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CLP – CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS

Prof. Fabricia Neres

O que são?üCLP, Controladores Lógicos Programáveis

ou

üPLC, Programmable Logic Controllers

O que são?

ü O CLP é um computador industrial, capaz de implementar funções de controle (sequência lógica, contagem e temporização), operações lógicas e aritméticas , manipulação de dados e comunicação em rede.

O que são?ü São equipamentos robustos capazes de operar em

condições severas: altas temperaturas, poeira, umidadee ruídos elétricos.

üExistem diversos fabricantes e diversos modelos deCLPs. Não existe uma padronização no números deentradas e saídas (digitais ou analógicas) ou tamanho dememória.

CLPs no processo industrial

CLP

SistemaAutomatizado

CLP- DefiniçãoSistema eletrônico operando digitalmente, projetado parauso em um ambiente industrial, que usa uma memóriaprogramável para a armazenagem interna de instruçõesorientadas para o usuário para implementar funçõesespecíficas, tais como lógica sequencial, temporização,contagem e aritmética, para controlar, através deentradas e saídas digitais ou analógicas, vários tipos demáquinas ou processos. O Controlador programável e seusperiféricos associados são projetados para serem facilmenteintegráveis em um sistema de controle industrial efacilmente usados em todas suas funções previstas.

(definição IEC – International Electrotechnical Commission)

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CLP- Histórico• Os primeiros dispositivos de controle foram

desenvolvidos durante a Revolução Industrial no século XIX;

• Dispositivos mecânicos rudimentares eram usados para realizar o controle dos processos.

CLP- Histórico• Na década de 1920 os dispositivos mecânicos foram

substituídos pelos relés;• Com o uso da lógica de relés foi possível realizar

controles mais complexos que até o momento não era possível;

• O uso da lógica de relés dificultava modificações do processo;

• Era complexo manter o projeto atualizado.

Quadro de Relés Quadro de CLPs

CLP- Histórico• O desenvolvimento de CIs e computadores possibilitou a

construção de CLPs;• Computadores comerciais eram caros e sensíveis ao

ambiente industrial;• O CLP foi desenvolvido para atender as necessidades

da industria automobilística americana (General Motors)• Suas primeiras aplicações foram na divisão de

hidramática da GM em 1968.

CLP- HistóricoCaracterísticas desejáveis do CLP:üFacilidade de programação e modificação dos códigos;üPermitir flexibilidade na montagem das máquinas;üManutenção simplificada;üAdaptado ao ambiente industrial.

CLP- HistóricoHistoricamente os CLPs podem ser classificados nas

seguintes categorias:

ü1ª geração: Programação em Assembly. Necessidade de conhecer o hardware;

ü2ª geração: Apareceram as linguagens de programação de nível médio. O compilador converte o código do programador em linguagem de baixo nível;

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CLP- Históricoü3ª geração: Surge a entrada de programação que poderia

ser realizada através de: teclado, programador portátil conectado ao CLP;

ü 4ª geração : Criada a comunicação serial e a programação é realizada por computadores possibilitando a simulação do código.

CLP- Histórico

ü5ª geração: protocolos de comunicação para facilitar a comunicação com sistemas supervisórios, redes e equipamentos de outros fabricantes.

Características do Hardware

• Alta confiabilidade;• Imune a ruídos eletromagnéticos;• Isolação galvânica de entradas e saídas;• Fácil de configurar com esquema de montagem em

trilhos;• Padronizados ou em racks com módulos que podem ser

retirados;• Uso de conectores que podem ser retirados;• Ferramenta de autodiagnóstico.

Características do Software

• Linguagem de programação simples;

• Processamento em tempo real e multitarefa;

• Monitoramento do dados on-line;

• Alta velocidade de processamento das informações.

CLPs - Vantagens• Pequena equipe para realizar a manutenção;

• Flexibilidade do número de entradas e saídas;

• São reutilizáveis;

• Maior confiabilidade e flexibilidade;

• Menor tempo para elaborar projetos;

• Possibilidade de comunicar com outros CLPs e computadores.

