1. CONTROLADORES PROGRAMABLES
Professor : Jair Jonko Araujo

2. Sumario
 Tipos de industrias;
 Niveles de Control;
 Conceptos: SVC, SED, Clasificación de los
dispositivos;
 CLP: Histórico, componentes, funcionamiento,
clasificación, ejemplos;

3. Introducción – Conceptos Básicos

4. Tipos de Industria
 Manufactura
producir un bien cualquiera utilizando
herramientas o máquinas
(transformación mecánica a través de
sucesivas operaciones);
 Proceso
Conjunto de
operaciones/transformaciones realizadas
sobre un material, con la finalidad de
variar sus propiedades físicas/químicas.
Procesos pueden ser contínuos o
discontinuos (batch).

5. Niveles de control - Funciones
Gerenciamiento
COMUNICACIÓN
Supervisión
COMUNICACIÓN
La Zona de Control
COMUNICACIÓN
Sensores / Actuadores

6. Niveles de Control (1)

7. Niveles de Control (2)

8. Niveles de Control (3)
N ív e l
d e P la n ta
C ic lo
< 1 s
PC M E
1 2 3
CN C 4 5 6
7 8 9 H ost
0
N ív e l
d e C o n tro le
C ic lo
< 100 m s VM EPC
PLC DCS
N ív e l
de C am po
P R O F IB U S - D P
C ic lo
< 10 m s
D is p o s i t i v o D is p o s i t i v o
E /S Tra n s -
A c io n a d o r V á lv u la s de de
R e m o to m is s o r
C am p o C am po

9. Conceptos
 Control es “aplicación de una acción pre-
planeada para que aquello que se considera
como objeto de control alcance ciertos
objetivos” (Miyagi, 1996).
 Sistemas de control:
 SVC (sistemas de variables continuas)
igualar el valor de una variable física
(var. de control) a un valor de referencia;
 SED (Sistema de eventos discretos)
ejecución de operaciones conforme
procedimiento prestablecido.

10. Conceptos
Dispositivo de Control (SVC)
Variábles de
actuación
Regulador Actuador Objeto de
control
e d ser o a V
a c ner ef er
l
Detector
Señales de Variables controladas
i
realimentación
Dispositivo de Control (SED)
Comandos de Variables de
Control actuación
Procesador de Actuador Objeto de
Comandos control
aer at e d
s odna m C
o
Detector
Estados Variables controladas

11. Conceptos
Sistema de Control SED Recursos
Dispositivo de Dispositivo Dispositivo de
Comando de Actuación
Realización
Dispositivo de de Control Dispositivo de
Monitoreo Detección
l ort no C e d o e b O
o r a us U/ r odar e p O
Dispositivo de Control
t j
Sistema de Control
Productos
i

12. Conceptos
 Dispositivos de comando (E): botoneras, llaves
rotativas, etc;
 Dispositivos de actuación(S): contactores,
solenoides(válvulas), servo-motores, etc;
 Dispositivos de detección(E): llaves fin de
curso, potenciómetros, sensores, encoders, etc;
 Dispositivos de monitoreo(S): lámparas,
bocinas, displays, registradores, etc.
 Dispositivos de Realización: circuitos eléctricos,
CLPs, etc.

13. Dispositivos - Ejemplos

14. CLP – Controlador Lógico
Programable

15. Histórico
 Hasta el final de la década de 60 los sistemas
de control eran electromecánicos
(realizados para armarios/cuadros de relés);
 Ocupaban mucho espacio y eran de difícil
mantenimiento;
 Modificaciones en las líneas de producción
demandaban mucho tiempo y practicamente
exigían el montage de nuevos cuadros;
 En 1968 la GM (USA) lanzó una
especificación técnica de un nuevo dispositivo
de control.

