementação física do controlador e de suas interfaces com o processo. Bibliografia do Capítulo WEG Indústrias, “Automação de Processos Industriais”. Apostila do Curso módulo III. Jaraguá do Sul, SC, 2006. Georgini, Marcelo, “Automação Aplicada – Descrição e Implementação de Sistemas Seqüenciais com PLCs”, Livro. Editora Érica, São Paulo, 2000. Natale, Ferdinando, “Automação Industrial”. Livro, Ed. Érica, São Paulo, 2003. Moraes e Castrucci, Engenharia de Automação Industrial, livro. Editora LTC, São Paulo, 2007. Revista ABINEE - Nº 42 - Agosto/2007. DEXTER, “Curso de Automação Industrial”. Apostila do Curso, 2001. WEB: http://www.amarcato.ufjf.br/eletrica/automacao/arquivos/Automacaocapitulo1.pdf acessada em outubro de 2006. Carrilho, Eduardo, “Material de aula da disciplina Automação de Sistemas e Instrumentação Industrial”, Curso de engenharia elétrica no IME, São Paulo. Web: http://aquarius.ime.eb.br/~aecc/Automacao/index.html, acessada em maio de 2007. SENAIFORMADORES, 2005. Fundamentos de Automação Industrial – TUTORIAL, url: WEB: http://www.senaiformadores.com.br/Cursos/01/, acessada em outubro de 2006. 36 Prof. Geomar M. Martins
  37. 37. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial UNIDADE III – Lógica e Linguagem de Programação 3.1 Introdução Na execução de tarefas ou resolução de problemas com dispositivos microprocessados se faz necessária a utilização de uma linguagem de programação, através da qual o usuário se comunica com a máquina. A linguagem de programação é uma ferramenta necessária para gerar o programa, que vai coordenar e sequenciar as operações que o microprocessador deve executar. CLASSIFICAÇÃO ⇒ Linguagem de baixo nível ⇒ Linguagem de alto nível A - LINGUAGEM DE BAIXO NÍVEL Linguagem de Máquina É a linguagem corrente de um microprocessador ou microcontrolador, onde as instruções são escritas em código binário (bits 0 e 1). Para minimizar as dificuldades de programação usando este código, pode-se utilizar também o código hexadecimal, como vistos nos exemplos abaixo. Código Binário Endereço 0000000000000000 0000000000000001 0000000000000010 0000000000000011 0000000000000100 0000000000000101 0000000000000111 0000000000001000 0000000000001001 0000000000001010 0000000000001011 0000000000001111 0000000000010000 0000000000010001 Código Hexadecimal Conteúdo 00111110 10000000 11010011 00011111 00100001 00000000 01111110 00100011 10000110 00111111 00000001 11011010 00000000 11011010 Endereço 0000 0001 0002 0003 0004 0005 0006 0007 0008 0009 000A 000B 000C 000D Conteúdo 3E 80 D3 1F 21 00 10 7E 23 86 27 D3 17 3F Cada item do programa chama-se linha ou passo e representa uma instrução ou dado a ser operacionalizado. 37 Prof. Geomar M. Martins
  38. 38. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Linguagem Assembler Na linguagem assembler o programa é escrito com instruções abreviadas, chamadas mnemônicos. Endereço 0000 0002 0004 0007 0008 0009 000A 000B 000D 000F 0012 0013 0015 Conteúdo MVI A,80H OUT 1FH LXI ,1000H MOV A,M INX H ADD M DAA OUT 17H MVI A,1H JC 0031H XRA A OUT 0FH HLT Cada microprocessador ou microcontrolador possui estruturas internas diferentes, portanto seus conjuntos de registros e instruções também são diferentes. B - LINGUAGEM DE ALTO NÍVEL É uma linguagem próxima da linguagem corrente utilizada na comunicação de pessoas. Compiladores e Interpretadores Quando um microcomputador utiliza uma linguagem de alto nível, é necessária a utilização de compiladores e interpretadores para traduzirem este programa para a linguagem de máquina. PROGRAMA COMPILADOR OU INTERPRETADOR 1111 0000 0101 0100 Vantagem: Elaboração de programa em tempo menor, não necessitando conhecimento da arquitetura do microprocessador. 38 Prof. Geomar M. Martins
