automação industrial basica

SENAI-RJ

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

SENAI-RJRio de Janeiro

2007

Federação das Indústrias do Estado do Rio de Janeiro

Eduardo Eugenio Gouvêa VieiraPresitente

Augusto Franco de AlencarDiretoria Geral

Roterdan Pinto SalomãoDiretor Regional

Alexandre dos ReisDiretor de Relações com o Mercado

Andréa Marinho de Souza FrancoDiretora de Educação

ThyssenKrupp CSA Companhia Siderúrgica

Dr. Hans-Ulrich LindenbergPresidente do Conselho Administrativo

Aristides CorbelliniDiretor Presidente

ThyssenKrupp Steel

Klaus BailerDiretor de Recursos Humanos

Prezado aluno,

Quando você resolveu fazer um curso em nossa instituição, talvez nãosoubesse que, desse momento em diante, estaria participando do maiorsistema de educação profissional do país: o SENAI. Há mais de sessentaanos, estamos construindo uma história de educação voltada para odesenvolvimento tecnológico da indústria brasileira e da formação profissionalde jovens e adultos.

Devido às mudanças ocorridas no modelo produtivo, o trabalhador não podecontinuar com uma visão restrita dos postos de trabalho. Hoje, o mercadoexigirá de você, além do domínio do conteúdo técnico de sua profissão,competências que lhe permitam decidir com autonomia, proatividade,capacidade de análise a solução de problemas, a avaliação de resultados epropostas de mudanças no processo do trabalho. Você deverá estar preparadopara o exercício de papéis flexíveis e polivalentes, assim como para a cooperaçãoe a interação, o trabalho em equipe e o comprometimento com os resultados.

Acresce, ainda, que a produção constante de novos conhecimentos etecnologias exigirá de você a atualização contínua de seus conhecimentosprofissionais, evidenciando a necessidade de uma formação consistente quelhe proporcione maior adaptabilidade e instrumentos essenciais à auto-aprendizagem.

Essa nova dinâmica do mercado de trabalho vem requerendo que os sistemasde educação se organizem de forma flexível e ágil, motivo que levou o SENAIa criar uma estrutura educacional, com o propósito de atender às novasnecessidades da indústria, estabelecendo uma formação flexível emodularizada.

Essa formação tornará possível a você, aluno do sistema, voltar e darcontinuidade à sua educação, criando o próprio percurso. Além de toda ainfra-estrutura necessária ao seu desenvolvimento, você poderá contar como apoio técnico-pedagógico da equipe de educação dessa escola do SENAIpara orientá-lo em seu trajeto.

Mais do que formar um profissional, estamos buscando formar cidadãos.

Seja bem-vindo!

Andréa Marinho de Souza FrancoDiretora de Educação

Sumário

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

1 – INTRODUÇÃO1.1 – Conceito1.2 – Componentes da automação1.3 – Aplicações da automação

2 – LÓGICA DIGITAL2.1 – Sistemas de numeração2.2 – Transformação de bases numéricas2.3 – Números decimais codificados em binário (BCD)2.4 – Circuitos lógicos básicos2.5 – Funções lógicas básicas2.6 – Simplificação de expressões lógicas – Noções básicas

3 – CLPS: CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS3.1 – Introdução3.2 – História3.3 – Conceituação3.4 – Normalização3.5 – Arquitetura básica3.6 – LEDs de sinalização3.7 – Tipos de CLPs3.8 – Funcionamento3.9 – Terminal de programação (TP)3.10 – Linguagens de programação

Automação Industrial - SENAI-RJ

4 – SENSORES4.1 – Sensores de proximidade

5 – ENCODERS5.1 – Encoders ópticos rotativos5.2 – Tipos de saídas de sinal5.3 – Escolha de um encoder5.4 – Diferença de precisão, resolução e repetibilidade

6 – IHMS: INTERFACES HOMEM-MÁQUINA

7 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

99999

Apresentação

Automação Industrial é o uso de qualquer dispositivo mecânico oueletroeletrônico para controlar máquinas e processos. Entre osdispositivos eletroeletrônicos podem-se utilizar computadores ou outrosdispositivos lógicos como CLP – Controlador Lógico Programável ouCNC – Comando Numérico Computadorizado, substituindo algumastarefas da mão-de-obra humana e realizando outras que o humano nãoconsegue realizar. É um passo além da mecanização, em que operadoreshumanos são providos de maquinaria para auxiliá-los em seus trabalhos.

A automação industrial é largamente aplicada nas mais variadas áreas deprodução industrial. Ela visa, principalmente, à produtividade, à qualidadee à segurança de um processo.

Uma contribuição adicional importante dos sistemas de automação in-dustrial à a conexão do sistema de supervisão e controle com sistemascorporativos da administração das empresas. Esta conectividade permiteo compartilhamento de dados importantes da operação diária dosprocessos, o que contribui para uma maior agilidade do processo decisórioe maior confiabilidade dos dados que suportam as decisões da empresa.

O estudo cuidadoso deste módulo básico é importante para que vocêadquira conhecimentos necessários para futuras aplicações em seutrabalho.

Bom estudo!


1111111111


1. INTRODUÇÃO ÀAUTOMAÇÃO

Conceito

Automação é um sistema de equipamentos eletrônicos e/ou mecânicosque controlam seu próprio funcionamento, quase sem a intervenção dohomem.

Automação é diferente de mecanização. A mecanização consistesimplesmente no uso de máquinas para realizar um trabalho, substituindoassim o esforço físico do homem. Já a automação possibilita fazer umtrabalho por meio de máquinas controladas automaticamente, capazesde se regularem sozinhas.