16. Histórico
Requisitos de especificación:
 Fácil programación y mantenimiento
(reprogramación);
 Alta confiabilidad en el ambiente industrial
(vibración, calentamiento, polvo, etc.);
 Dimensiones reducidas;
 Capacidad de enviar datos a un Sistema
Central;
 Ser modular (expansible);
 Señales de E/S de 115VCA (2A mínimo
salida)

17. Histórico
 En 1969 surgieron los primeros controladores
 Eran muy simples apenas con E/S digitales;
 La fácil programación fue una de las claves
del éxito (basada en ladder);
 A lo largo de la década del 70 fueron siendo
introducidas nuevas funcionalidades
(temporización, computación numérica, etc.)
 A partir de la década de 80 las funciones de
comunicación fueron perfeccionadas

18. Histórico
 Hoy el PLC es un sistema microcontrolador
(microprocesador) industrial con software y
hardware adaptado para ambiente industrial
(especialmente ruído eletromagnético) con
muchas opciones de programación, con
capacidad de operar en red en diversos
niveles.

19. Componentes
Dispositivos
Placa Entrada
Fuente
Computador
Memoria
Comuni-
cación CPU
Barra-
mento Placa Salida
Dispositivos

20. Componentes
CPU
 Microcontrolador de 16/32 bits:
 Funciones:
 Comunicación entre las partes del PLC;
 Control de entradas y salidas;
 Ejecución;
 Operación de memoria;
 Check-ups internos.

21. Componentes
Memoria
 La memoria es divida en 2 grandes bloques:
 Memoria del Sistema
 Programa de Ejecución;
 Área de Borrador: flags, cálculos, alarmas, errores.
 Memoria del Usuario
 Programa del usuario (binario);
 Tabla de Datos: Mapa E/S, valor actual y pre-set de
contadores y temporizadores, variables de
programa.

22. Componentes
Módulos de E/S
 Pueden ser Discretos o Analógicos
 Discretos
 Cantidad de Puntos Disponibles
 AC, DC, Relé
 DC: Tipo P ou Tipo N
 Salida: necesidad de alimentación externa, fusibles
 Analógicos
 Número de Canales, Resolución del conversor A/D
 Faja de operación: 0-20mA, 4-20mA, 0-5V, 0-10V, +-
5V, +-10V, temperatura (termopar - J,E,K ... ,
termorresistencia – PT100, ...)

23. Funcionamiento
 Basado en procesamiento cíclico compuesto, de
forma simplificada, por 3 etapas visibles al usuario:
 Adquisición de las entradas;
 Procesamiento;
 Actualización de Salidas;
Comunicación y Mantenimiento del S.O
(Carga de módulos, actualización de timers, tratamiento de
interrupción, etc.)
X ms para cada 1000 instrucciones
1 ciclo con período de T segundos
Com. - Man. SO
Adquisición de Actualización de
Procesamiento
entradas Salidas

24. Funcionamiento
 Las etapas son distintas e independientes;
 El proceso se inicia después que las señales
de entrada son mostradas;
 Durante el proceso las entradas y salidas
permanecen inalteradas (cualquier alteración
de las E/S y estados internos solo puede
ocurrir fuera de este intervalo);
 Durante la actualización de las salidas los
valores de las entradas permanecen
inalterados

25. Funcionamiento
Una entrada debe permanecer accionada, como mínimo:
tiempo de varredura de las entradas + tiempo de procesamiento
LA

26. Características(ejemplo)

27. Clasificación
 Basada en el número de E/S (no
padronizado):
 Nano: hasta 50 puntos de E/S;
 Micro: hasta 250 puntos de E/S;
 Medio:hasta 1000 puntos de E/S;
 Generalmente asociado al aumento del
número de E/S están asociados aumentos de
los recursos de programación y disminución
de los tiempos de respuestas.

28. Ejemplos de Aplicaciones
 máquinas industriales (operadoras, inyectoras
de plástico, textiles, calzados);
 equipamientos industriales para procesos
( siderurgia, papel y celulosa, petroquímica,
química, alimentación, minería, etc);
 equipamientos para control de energia
(demanda, factor de carga);
 adquisición de datos de supervisión en:
fábricas, edificios;
 bancadas de test automático de componentes
industriales.