  39. 39. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Desvantagem: Tempo de processamento maior do que em sistemas desenvolvidos em linguagens de baixo nível. Exemplos de linguagens de alto nível: Pascal, C, Fortran, Cobol, etc. 3.2 Programação de CLPs De maneira geral, o programa do CLP é um conjunto de expressões booleanas. As expressões são avaliadas uma a uma seqüencialmente a cada ciclo de varredura, e o resultado correspondente é armazenado na memória intermediária do CLP. Ao terminar a avaliação, a parte da memória intermediária correspondente às saídas é copiada nas saídas. Normalmente programa-se um controlador através de um software que possibilita a sua apresentação ao usuário em diferentes formas: A norma IEC 1131-3 define as seguintes linguagens de programação: • Linguagens Gráficas - Diagramas de Funções Seqüenciais (Sequential Function Chart – SFC) - evolução do graphcet francês. - Diagramas de Contatos (Ladder Diagram – LD) - programação como esquemas de relés. - Diagramas de Blocos de Funções (Function Block Diagram – FBD) - blocos lógicos representando portas “E”, “OU”, “Negação”, “Ou exclusivo”, etc. • Linguagens Textuais - Lista de Instruções (Instruction List – IL) - Texto Estruturado (Structured Text – ST) - linguagem que vem substituir todas as linguagens declarativas tais como linguagem de instruções, BASIC estruturado e inglês estruturado. Esta linguagem é novidade no mercado internacional e é baseada no Pascal. A linguagem mais difundida é o diagrama de contatos (Ladder), devido à semelhança com os esquemas elétricos usados para o comando convencional e a facilidade de visualização nas telas de vídeo dos programadores (CRT). O software pode apresentar-se de forma linear, onde o programa é varrido desde a primeira até a última instrução, não importando-se com a necessidade ou não de ser executada uma parte do programa. É uma característica dos processadores mais simples (Bit Processor). Por outro lado, na programação estruturada, um programa principal é lido, e conforme a sequência de eventos, os blocos de programa e funções são executados. Uma grande vantagem está na otimização do software, que oferece a possibilidade de utilização de subrotinas e subprogramas. Alguns CLPs possibilitam a apresentação do programa do usuário em uma ou mais formas, enquanto alguns softwares de programação permitem migrar de uma linguagem 39 Prof. Geomar M. Martins
  40. 40. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial para outra, como, p. ex., de Ladder para Lista de Instrução, de Ladder para Diagrama Lógico e vice-versa. Cabe ressaltar que cada um dos métodos de representação tem suas propriedades e limitações não sendo universal a intercambialidade entre eles. Por ex., um programa escrito em IL nem sempre pode ser escrito em LAD ou FBD. As vantagens e desvantagens de cada uma das formas de linguagem de programação são dependentes dos conhecimentos do programador. A - Diagramas de Contatos Segundo Moraes e Castrucci, (2001), a Linguagem Ladder ou a “Linguagem de Diagrama de Contatos (LADDER Diagram)” ou Diagrama de Relés ou Diagrama Escada, originou-se dos diagramas elétricos em LADDER (Escada), cuja origem provém da Lógica de Relês. Esta forma gráfica de apresentação está muito próxima à normalmente usada em diagramas elétricos, como visto abaixo. Exemplo: E1 S1 E2 ------| |------| |--------------------------( )-----E3 ------| |-------------A linguagem Ladder será detalhadamente estudada na seção 3.5. B - Diagrama de Blocos Lógicos Mesma linguagem utilizada em lógica digital, onde sua representação gráfica é feita através das chamadas portas lógicas. Exemplo: I 0.0 >=1 & Q 0.0 Q 0.0 I 0.2 I 0.4 Q 0.2 >=1 & Q 0.2 I 0.6 40 Prof. Geomar M. Martins
  41. 41. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial C - Lista de Instrução Linguagem semelhante à utilizada na elaboração de programas para computadores. Exemplo : :A :A :O :A :A := I 1.5 I 1.6 I 1.4 I 1.3 Q 3.0 ( I 1.5 . I 1.6 ) + ( I 1.4 . I 1.3 ) = Q 3.0 3.3 Análise das Linguagens de Programação A análise das linguagens tem por objetivo contribuir na escolha de um sistema que melhor se adapte as necessidades de cada usuário. Esta análise se deterá nos seguintes pontos: - Quanto à forma de programação; - Quanto à forma de representação; - Documentação; - Conjunto de Instruções. Quanto à Forma de Programação Programação Linear - programa escrito escrita em único bloco. Programação Estruturada - Estrutura de programação que permite: - Organização; - Desenvolvimento de bibliotecas de rotinas utilitárias para utilização em vários programas; - Facilidade de manutenção; - Simplicidade de documentação e entendimento por outras pessoas além do autor do software. Permite dividir o programa segundo critérios funcionais, operacionais ou geográficos. Quanto à Forma de Representação • • • Diagrama de Contatos; Diagrama de Blocos; Lista de Instruções. 41 Prof. Geomar M. Martins