CLP -Aplicações• Indústria de Plástico;• Controle de malhas;• Indústria Petroquímica;• Sistemas Sistemas SCADA (Supervisory Supervisory

Control Control and Data• Aquisition);• Sistemas de controle de células de manufatura;• Montagem automatizada;

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CLP -Aplicações• Processos de empacotamento, engarrafamento,enlatamento, transporte e manuseio de materiais,usinagem;• Sistemas de controle predial de ar condicionado ;• Sistemas de segurança;• Indústrias de alimentos, bebidas, automotiva, química,

têxtil, plásticos, papel e celulose, farmacêutica e siderúrgica/metalúrgica, mineração, entre outras.

Tipos de CLP• Compactos: possuem fonte de alimentação, CPU e

módulos de entrada e saída em único equipamento

• Modulares: cada módulo executa uma função, ou seja, cada elemento é inserido de forma modular em racks.

Princípio de Funcionamento

• O CLP funciona de forma sequencial, fazendo um ciclo de varredura em algumas etapas.

• O tempo total para realizar o ciclo é denominado CLOCK.

Princípio de Funcionamento

Partes do CLP Estrutura Básica• As entradas e saídas podem ser analógicas ou digitais;

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Estrutura Básica• Baseada no Hardware básico do computador

Arquitetura:

• Fonte de alimentação;

• Unidade Central de Processamento;

• Memórias voláteis e não voláteis;

• Entradas e saídas (digitais e analógicas);

• Terminal de programação.

Fontes de Alimentação

• Sua função é fornecer energia para o CLP

• Source: interna ao controlador;

• Sink: externa ao controlador.

• Tensão de alimentação: 110V CA ou 220V CA ou 24V CC

Fontes de Alimentação• O CLP possui uma bateria interna que mantém as

informações gravadas durante algum tempo, em caso de falta de energia.

• Converte a tensão da rede de 110 ou 220 VCA em :Ø+5VCC: para alimentar os circuitos eletrônicosØ +12VCC ou +24VCC: para alimentar as entradas e as

saídasØ110V para saídas dos relésØBaterias

Unidade Central de Processamento• Responsável pela manipulação das informações

Unidade Central de ProcessamentoAs mais comuns:

§ INTEL 80xx§ MOTOROLA 68xx§ ZILOG Z80xx§ PIC 16xx

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EPROM

Memória do Programa Monitor”

• Responsável por: sistema operacional; start do CLP; sequência de operações; drivers.

• Não é acessível pelo usuário

Memória do UsuárioArmazena:

• Programa do usuário;

• Configuração de dados;

• Imagens de dados E/S;

• Buffer de comunicação.

Entradas e saídas

• Divididas em Digital e analógicas;

Entradas • Local onde a UCP busca informações do processo

comandado. Estas informações podem ser de diversos dispositivos dentre eles: medidores de temperatura e vazão.

• Podem ser divididas em digital (temperatura correta) e analógica (valor da temperatura)

Entradas Digitais • As entradas digitais convertem os elementos do sistema

em bits.

• Existem entradas digitais de dois tipos: com alimentação interna e externa.

• Possuem apenas dois estados: (ligado ou desligado)

Entradas Digitais

• As entradas digitais podem trabalhar com diferentes níveis de tensão:

Øcorrente contínua: TTL, 24 Vcc. 48 Vcc, 110 Vcc;

Øcorrente alternada: 110 Vca ou 220 Vca.

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Entradas Digitais com Alimentação Interna

• Os CLPs fornecem uma tensão de alimentação que deve passar pelo elemento do processo e retornar à entrada.

Entradas Digitais com Alimentação Externa

• As entradas com alimentação externa recebem alimentação do processo.

Entradas Analógicas• As analógicas podem ter infinitos estados dentro de uma

faixa determinada• Necessidade de conversão de analógica para digital• Exemplos de medições analógicas: nível e temperatura• Existe uma grande gama de sinais de entradas

padronizados: ØTensão: +/- 12,5 mV, +/- 50 mV, +/- 500 mV, +/- 5 V, +/- 10 V, l a 5V, O a 5 V, O a 10 VØCorrente: O a 20 mA, 4 a 20mA

Entradas Analógicas• Exemplo: medições lineares: medidor de vazão • Conversor A/D de3 bits

Entradas Analógicas• Exemplo: medições lineares: medidor de vazão • Conversor A/D de 10 bits

Saídas Digitais• Funciona basicamente como as entradas digitais

• Podem ser por tensão ou por relés

• As saídas digitais por tensão converte os sinais enviados pela CPU (UCP) em sinais capazes de energizar cargas como lâmpadas;

• As saídas digitais por relés fornecem um contato de relê que pode chavear cargas com alimentação independente da fonte do CLP

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Saídas Analógicas• Funcionam de modo semelhante as entradas analógicas• Realizam a conversão do sinal digital enviado pela CPU

(UCP) para analógico usando um conversor digital/analógico.