29. Ejemplos (modelos)

30. Norma IEC 61131

31. Introducción
 Las herramientas para programación de CLP
no evoluconarían a la misma velocidad que las
herramientas para programación de
computadores pues no presentan (aban):
 Facilidad de uso
 Portabilidad
 Interoperabilidad entre diferentes
productos
 Padrones de comunicación
La norma IEC 61131 busca llenar esta laguna

32. Norma IEC 61131
 Define la sintaxis y el comportamiento del
lenguage
 Provee un conjunto de lenguages interligados
para resolver diferentes problemas de control
 Mejora la calidad del software aplicado a
través de las técnicas de proyecto
estructurado, encapsulamiento de datos, etc.

33. Norma IEC 61131
 Part 1 – General Overview, definitions
 Part 2 – Hardware, I/O Signals, safety
requeriments, environment
 Part 3 – Programming Languages
 Part 4 –User Guidelines
 Part 5 – Messaging Service Specification

34. Norma IEC 61131 – parte 3
Principales características
 Programación estructurada y lenguage de alto
nivel para construcción de grandes programas
 Conjunto padronizado de instrucciones (en
inglés)
 Programación Simbólica
 Gran variedad de tipos de datos padronizados
 Funciones reutilizables pueden ser creadas
 Conjunto de funciones matemáticas
padronizadas disponibles (trigronométricas,
logaritmos, etc.)

35. La estrutura de la Norma IEC 61131-3
Elementos Comunes
Lenguages de Programación

36. La estructura de la Norma IEC 61131-3
Elementos Comunes
Lenguages de Programación

37. IEC 61131-3 : Elementos Comunes
ELEMENTOS COMUNES
1. Tipos de Datos y Variables
2. Modelo de Software
* Configuración, Recursos, Tareas
3. POUs (Unidades de Organización de Programa)
* Funciones
* Bloques de Función (FB’s)
* Programas

38. IEC 61131-3 : Elementos Comunes
ELEMENTOS COMUNES
1. Tipos de Datos y Variables
2. Modelo de Software
* Configuración, Recursos, Tareas
3. POUs (Unidades de Organización de Programa)
* Funciones
* Bloques de Función (FB’s)
* Programas

39. Variables y Tipos de Datos
Que es esto?
01010101 10101010
Históricamente
• Referencia a una posición física de memoria
• Referencia a una entrada física

40. Variables y Tipos de Datos
Sensor_Temperatura_1 : Integer
• Representación simbólica
• Área propia para mapeo de I/O
• Código independente de hardware
• Altamente transparente y comprensible
• Menos errores

41. Variables y Tipos de Datos

42. Representación de las Variables

43. IEC 61131-3 : Elementos Comunes
ELEMENTOS COMUNES
1. Tipos de Datos y Variables
2. Modelo de Software
* Configuración, Recursos, Tareas
3. POUs (Unidades de Organización de Programa)
* Funciones
* Bloques de Función (FB’s)
* Programas

44. IEC 61131-3 Modelo de Software
Configuración
Conjunto de software que define el
comportamiento de un hardware (CP) para
una aplicación específica
Función de Comunicación

45. IEC 61131-3 Modelo de Software
Configuración
Recurso Recurso
Soporte para la ejecución de un
programa, interface entre
programas y las E/S de
controlador
Función de Comunicación

46. IEC 61131-3 Modelo de Software
Configuración
Recurso Recurso
Task
Task Task Task
(Tarea)
un mecanismo de escalonamiento que ejecuta Programs o
function blocks periódicamente o en respuesta a un evento
(cambio de estado de alguna variable booleana),
permitiendo la ejecución de programas en diferentes tareas
Função de Comunicação
con objetivo de optimizar el uso de recurso del controlador