  42. 42. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Documentação A documentação é mais um recurso do editor de programa que de linguagem de programação. De qualquer forma, uma abordagem neste sentido torna-se cada vez mais importante, tendo em vista que um grande número de profissionais estão envolvidos no projeto de um sistema de automação que se utiliza de CLPs, desde sua concepção até a manutenção. Quanto mais rica em comentários, melhor a documentação que normalmente se divide em vários níveis. Conjunto de Instruções É o conjunto de funções que definem o funcionamento e aplicações de um CLP. Podem servir para mera substituição de comandos a relés: - Funções Lógicas; - Memorização; - Temporização; - Contagem. como também manipulação de variáveis analógicas: - Movimentação de dados; - Funções aritméticas. Se funções complexas de algoritmos, comunicação de dados, interfaces homem-máquina, podem ser necessárias: - Saltos controlados; - Indexação de instruções; - Conversão de dados; - PID; - sequenciadores; - aritmética com ponto flutuante; etc. 3.4 Normalização Existe a tendência de utilização de um padrão de linguagem de programação onde será possível a intercambiabilidade de programas entre modelos de CLPs e até de fabricantes diferentes. Esta padronização está de acordo com a norma IEC 1131-3 e se torna possível utilizando-se o conceito de linguagem de alto nível onde, através de um compilador, podese adaptar um programa para a linguagem de máquina de qualquer tipo de microprocessador, ou seja, um programa padrão pode servir tanto para o CLP de um fabricante A como de um fabricante B. A grande vantagem de se ter o software normalizado é que em se conhecendo um, conhece-se todos, economizando em treinamento e garantindo que, por mais que um fornecedor deixe o mercado, nunca se ficará sem condições de crescer ou repor equipamentos. 42 Prof. Geomar M. Martins
  43. 43. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 3.5 Linguagem de Relés e Blocos (Ladder) Os diagramas de contato são uma forma de programação de CLPs por meio de símbolos gráficos, representando contatos (contacts) e bobinas (coils). Pelo fato de utilizar a lógica de relé é a linguagem de programação de CLP mais simples de ser assimilada por quem já tenha conhecimento de circuitos de comando elétrico. Compõe-se de vários circuitos dispostos horizontalmente, com a bobina na extremidade direita, alimentados por duas barras verticais laterais. Por esse formato é que recebe o nome de ladder (ou escada, em português). Existe uma linha vertical de energização a esquerda e outra linha a direita. Entre estas duas linhas existe a matriz de programação formada por xy células, dispostas em x linhas e y colunas. No exemplo abaixo tem-se um caso de 32 células, dispostas em 4 linhas e 8 colunas. Barra de energia esquerda Barra de energia direita No exemplo acima, cada conjunto de 32 células é chamado de uma lógica do programa aplicativo. As duas linhas laterais da lógica representam barras de energia entre as quais são colocadas as instruções a serem executadas. As instruções podem ser contatos, bobinas, temporizadores, etc. A lógica deve ser programada de forma que as instruções sejam “energizadas” a partir de um “caminho de corrente” entre as duas barras, através de contatos ou blocos de funções interligados. Entretanto, o fluxo de “corrente elétrica” simulado em uma lógica flui somente no sentido da barra de energia esquerda para a direita, diferentemente dos esquemas elétricos reais. As células são processadas em colunas, iniciando pela célula esquerda superior e terminando pela célula direita inferior. Cada célula pode ser ocupada por uma conexão (“fio”), por um bloco (relé de tempo, operação aritmética,etc), ou ainda por um contato ou bobina. Cada uma das linhas horizontais é uma sentença lógica onde os contatos são as entradas das sentenças, as bobinas são as saídas e a associação dos contatos é a lógica. Os contatos e bobinas são conectados por ligações (links) em ramos (rungs) como num diagrama de lógica a relé. As ligações são os “fios” de interconexão entre as células da lógica Ladder (contatos, bobinas e blocos de funções). Podemos ter ligações na horizontal, na vertical, e 43 Prof. Geomar M. Martins