Terminais de Programação• Computadores ou terminais que permitem:ØAutodiagnóstico;ØAlterações onlineØProgramação de instruções;ØMonitoramentoØGravar e apagar dados da memória do usuário.

Módulos de entrada/saídaE

S

Módulos de saídaSaídas• Através das saídas, o CLP age sobre o processo sob o

seu controle.

• As saídas digitais fornecem comandos do tipoligado/desligado.

• As saídas analógicas fornecem um sinal de tensão oucorrente com variação contínua para acionar válvulasproporcionais, conversores ou outros equipamentos.

Módulos de saída digital a relé

Aciona cargas alimentadas por tensão tanto contínua quanto alternada. Uma grande vantagem de utilizar esse tipo de configuração de saída é o fato se ter uma saída praticamente imune a qualquer tipo de interferência da rede.

Módulos de saída digital a triac

Tem maior vida útil do que saída a relé.

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Módulos de saída digital a transistor

O acionamento é realizado por transistor típico que realiza comutações rápidas

Módulos de entradaEntradas• Entradas digitais recebem o sinal de sensores,

chaves, botoeiras, e outros equipamentos quefornecem sinais do tipo ligado/desligado.

• Entradas analógicas recebem sinais de tensão oucorrente de variação contínua, dentro de uma faixa ecom significado especificado. Este módulo condiciona osinal de entrada e o torna disponível para o processador.

Terminais de programação• Este bloco fornece o meio físico e os protocolos para que

o CLP se comunique com outros equipamentosintegrantes do sistema.

• Os sistemas de controle atuais preveem a integraçãode diversos dispositivos que podem incluir váriosCLPs, computadores, IHM externas, sensores eatuadores inteligentes, data-loggers, todos ligadosem rede.

Terminais de programação• Pc ou terminais que permitem:

• Autodiagnóstico• Alterações on-line• Programação de instruções• Monitoração

Programação por cabo com PC

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A lógica que avalia a condição dos pontos de entrada edos estados anteriores do CLP, executando as funçõesdesejadas e acionando as saídas, é chamada deprograma aplicativo ou simplesmente programa do CLP.

CLP – Controlador Lógico ProgramávelPrograma aplicativo Modos de Operação de um CLP

• Modo de programação • Modo de execução.

Modos de Operação de um CLP

Modo de Programação

• No modo de programação (PROG) o CLP não executanenhum programa, isto é, fica aguardando para serconfigurado ou receber novos programas ou até recebermodificações de programas já instalados. Esse tipo deprogramação é chamado off-line (fora de operação).

• A operação de transferência de programas domicrocomputador (ou terminal de programação) para oCLP denomina-se download.

Modos de Operação de um CLP

Modos de Execução• No modo de execução (RUN), o CLP passa a executar o

programa do usuário.

• CLPs de maior porte podem sofrer alterações deprograma mesmo durante a execução. Este tipo deprogramação é chamado de on-line (em operação).

• O funcionamento do CLP é baseado num sistemamicroprocessado em que há uma estrutura de softwareque realiza continuamente ciclos de leitura, chamados descan.

Modos de Operação de um CLP

Modos de Execução

• O scan (ciclo de varredura) é constituído de trêsprocessos:

• Efetua a leitura dos dados através dos dispositivos viainterface de entrada;

• Executa o programa de controle armazenado namemória;

• Escreve ou atualiza os dispositivos de saída viainterface de saída.

Modos de Operação de um CLP

Modos de Execução• Scan do CLP (ciclo de varredura):

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Modos de Operação de um CLP

Modos de Execução

• No momento que é energizado e estando o CLP no modode execução, é executada uma rotina de inicialização,que realiza as seguintes operações:

• Limpeza da memória de imagem, para operandosnão retentivos;

• Teste de memória RAM;• Teste de executabilidade do programa.

Modos de Operação de um CLP

Modos de Execução• No processo de leitura dos pontos de entrada, a CPU

endereça o sistema de I/O, coleta os estados atuaisdos dispositivos que estão conectados e armazena asinformações em forma de bits 1 ou 0.