47. IEC 61131-3 Modelo de Software
 Tipos de Tareas (Task ):
 No preemptiva: siempre completa su
procesamiento
 Preemptiva: puede ser interrumpida por otra de
mayor prioridad
 Cualquiera puede ser activada cíclicamente,
por tiempo o por evento)
 Cada tarea se puede atribuir un período de
ejecución y una prioridad
 un Program o function block quedará aguardando
su ejecución hasta que sea asociado a una
determinada Tarea y esta sea activada por una
ejecución periódica o por un determinado evento

48. IEC 61131-3 : Elementos Comunes
ELEMENTOS COMUNES
1. Tipos de Datos y Variables
2. Modelo de Software
* Configuración, Recursos, Tareas
3. POUs (Unidades de Organización de Programa)
* Funciones
* Bloques de Función (FB’s)
* Programas

49. IEC 61131-3 Modelo de Software
Configuración
Recurso Recurso
Task Task Task Task
Program
Program Program
Program (Programa)
Camino de
Típicamente, un Program consiste de un número de bloques control de
ejecución
uncionales interconectados, capaces de intercambiar datos a
vés de las conecciones de software. Un Program puede anular
las variables de CLP y comunicar con otros Programs.
Função de Comunicação

50. IEC 61131-3 Modelo de Software
Programs ( Programas)
 pueden contener variables de acceso, las
cuales permiten el acceso remoto por los
servicios de comunicación.
 pueden contener instancias de bloques
funcionales, mas no de otros programas,
(no pueden ser aninhados)
 as instâncias de blocos funcionais de um
programa podem ser executadas por
diferentes tarefas de controle.

51. IEC 61131-3 Modelo de Software
Programs ( Programas)
 podem ser declarados somente no nível
do recurso.
 podem conter declarações de variáveis
de endereçamento direto
(endereçamento direto de pontos de E/S.
 podem conter declarações de variáveis
globais, as quais podem ser acessíveis
pelos Function Blocks através do uso de
variáveis externas.

52. IEC 61131-3 Modelo de Software
Configuração
Recurso Recurso caminho de
acesso a
CI de softwares. Possuem um conjunto de
Variável
dados que pode ser alterados por um Tarefa
Tarefa Tarefa Tarefa
algoritmo interno FB
Bloco de
Função’’
Programa Programa Programa Programa
Variável
FB FB FB FB
Caminho do
Variáveis globais e diretas
controle de
execução
Caminho de acesso
Função de Comunicação
Todo o mapeamento de memória pode ser acessado pelo gerenciador global de variáveis

53. IEC 61131-3 Modelo de Software
Functions Blocks (Blocos de Funções)
 podem ser utilizados para a criação de
elementos de software totalmente
reutilizáveis, desde a criação de outros
Function Blocks mais simples, até
Programs complexos.
 possuem um conjunto de dados, os quais
podem ser alterados por um algoritmo
interno (algoritmos + dados)
 podem ser escritos em qualquer
linguagem

54. IEC 61131-3 Modelo de Software
Functions Blocks (Blocos de Funções)
 Os dados possuem persistência (estados
internos que são mantidos entre uma
execução e outra)
 podem ser utilizados para a criação de
outros Function Blocks (blocos
derivados), aumentando ainda mais a
capacidade de reutilização do software.

55. Functions Blocks (Blocos de Funções)
 Blocos de Função padrões
 Biestáveis: SR, RS, SEMA
 Detecção de Borda: R_TRIG, F_TRIG
 Contadores: CTU, CTD, CTUD
 Temporizadores: TP, TON, TOF, RTC
 Blocos de Função fornecidos adicionalmente
pelo fabricante
 Blocos de Função definidos pelo usuário
 Todos FBs são altamente reutilizáveis no
mesmo programa, diferentes programas ou
projetos