  44. 44. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial ainda uma ligação negada (inversora). As ligações horizontais e verticais simplesmente conectam saídas de células as entradas de outras células. Já a ligação negada inverte o sinal na sua entrada, como mostrado abaixo: A ligação negada recebe energia no terminal esquerdo... NEG ... e inverte este pulso em sua saída. Pode-se observar a diferença entre uma ligação negada (que inverte o valor binário em sua entrada) com a chave NF, que abre a ligação entre sua entrada e sua saída quando a bobina associada a ela é energizada. As expressões booleanas calculadas a cada ciclo de varredura do CLP correspondem à avaliação lógica seqüencial do diagrama de contatos. Contatos Um contato é representado abaixo, associado à variável booleana A, interna ao CLP, e suas ligações. A --||-Os contatos são usados como acesso ao estado de uma variável interna no cálculo de expressões booleanas. Contato normalmente aberto Contato normalmente fechado Contato sensível à transição positiva A --||-A --|/|-A --|P|-- O estado da ligação à direita é copiado para a ligação à esquerda se o estado de A é verdadeiro. Caso contrário, o estado da ligação à direita é falso. O estado da ligação à direita é copiado para a ligação à esquerda se o estado de A é falso, caso contrário, o estado da ligação à direita é verdadeiro. O estado da ligação à direita é verdadeiro por um ciclo de varredura se o estado da ligação à esquerda é verdadeiro e uma transição positiva da variável A é Detectada. Exemplo: 44 Prof. Geomar M. Martins
  45. 45. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial energizada Bobina acionadora do contato desenergiza fechado Contato NA aberto fechado Contato NF aberto Entrada do relé P (lado esquerdo) Saída do relé de pulso P (lado direito) 1 ciclo do CLP P ou PLS Bobinas Uma bobina é representada abaixo, associada a uma variável booleana Q. Q --( )-As bobinas alteram os estados das variáveis associadas. Bobina Normal Bobina Negativa Bobina Latch (Set) Bobina Latch (Reset) Bobina Sensível à Transição positiva Q --( )-Q --()-Q --(S)-Q --(R)-Q --(P)-- O estado da ligação da esquerda é copiado para a variável Q e para a ligação à direita. O estado da ligação à esquerda é copiado para a ligação à direita, e a negação do estado da ligação à esquerda é copiada para a variável Q. O estado de Q passa para verdadeiro quando a ligação à esquerda vai para verdadeiro, e não se altera em caso contrário. O estado de Q passa para falso quando a ligação à direita vai para verdadeiro, e não se altera em caso contrário. O estado de Q passa para verdadeiro por um ciclo de varredura cada vez que a ligação à esquerda vai de falso para verdadeiro. 45 Prof. Geomar M. Martins
  46. 46. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial A bobina Normal recebe energia no terminal esquerdo Nos terminais da bobina Q A bobina recebe energia no terminal esquerdo Nos terminais da bobina SET S A bobina recebe energia no terminal esquerdo Nos terminais da bobina RESET R A bobina simples comporta-se como uma contactora comum, ou seja, quando energizada aciona seus contatos. Já, as bobina SET e RESET funcionam como uma contactora com retenção, ou seja, um pulso nesta bobina aciona ou desaciona a contactora, respectivamente (como em um flip-flop R-S). Todos os contatos associados a uma bobina são acionados quando esta bobina é energizada. As bobinas podem ser associadas às saídas digitais do CLP, e os contatos podem ser associados às entradas digitais. Assim, ao energizar uma entrada o contato associado a ela é acionado (se for um contato NA ele se fechará; se for um contato NF irá abrir). Já, ao energizar uma bobina associada a uma saída do CLP faz-se com que esta saída seja ativada (feche o contato do relé de saída, por exemplo). No ladder, cada operando (nome genérico dos contatos e bobinas) é identificado com um endereço da memória à qual se associa no CLP. Esse endereço aparece no ladder com um nome simbólico para facilitar a programação e é arbitrariamente escolhido pelo fabricante como visto nos exemplos da tabela 3.1. 46 Prof. Geomar M. Martins