• Uma entrada energizada equivale ao valor binário 1enquanto que uma entrada desenergizada equivale aovalor binário 0. Essas informações são armazenadas emuma região de memória chamada Tabela Imagem dasEntradas (TIE).

Modos de Operação de um CLP

Modos de Execução

• No processo de execução da lógica programada, a TIE éutilizada para obter os estados dos dispositivos.

• Os resultados das lógicas programadas que atuam emdeterminadas saídas são armazenados em uma área dememória que se chama Tabela Imagem das Saídas(TIS). As lógicas que possuem saídas internas (memóriasinternas) são armazenadas na área correspondente.

Modos de Operação de um CLP

Modos de Execução

• Na etapa de atualização das saídas, a CPU executa umavarredura na tabela TIS e atualiza as saídas externasatravés do endereçamento do sistema de IO paraatualizar o estado dos dispositivos de saída de acordocom o programa.

• Também é feita atualização de valores de outrosoperandos, como resultados aritméticos, contagens,temporizações, entre outros.

Modos de Operação de um CLP

Modos de Execução

• Ao final da atualização da tabela imagem, é feita atransferência dos valores da tabela imagem dassaídas para os cartões de saída, encerrando o ciclode varredura. A partir daí é iniciado um novo scan e aoperação continua enquanto se mantém o controlador nomodo de execução.

Modos de Operação de um CLP

Modos de Execução

• Para verificação de erros, é estipulado um tempo deprocessamento, ficando a cargo de um circuito chamadoWatch Dog Timer (WDT) supervisioná-lo.

• Se esse tempo máximo for ultrapassado, a execuçãodo programa pela CPU será interrompida, sendoassumido um estado de falha (fault).

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Modos de Operação de um CLP

Modos de Execução

• Chama-se tempo de varredura (scan time) o tempogasto para a execução de um ciclo completo. Essevalor muda conforme o controlador e depende de muitosfatores (tamanho da palavra de memória, clock,arquitetura do processador, etc.).

Tipos de CLP

CLPs Compactos

• Possuem incorporados em uma única unidade a fontede alimentação, a CPU e os módulos de I/O, ficando ousuário com acesso somente aos conectores dosistema de I/O.

• Esse tipo de estrutura normalmente é empregado paraCLPs de pequeno porte. Atualmente suportam umagrande variedade de módulos especiais (normalmentevendidos como opcionais).

Tipos de CLP

CLPs Modulares• Esses CLPs são compostos por uma estrutura

modular, em que cada módulo executa umadeterminada função.

• Possível processador e memória em um único módulocom fonte separada ou então as três partes juntas em umúnico gabinete.

• O sistema de I/O é decomposto em módulos de acordocom suas características. Eles são colocados emposições predefinidas (racks), formando umaconfiguração de médio e grande porte.

Tipos de CLP

CLPs Modulares

Capacidades dos CLP´s

• Nano e Micro-CLPs: pouca capacidade de E/S

• CLPs de Médio Porte: São CLPs com uma capacidade deEntrada e Saída de até 256 pontos.

• CLPs de Grande Porte: Permitem a utilização de até 4096pontos de E/S. São montados em um Bastidor (ou Rack ) quepermite um Cabeamento Estruturado.

Exemplos

• Pequenas aplicações

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Exemplos

• Pequeno e médio porte

Exemplos

• Médio e grande porte

Exemplos

Grandes aplicações

CLP Scnheider TwidoCopyright (C) 2005 Schneider Electric

Exemplo de funcionamento

Linguagens de programaçãoAs cinco linguagens definidas pela norma Norma IEC61131 (Padronização em Controle e Automação) são:

• Textuais• Lista de Instruções (IL);• Texto Estruturado (ST).

• Gráficas• Diagrama Ladder (LD);• Diagrama de Blocos Funcionais (FBD).

• Estruturação de Programas (Textual ou Gráfica)• Seqüenciamento Gráfico de Funções (SFC).

Linguagens de programação

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Tipos de Instruções

• Instruções para manipular dados:–Instrução Mover;–Instrução Comparação.

• Instruções Matemáticas:–Soma;–Subtração;–Multiplicação;–Divisão.

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Instruções de Lógicas - Ladder

Instruções de Lógicas - Ladder Instruções de Lógicas - Ladder

Linha de Produção

-A Linha de Peneiramento;-Sinalizações;-Funcionamento;-Emergências;-Sistema Supervisório.