56. Exemplo de Function Block adicional
(ATOS)

57. Exemplo de Function Block construído
pelo usuário
FUNCTION_BLOCK HYSTERISIS
Hysterisis VAR_INPUT
XIN1, XIN2 : REAL;
REAL XIN1 Q BOOL EPS : REAL; (* faixa de
REAL XIN2 histerese *)
END_VAR
REAL EPS VAR_OUTPUT
Q : BOOL := 0
END_VAR
IF Q THEN
Q
IF XIN1 < (XIN2-EPS) THEN
1 Q := 0 (* XIN1 diminuindo *)
END_IF;
0 ELSIF XIN1 > (XIN2 + EPS ) THEN
Q := 1; (* XIN1 aumentando *)
EPS EPS END_IF;
XIN2 END_FUNCTION_BLOCK

58. IEC 61131-3 Modelo de Software
Functions (Funções)
 são elementos de software que não
aparecem no modelo de software, porém
podem ser reutilizados
 não possuem persistência, existindo apenas
em tempo de execução, assim como
subrotinas (não armazenam dados)
 não possuem estados internos, ou seja,
sempre produzem o mesmo resultado para o
mesmo conjunto de entradas
 podem ter apenas uma saída
 podem ser escritas em qualquer linguagem

59. Functions (Funções)
Funções padrões
 Bit: ADD, OR, XOR, NOT SHL, SHR, ROL, ROR
 Numéricas: ADD, SUB, MULT, DIV, MOD, EXPT,
ABS, SQRT, LN, LOG, EXP, SIN, COS, TAN, ASIN,
ACOS, ATAN
 Conversão de tipo
 Seleção: SEL, MIM, MAX, LIMIT, MUX
 Cadeias de Caracteres: LEN, LEFT,RIGHT, MID,
CONCAT, INSERT, DELETE, REPLACE, FIND

60. Functions (Funções)
Exemplo de funções definidas pelo usuário
FUNCTION SIMPLE_FUN : REAL
VAR_INPUT
A, B : REAL;
C : REAL := 1.0;
END_VAR
SIMPLE_FUN := A*B/C;
END FUNCTION

61. Tarefas e POUS

62. Ir para arquivo de help da ATOS

63. IEC 61131-3 x PLC convencional
Configuração
Recurso Recurso caminho de
acesso a
Variável
Tarefa Tarefa Tarefa Tarefa
FB
Bloco de
Função’’
Programa Programa Programa Programa
Variável
FB FB FB FB
Caminho do
Variáveis globais e diretas controle de
execução
Caminho de acesso
Função de Comunicação

64. PLC convencional x IEC 61131-3
Tarefa 1 Temporizada
Recurso Loop Infinito:
Tarefas Tarefa 2 Evento
Lê entradas
Executa lógica Evento Tarefa 3
Programa
Atualiza saídas
Temporizada Tarefa 4

65. Vantagens das POU’s
 Crie suas próprias bibliotecas de FBs (por tipo
de aplicação)
 FBs são testados e documentados
 Faça bibliotecas acessíveis em todo o mundo
 Reutilize o máximo possível
 Mude da programação para a criação de redes
de FBs
 Economize 40% no próximo projeto

66. A estrutura da Norma IEC 61131-3
Elementos Comuns
Linguagens de Programação

67. Linguagens de Programação
IEC 61131 – parte 3
 Definição de Cinco Linguagens Interligadas
 Sintaxe e Semântica de 2 linguagens textuais
e 2 gráficas:
 Instruction List (IL)
 Structered Text (ST)
 Ladder Diagram (LD)
 Function Block Diagram (FBD)
 Linguagem para estruturação da Programação
 Sequential Function Chart (SFC)

68. Linguagens Tradicionais
 Ladder Diagram (LD)
 Function Block Diagram (FBD)

69. Linguagens Tradicionais
 Instruction List (IL)

70. Linguagens Novas
 Structered Text (ST)
 Linguagem estruturada de alto nível
 Sintaxe semelhante ao Pascal
 Permitido o uso de declarações complexas e
instruções aninhadas
 Suporte para:
 Laços de controle (REPEAT-UNTIL; WHILE-DO)
 Execução condicional (IF-THEN-ELSE; CASE)
 Funções (SQRT(), SIN())