  47. 47. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Tabela 3.1 – Variáveis de alguns CLPs associadas ao endereçamento. MODELO Entrada Saída Digital Digital Entrada Saída BIT Analógi Analógi AUX. ca ca PALA VRA PALAVRA CONTADOR DO /TEMPORI SISTEMA ZADOR 90-70 90-30 90-20 90-MICRO SLC-500 %I1 a %I... %Q1 a %Q... %AI %AQ1 %M1 a a a %M... %AI... %AQ.. %T1 a . %T... %R1 a %R... %S %Rx x x+1 x+2 I:SLOT. PONTO I:1/0 a I:... O:SLOT .PONTO O:1/0 a O:... I:SLOT. PONTO I:3.0 a I:3.... O:SLOT B3:0/0 .PONTO a B3:... O:3.0 a O:3.... N7:0 a N7:... S: R6:0 a R6:... T4:0 a T4:... C5:0 a C5:... ALTUS AL500 - M0 %M %M FESTO FPC101 FPC103 II0 a II3 ou IU0 a IU3 OU0 e OU1 M0 a M... %M0 a%M.. R0 a R64 - PICOLLO R60 a R... %S2.0 a %S... O0.0 a O... - ALTUS R0 a R... %E0.0 a %E... I0.0 a I... FABRICAN TE GEFANUC ALLEN BRADLEY A0 a A... %A0.0 a %A... F0.0 a F15.15 %M0 FW0 a FW15 T0 a T31 C0 a C15 Outros tipos de endereçamento: 125/04 ( 1 = entrada, 2 = gaveta, 5 = número do cartão ou módulo, 04 = número do ponto ), 013/01 ( 0 = saída, 1 = número da gaveta, 3 = número do módulo, 01 = número do ponto ). O estado de cada operando é representado em um bit correspondente na memória imagem: este bit assume nível 1 se o operando estiver acionado e 0 quando desacionado. * As bobinas acionam o seu endereço. Enquanto uma bobina com endereço de saída estiver acionada, um par de terminais no módulo de saída será mantido em condição de condução elétrica. * Os contatos se acionam pelo endereço que os identifica. Os contatos endereçados como entrada são acionados enquanto seu respectivo par de terminais no módulo de entrada é acionado: fecham-se se forem NA e abrem-se se forem NF. 3.6 Desenvolvimento do Programa LADDER Após a definição da operação de um processo onde são geradas as necessidades de seqüenciamento e/ou intertravamento, esses dados e informações são passados sob forma de diagrama lógico, diagrama funcional ou matriz de causas e efeitos e a partir daí o programa é estruturado. O fluxograma abaixo mostra os passos para a automação de um processo ou equipamento. 47 Prof. Geomar M. Martins
  48. 48. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial INICIO DEFINIÇÃO PONTOS DE E/S OPERANDOS ELABORAÇÃO USUÁRIO DO PROGRAMA TESTE DO PROGRAMA USUÁRIO NÃO FUNCIONA? ALTERAÇÕES DO PROGRAMA SIM INSTALAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS E LIBERAÇÃO PARA USO FIM Figura 3.1 – Diagrama em blocos para desenvolver um programa em ladder. Além disso, existem algumas regras impostas na linguagem Ladder. Por exemplo, as bobinas devem ocupar somente a última coluna a direita. Abaixo, tem-se a ordem de execução das células em uma lógica Ladder. 1 5 9 13 17 21 25 29 2 6 10 14 18 22 26 30 3 7 11 15 19 23 27 31 4 8 12 16 20 24 28 32 48 Prof. Geomar M. Martins
  49. 49. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Um programa aplicativo pode ser composto de várias lógicas Ladder. Além disso, um módulo de configuração permite especificar parâmetros do CLP, como modelo, velocidade de ciclo, endereço do CLP na rede de comunicação, etc. Exemplo: Como a lógica de diagrama de contatos do CLP assemelha-se à de relés, para que um relê seja energizado, necessita de uma continuidade elétrica, estabelecida por uma corrente elétrica. ALIMENTAÇÀO + - CH1 K1 Figura 3.2 – Circuito Elétrico de acionamento de acionamento de uma contatora. Ao ser fechada a CH1, a bobina K1 será energizada, pois será estabelecida uma continuidade entre a fonte e os terminais da bobina. O programa equivalente do circuito anterior, na linguagem ladder, será o seguinte. E1 S1 Figura 3.3 – Equivalente em Ladder de acionamento de uma contatora. Analisando os módulos de entrada e saída do CLP, quando o dispositivo ligado à entrada digital E1 fechar, este acionará o contato E1, que estabelecerá uma continuidade de forma a acionar a bobina S1, consequentemente o dispositivo ligado à saída digital S1 será acionado. Uma prática indispensável é a elaboração das tabelas de alocação dos dispositivos de entrada/saída. Esta tabela, exemplificada abaixo, é constituída do nome do elemento de entrada/saída, sua localização e seu endereço de entrada/saída no CLP. DISPOSITIVO PSL - 100 TT - 400 FS SV LOCALIZAÇÃO Topo do tanque pressurizado 2 Saída do misturador Saída de óleo do aquecedor Ao lado da válvula FV400 49 ENDEREÇO E1 EA1 E2 S1 Prof. Geomar M. Martins
