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AULA 6 - CLP – CONTROLADORES LÓGICOS

PROGRAMÁVEIS

Prof. Fabricia Neres

O que são? ü CLP, Controladores Lógicos Programáveis ou

ü PLC, 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, umidade e ruídos elétricos.

ü Existem diversos fabricantes e diversos modelos de CLPs. Não existe uma padronização no números de entradas e saídas (digitais ou analógicas) ou tamanho de memória.

CLPs no processo industrial

CLP

Sistema Automatizado

CLP- Definição Sistema eletrônico operando digitalmente, projetado para uso em um ambiente industrial, que usa uma memória programável para a armazenagem interna de instruções orientadas para o usuário para implementar funções específicas, tais como lógica sequencial, temporização, contagem e aritmética, para controlar, através de entradas e saídas digitais ou analógicas, vários tipos de máquinas ou processos. O Controlador programável e seus periféricos associados são projetados para serem facilmente integráveis em um sistema de controle industrial e facilmente 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- Histórico Características desejáveis do CLP: ü Facilidade de programação e modificação dos códigos; ü Permitir flexibilidade na montagem das máquinas; ü Manutenção simplificada; ü Adaptado ao ambiente industrial.

CLP- Histórico Historicamente os CLPs podem ser classificados nas

seguintes categorias: ü 1ª geração: Programação em Assembly. Necessidade de

conhecer o hardware;

ü 2ª 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- Histórico ü 3ª 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

ü 5ª 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 eletrônicos Ø  +12VCC ou +24VCC: para alimentar as entradas e as

saídas Ø 110V para saídas dos relés Ø Baterias

Unidade Central de Processamento • Responsável pela manipulação das informações

Unidade Central de Processamento As 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 Usuário Armazena: • 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:

Ø corrente contínua: TTL, 24 Vcc. 48 Vcc, 110 Vcc;

Ø corrente 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: Ø Tensão: +/- 12,5 mV, +/- 50 mV, +/- 500 mV, +/- 5 V, +/- 10 V, l a 5V, O a 5 V, O a 10 V Ø Corrente: 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: Ø Autodiagnóstico; Ø Alterações online Ø Programação de instruções; Ø Monitoramento Ø Gravar e apagar dados da memória do usuário.

Módulos de entrada/saída E

S

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

seu controle.

• As saídas digitais fornecem comandos do tipo ligado/desligado.

• As saídas analógicas fornecem um sinal de tensão ou corrente com variação contínua para acionar válvulas proporcionais, 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 entrada Entradas • Entradas digitais recebem o sinal de sensores,

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

• Entradas analógicas recebem sinais de tensão ou corrente de variação contínua, dentro de uma faixa e com significado especificado. Este módulo condiciona o sinal 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 equipamentos integrantes do sistema.

• Os sistemas de controle atuais preveem a integração de diversos dispositivos que podem incluir vários CLPs, computadores, IHM externas, sensores e atuadores inteligentes, data-loggers, todos ligados em 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 e dos estados anteriores do CLP, executando as funções desejadas e acionando as saídas, é chamada de programa aplicativo ou simplesmente programa do CLP.

CLP – Controlador Lógico Programável Programa 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 executa nenhum programa, isto é, fica aguardando para ser configurado ou receber novos programas ou até receber modificações de programas já instalados. Esse tipo de programação é chamado off-line (fora de operação).

•  A operação de transferência de programas do microcomputador (ou terminal de programação) para o CLP 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 de programa mesmo durante a execução. Este tipo de programação é chamado de on-line (em operação).

• O funcionamento do CLP é baseado num sistema microprocessado em que há uma estrutura de software que realiza continuamente ciclos de leitura, chamados de scan.

Modos de Operação de um CLP

Modos de Execução

• O scan (ciclo de varredura) é constituído de três processos:

• Efetua a leitura dos dados através dos dispositivos via

interface de entrada; • Executa o programa de controle armazenado na

memória; • Escreve ou atualiza os dispositivos de saída via

interface 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 modo de execução, é executada uma rotina de inicialização, que realiza as seguintes operações:

•  Limpeza da memória de imagem, para operandos

não 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 atuais dos dispositivos que estão conectados e armazena as informações em forma de bits 1 ou 0.

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

Modos de Operação de um CLP

Modos de Execução

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

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

Modos de Operação de um CLP

Modos de Execução

• Na etapa de atualização das saídas, a CPU executa uma varredura na tabela TIS e atualiza as saídas externas através do endereçamento do sistema de IO para atualizar o estado dos dispositivos de saída de acordo com o programa.

•  Também é feita atualização de valores de outros operandos, 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 a transferência dos valores da tabela imagem das saídas para os cartões de saída, encerrando o ciclo de varredura. A partir daí é iniciado um novo scan e a operação continua enquanto se mantém o controlador no modo de execução.

Modos de Operação de um CLP

Modos de Execução

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

• Se esse tempo máximo for ultrapassado, a execução do programa pela CPU será interrompida, sendo assumido 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 tempo gasto para a execução de um ciclo completo. Esse valor muda conforme o controlador e depende de muitos fatores (tamanho da palavra de memória, clock, arquitetura do processador, etc.).

Tipos de CLP

CLPs Compactos

• Possuem incorporados em uma única unidade a fonte de alimentação, a CPU e os módulos de I/O, ficando o usuário com acesso somente aos conectores do sistema de I/O.

• Esse tipo de estrutura normalmente é empregado para CLPs de pequeno porte. Atualmente suportam uma grande variedade de módulos especiais (normalmente vendidos como opcionais).

Tipos de CLP

CLPs Modulares • Esses CLPs são compostos por uma estrutura

modular, em que cada módulo executa uma determinada função.

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

• O sistema de I/O é decomposto em módulos de acordo com suas características. Eles são colocados em posições predef in idas (racks ) , formando uma configuração 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 de

Entrada e Saída de até 256 pontos. • CLPs de Grande Porte: Permitem a utilização de até 4096

pontos de E/S. São montados em um Bastidor (ou Rack ) que permite 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 Twido Copyright (C) 2005 Schneider Electric

Exemplo de funcionamento

Linguagens de programação As cinco linguagens definidas pela norma Norma IEC 61131 (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.