71. Linguagens Novas
 Sequential Function Chart (SFC)
 Técnica gráfica muito poderosa para descrever o
comportamento seqüencial de um programa de
controle
 Usado para particionar um problema de controle
 Mostra uma visão geral, desejável para um rápido
diagnóstico

72. Processo de Fermentação
Agitador
Reagente ácido Válvula de alimentação
Reagente básico
Sensor de temperatura
Sensor de pH
Camisa de
aquecimento
Válvula de dreno
Como criar um programa de controle de forma
estruturada?

73. Passo 1 :
Identificação das interfaces externas do sistema
 Sinais de Entrada (sensores):
 sensor de temperatura
 sensor de PH
 posições das válvulas
 velocidade motor
 Sinais de Saída (atuadores):
 válvulas
 motor
 aquecedor

74. Passo 2:
Definição dos principais sinais entre o Sistema e o
restante do processo
Neste exemplo não existe nenhum acoplamento do
processo, mas poderia existir, do tipo:
 … acoplamento com os vasos com líquidos principais
 … acoplamento com o sistema de transporte / estação
de enchimento após o dreno

75. Passo 3:
Definição de todas as interações com o Operador,
intervenções e dados de supervisão
Para o operador foram definidos:
 … um botão ‘Liga’
 … um botão ‘Desliga’
 … uma entrada ‘Duracao’
Agora estão definidas todas as interfaces

76. Passo 4:
“Quebrar” o problema de cima para baixo em partições
lógicas (funcionalidades)
 SequenciaPrinc – enchimento, aquecimento,
agitação, fermentação, descarga, limpeza.
 ControleValvulas – comando das vávulas para
encher e esvaziar o vaso
 ControleTemp – controle de temperatura
 ControleAgitador – controle do motor do agitador
(velocidade)
 ControlepH – controle de pH

77. Passo 5:
Definição das POUs necessárias
(Programas e Blocos de Função)
 Usando as definições anteriores e
 Representando na linguagem gráfica de programação
Diagrama de Blocos de Função temos …

78. Programa de Controle da Fermentação
Entradas Saídas
ControleTemp
Aquecer Aquecer
SetPoint
Esfriar Esfriar
SensorTemp PV
SensorpH
ControlepH
SequenciaPrinc AdicAcido AdicAcido
SetPoint
Liga Temp PV AdicBase AdicBase
Liga
Desliga pH
Desliga
ControleAgitador
Duracao Duracao Agitacao
LiberEncher SetPoint VelocMotor VelocMotor
PV
VelocAgitador
ControleValvulas
Libera Encher Encher
PosicaoValvulas Drenar Drenar

79. Seqüência principal (MainSequence) em SFC
Apresenta os S1
Inicialização
principais
estados do processo
S2 Enchimento
Os Blocos de Ação e as S3 Aquecimento
Transições podem ser
S4 Fermentação
programados em
qualquer uma das S5 Descarga
quatro Linguagens de
S6 Limpeza
Programação IEC

80. Passo 6:
Definição dos tempos do ciclo de scan
para as diferentes partes da aplicação
 Neste exemplo temos apenas um ciclo em modo
contínuo
 O tempo restante pode ser usado por outros ciclos
para:
 …. o sistema de enchimento / transporte
 … verificação de limites e condições de erro (em
uma seqüência paralela)

81. Passo 7:
Configuração do Sistema:
Definição dos Recursos, Tarefas
e conexão do programa com o I/O físico
 Depende do sistema utilizado
 Inclui o mapeamento do I/O físico com os símbolos
usados
 Mapeamento dos recursos (leia: CPUs do sistema)
 Definição dos ciclos de scan e eventos (vide Passo 6)