  50. 50. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial O contato NF é um contato de negação ou inversor. O exemplo abaixo mostra sua aplicação no programa anterior substituindo o contato NA por um NF. E1 S1 Figura 3.4 – Acionamento de uma contatora por um contato inversor. Analisando os módulos de entrada e saída, quando o dispositivo ligado à entrada digital E1 abrir, este desacionará o contato E1, este por ser NF estabelecerá uma continuidade de forma a acionar a bobina S1, consequentemente o dispositivo ligado à saída digital S1 será acionado. O gráfico lógico referente aos dois programas apresentados anteriormente é mostrado a seguir. ESTADO LÓGICO ESTADO LÓGICO 1 1 E1 E1 0 0 T T 1 1 S1 S1 0 0 T T CIRCUITO UTILIZANDO E1 NORMALMENTE ABERTO CIRCUITO UTILIZANDO E1 NORMALMENTE FECHADO Figura 3.5 – Diagramas temporais Com relação ao que foi exposto acima sobre os contatos endereçados como entrada, os que tiverem por finalidade acionar ou energizar uma bobina deverão ser do mesmo tipo do contato externo que aciona seu respectivo ponto no módulo de entrada. Já, os que forem usados para desacionar ou desenergizar uma bobina devem ser de tipo contrário do contato externo que os aciona. Para ligar Para desligar Se a chave externa for NA NF NA NF o contato no ladder deve ser NA NF NF NA Percebe-se que pode ser usada uma chave externa de qualquer tipo, desde que no ladder se utilize o contato de tipo conveniente. Mesmo assim, por questão de segurança, não se deve utilizar chave externa NF para ligar nem NA para desligar. 50 Prof. Geomar M. Martins
  51. 51. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 3.7 Associação de Contatos no Ladder e Lógica Combinacional No ladder, associam-se contatos para criar as lógicas booleanas com a saída. 3.7.1 ESTADOS LÓGICOS Pode-se fazer uma correlação entre os circuitos digitais e o acionamento (comando) de dispositivos físicos, como por exemplo, uma lâmpada. Figura 3.6 – Circuito Elétrico de acionamento de uma lâmpada. CORRELAÇÃO: 0 desligado 1 ligado baixo alto falso verdadeiro não sim Em 1854, George Boole apresentou a teoria matemática das proposições lógicas, definindo os conceitos da Álgebra de Boole. OPERAÇÕES LÓGICAS A relação entre duas ou mais variáveis que representam estados binários é estabelecida por meio de três operações lógicas: - Produto lógico (função E); - Soma lógica (função OU); - Inversão (função NÃO). TABELA VERDADE Permite escrever todas as combinações possíveis dos estados lógicos de todas as variáveis de uma função, incluindo o estado lógico resultante de cada combinação. 3.7.2 PORTAS LÓGICAS a) PORTA INVERSORA (NOT) 51 Prof. Geomar M. Martins
  52. 52. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial É uma porta com apenas um sinal de entrada e um sinal de saída, o qual assumirá sempre valores lógicos complementares ao sinal de entrada. Executa a função lógica da inversão booleana. TABELA DA VERDADE: A 0 1 S 1 0 CIRCUITO ELÉTRICO EQUIVALENTE: Figura 3.7 – Circuito elétrico equivalente para uma porta inversora. DIAGRAMA LADDER: Figura 3.8 – Diagrama ladder para uma porta inversora. b) PORTA “E” (AND) Os contatos em série executam a lógica E, pois a bobina só será acionada quando todos os contatos estiverem fechados. A porta lógica “E” possui dois ou mais sinais de entrada, mas somente um sinal de saída. De acordo com o operador lógico “E”, todas as entradas devem estar no nível lógico “1”(Vcc) para que se obtenha um nível lógico “1”(Vcc) na saída da porta lógica. TABELA DA VERDADE: A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 52 S 0 0 0 1 Prof. Geomar M. Martins
  53. 53. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial CIRCUITO ELÉTRICO EQUIVALENTE: Figura 3.9 – Circuito elétrico equivalente para uma porta E. DIAGRAMA LADDER: Figura 3.10 – Diagrama ladder para uma porta E. Exemplo: E1 E2 E3 S1 Figura 3.11 – Associação de contatos em série em ladder. A saída S1 será acionada quando: E1 estiver acionada E E2 estiver não acionada E E3 estiver acionada ou em álgebra booleana: S = E1 * E2 * E3 c) PORTA “OU” (OR) A lógica OU é conseguida com a associação paralela, acionando a saída desde que pelo menos um dos ramos paralelos estejam fechados. A porta lógica “OU” possui dois ou mais sinais de entrada, mas somente um sinal de saída. De acordo com o operador lógico “OU”, pelo menos uma das entradas deve estar no nível lógico “1”(Vcc) para que se obtenha um nível lógico “1”(Vcc) na saída da porta lógica. 53 Prof. Geomar M. Martins
  54. 54. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial TABELA DA VERDADE: A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 S 0 1 1 1 CIRCUITO ELÉTRICO EQUIVALENTE: Figura 3.12 – Circuito elétrico equivalente para uma porta OU. DIAGRAMA LADDER: Figura 3.13 – Diagrama ladder para uma porta OU. Exemplo: E1 S1 E2 E3 Figura 3.14 – Associação de contatos em paralelo em ladder. Assim, a saída S1 será acionada se E1 for acionada OU E2 não for acionada OU E3 for acionada. o que equivale a lógica booleana: S1 = E1 + E2 + E3 54 Prof. Geomar M. Martins
  55. 55. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial d) PORTA “NÃO E” (NAND) A porta lógica “NÃO E” tem dois ou mais sinais de entrada e apenas um sinal de saída, que só será baixo se todos os sinais de entrada forem altos. Como o próprio nome diz a porta “NÃO E” é uma composição das portas “NÃO” e “E”. TABELA DA VERDADE: A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 S 1 1 1 0 CIRCUITO ELÉTRICO EQUIVALENTE: Figura 3.15 – Circuito elétrico equivalente para uma porta NÃO E. DIAGRAMA LADDER: Figura 3.16 – Diagrama ladder para uma porta NÃO E. e) PORTA “NÃO OU” (NOR) A porta “NÃO OU” tem dois ou mais sinais de entrada e apenas um sinal de saída, que só será alto se todos os sinais de saída forem baixos Como próprio nome diz a porta lógica “NÃO OU” é uma composição das portas “NÃO” e “OU”. TABELA DA VERDADE: A 0 B 0 55 S 1 Prof. Geomar M. Martins
  56. 56. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 0 1 1 1 0 1 0 0 0 CIRCUITO ELÉTRICO EQUIVALENTE: Figura 3.17 – Circuito elétrico equivalente para uma porta NÃO OU. DIAGRAMA LADDER: Figura 3.18 – Diagrama ladder para uma porta NÃO OU. f) PORTA “OU EXCLUSIVA” (XOR) A porta lógica “OU EXCLUSIVA” é um circuito lógico tal que, para cada combinação dos sinais de entrada, o sinal de saída será nível lógico “1”(alto) se e somente se tivermos um NÚMERO ÍMPAR de entradas em nível lógico “1”(alto). Em virtude de sua grande utilidade prática, o circuito lógico que gera a saída “OU EXCLUSIVA” passou a ser considerado como porta lógica. A função lógica “OU EXCLUSIVA” não possui simplificação. TABELA DA VERDADE: A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 S 0 1 1 0 CIRCUITO ELÉTRICO EQUIVALENTE: 56 Prof. Geomar M. Martins
  57. 57. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Figura 3.19 – Circuito elétrico equivalente para uma porta OU EXCLUSIVA. DIAGRAMA LADDER: Figura 3.20 – Diagrama ladder para uma porta OU EXCLUSIVA. g) LÓGICAS MISTAS As associações mistas criam condições mais complexas como a do exemplo a seguir. E1 E S1 E Figura 3.21 – Associação mista de contatos em ladder. Neste caso a saída S1 é acionada quando: E3 for acionada & E1 for acionada OU E3 for acionada & E2 não for acionada Em lógica booleana: S1= E3 * (E1 + E2) 57 Prof. Geomar M. Martins
  58. 58. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial EXERCÍCIOS 1- Desenvolver um simples programa em lógica LADDER que ligue uma saída “X” se as entradas “A” e “B”, ou a entrada “C” está ligada. 2- Desenvolver um programa aplicativo para uma partida direta de um motor com sinalização de ligado, desligado e sobrecarga. 3- Desenvolver um programa aplicativo para uma partida direta de um motor com inversão do sentido de rotação. 4- Desenvolver um programa em LADDER para um sistema de segurança para um carro. Quando a porta do carro estiver aberta ou o cinto de segurança não usado, a ignição não pode ser dada. Se todas as condições forem satisfeitas, então a chave irá dar a partida no motor. 5- A lógica LADDER da figura abaixo é para uma porta “AND” ou “OR”? 58 Prof. Geomar M. Martins
  59. 59. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial 3.8 SISTEMAS COMBINATÓRIOS Sistemas combinatórios resultam da combinação de portas lógicas básicas, sendo que a saída é uma combinação das variáveis de entrada. CIRCUITO – EQUAÇÃO – TABELA A partir de um circuito (lógica de contatos ou portas lógicas) pode-se obter a equação Booleana e a seguir, a tabela verdade. Exemplo: a) Dado o circuito dado: Coloca-se na saída de cada porta a equação correspondente. No final, a expressão Booleana sai automaticamente. b) Expressão Booleana obtida: S = BC + A (B + C ) c) Tabela verdade A 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 C 0 1 0 1 0 1 0 1 S 0 1 1 1 0 0 0 1 d) Circuito com lógica de contatos 59 Prof. Geomar M. Martins
  60. 60. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial EQUAÇÃO – TABELA – CIRCUITO Pode-se partir da equação Booleana para montar a tabela verdade e montar o circuito correspondente. Exemplo: a) Dada a equação Booleana: S = A(B + C ) + A B b) Tabela verdade, obtida a partir da equação A 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 C 0 1 0 1 0 1 0 1 A(B + C ) 0 0 0 0 1 1 0 1 B +C 1 1 0 1 1 1 0 1 AB 0 0 1 1 0 0 0 0 S 0 0 1 1 1 1 0 1 c) Traçado do circuito – feito por partes, a partir de cada parte da expressão e obtendo a porta correspondente, até se obter a expressão formada. d) Circuito com lógica de contatos: 60 Prof. Geomar M. Martins
  61. 61. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial TABELA – EQUAÇÃO – CIRCUITO Existem dois métodos para se obter a função Booleana: – Método da soma dos produtos; – Método do produto das somas. 1 – Método da soma dos produtos Obtém-se a função Booleana na forma canônica disjuntiva, ou seja, a função é expressa num somatório de produtos (chamados mintermos) que contém todas as variáveis, com ou sem barra, da função. Ex.: Dada a tabela: A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 F 1 1 0 1 (a) (b) (c) Passo 1 – Toma-se as proposições cujas saídas assumem o estado lógico 1. Passo 2 – Realiza-se o produto das variáveis que compõem a função, “barrando” aquelas a que são atribuídas nível lógico 0. (a) A B (b) A B (c) AB Passo 3 – Realiza-se a soma de todas elas, compondo a saída “F”. F = A B + A B + AB 61 Prof. Geomar M. Martins
  62. 62. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial Passo 4 – Se necessário, simplifica-se a função. F = A (B + B ) + AB F = A + AB F = ( A + A) × ( A + B ) F = A+B Finalmente, o circuito em lógica de contatos: 2 – Método do produto das somas Obtém-se a função Booleana na forma canônica conjuntiva, isto é, a função é expressa num produto de uma soma (maxtermos) que contém todas as variáveis, com ou sem barra, da função. Ex.: Dada a tabela anterior: A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 F 1 1 0 1 (a) Passo 1 – Toma-se as proposições cujas saídas assumem o estado lógico 0. Passo 2 – Realiza-se a soma das variáveis que compõem a função, “barrando” aquelas a que são atribuídas nível lógico 1. (a) A + B Passo 3 – Realiza-se o produto de todas elas, compondo a saída “F”. F = A+B Passo 4 – Se necessário, simplifica-se a função. F = A+B Finalmente, o circuito em lógica de contatos: 62 Prof. Geomar M. Martins
  63. 63. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial TEOREMAS ÚTEIS DA ALGEBRA BOOLEANA A+0=A A.1=A A+1=1 A.0=0 A+A=A A.A=A A+A=1 A.A=0 A+A.B=A A . (A + B) = A A.B+A.B= A (A + B) . (A + B) = A A+A.B=A+B A . (A + B) = A . B A + B . C = (A + B) . (A + C) A . (B + C) = A . B + A . C A . B + A . C = (A + C) . (A + B) (A + B) . (A + C) = A . C + A . B A.B+A.C+B.C=A.B+A.C (A + B) . (A + C) . (B + C) = (A +B) (A + C) 63 Prof. Geomar M. Martins
  64. 64. ESP1009 – Princípios de Automação Industrial EXERCÍCIOS 1- Uma lâmpada, em uma instalação elétrica, deve ser comandada a partir de três pontos independentes. Construir um diagrama de contatos proveniente de uma tabela verdade para este fim. 2- O nível de um tanque de combustível deve ser mantido entre um valor máximo e mínimo, fornecidos por dois sensores de nível, S1 (NA - nível máximo) e S2 (NA nível mínimo). A bomba centrífuga usada para encher o tanque é ligada quando o sensor S2 estiver aberto e, desligada, quando o sensor S1 for ativado. Um interruptor L1 é usado para interromper manualmente este controle automatizado. Construir um diagrama de contatos para esta finalidade. 3- Em uma esteira são transportadas caixas de três tamanhos diferentes (tamanho 1, tamanho 2 e tamanho 3); As caixas passam por três sensores ópticos SZ1, SZ2 e SZ3 (barreira de luz); A operação inicia após ser pressionado um botão liga “I” e é interrompido pelo botão desliga “O”; A escolha do tamanho da caixa a ser selecionada é definida por uma chave seletora de três posições (contatos NA denominados S1, S2 e S3); Assim se for selecionado o tamanho 1, a esteira deve parar e ativar um sinaleiro H1 se for detectada uma caixa no tamanho 2 ou tamanho 3; Nesta situação a caixa no tamanho indesejado será retirada manualmente pelo operador, que deverá reiniciar a operação pressionando novamente o botão liga “I”; - Obs.: A esteira é acionada pelo motor de indução M1. 64 Prof. Geomar M. Martins

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