Componentes da automação

A maioria dos sistemas modernos de automação, como os utilizadosnas indústrias automobilística, siderúrgica, petroquímica e nossupermercados, é extremamente complexa e requer muitos ciclos derealimentação.

Cada sistema de automação compõe-se de cinco elementos:

Acionamento: Provê o sistema de energia para atingir determinadoobjetivo. É o caso dos motores elétricos, pistões hidráulicos, etc.

Sensoriamento: Mede o desempenho do sistema de automação ouuma propriedade particular de algum de seus componentes.Exemplos: Termopares para medição de temperatura e encoders paramedição de velocidade.

12


Controle: Utiliza a informação dos sensores para regular oacionamento. Exemplo: Para manter o nível de água num reservatório,usamos um controlador de fluxo que abre ou fecha uma válvula de acordocom o consumo. Mesmo um robô requer um controlador para acionar omotor elétrico que o movimenta.

Comparador ou elemento de decisão: Compara os valores medidoscom valores preestabelecidos e toma a decisão de quando atuar nosistema. Exemplos: Termostatos e programas de computadores.

Programas: Contêm informações de processo e permitem controlaras interações entre os diversos componentes.

Aplicações da automação

Para fixar os conceitos até aqui explicados, damos a seguir o exemplo deum sistema automático de controle de fluxo de pessoas em academiasde ginástica.

Este sistema tem um leitor óptico a laser e um computador digital dealto desempenho. Quando um associado quer utilizar a academia, passaum cartão pessoal, com um código de barras, pelo leitor óptico (elementosensor). O dado de entrada é convertido em sinais elétricos e enviado aocomputador. O cliente é identificado (programa). Caso sua situaçãoesteja em ordem (pagamento de mensalidades, exame médico, etc.), ocomputador envia um sinal para liberação da catraca (elemento deacionamento) e em seguida registra a ocorrência num banco de dados,para consultas posteriores.


1313131313

2. LÓGICA DIGITAL

Sistemas de numeração

Todos nós quando ouvimos pronunciar a palavra números,automaticamente a associamos ao sistema decimal com o qual estamosacostumados a operar. Este sistema está fundamentado em certas regrasque são base para qualquer outro. Vamos, portanto, estudar estas regrase aplicá-las a outros sistemas de numeração.

Para estudarmos outros sistemas de numeração, precisamos ter em mentea definição de números. Uma definição bem simples, porém eficiente, éa seguinte:

“Números são símbolos ou agrupamentos de símbolos que representamuma quantidade.”

Isso significa que quando trocamos de sistemas de numeração, podemosutilizar outros símbolos ou até os mesmos. Porém, a intenção é a mesma,representar uma quantidade qualquer. No campo tecnológico, outrossistemas de numeração são utilizados, entre os principais e mais utilizadostemos:

Decimal (base 10), em que os símbolos são: 0; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7;8; 9.

O sistema decimal é na realidade o sistema que vai reger todos os outrossistemas e por essa razão ele tem o apelido de “base-mãe”. Isso porque édele que todos os outros sistemas “nascem”.

Binário (base 2), em que os símbolos são: 0; 1.

O sistema binário é muito importante na tecnologia digital. Podemosdizer que um circuito digital é aquele que trabalha com dois valoresdistintos e predefinidos. Sendo assim, podemos encontrar circuitosdigitais em diversas áreas.

14


Um circuito digital pode ser construído nas mais variadas tecnologias.Por exemplo: Circuito Pneumático Digital, Circuito Eletrônico Digital,etc.

É evidente que de acordo com a tecnologia, os componentes e as variáveispredefinidas serão adequados.

Já que nos circuitos digitais existem basicamente apenas dois valoresdistintos, o sistema binário é o que melhor se adapta para representá-los. Quando falamos que em um determinado ponto de um circuito,seja ele eletrônico ou de outra tecnologia, tem nível lógico “1” ou “0”,estamos falando, de forma simbólica, do nível que se encontra naqueleponto.

Octal (base 8), em que os símbolos são: 0; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7.Hexadecimal (base 16), em que os símbolos são: 0; 1; 2; 3; 4; 5; 6;

7; 8; 9; A; B; C; D; E; F.

Resumo dos principais sistemas de numeração

SistemaDecimal (10)

0123456789

101112131415

SistemaBinário(2)

0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111

SistemaOctal (8)

01234567

1011121314151617

SistemaHexadecimal (16)

0123456789ABCDEF

2. L

ÓG

ICA D

IGIT

AL

1515151515


Transformações de bases numéricas

Quando transformamos um número qualquer para outra basenumérica, estamos querendo representar a mesma quantidade de umaoutra forma. Ou melhor, é como falar a mesma coisa num outroidioma.

Transformação de um número numa base qualquer para base 10(decimal):

Faz-se por Notação Posicional.Entende-se por Notação Posicional a representação e soma de todos osvalores relativos de um número.

a) 11010(2)

Solução:a) 11010(2) = 1 . 24 + 1 . 23 + 0 . 22 + 1 . 21 + 0 . 20

11010(2) = 16 + 8 + 0 + 2 + 011010(2) = 26(10)

b)23(16)

Solução:a) 23(16) = 2 . 161 + 3 . 160

23(16) = 2 . 16 + 3 . 1

OBS.Mudar de base não significa mudar o valor, significarepresentar o mesmo valor num outro sistema.

OBS.Repare que no sistema hexadecimal foram utilizadas letrasmaiúsculas do nosso alfabeto.

16


23(16) = 35(10)Solução:c) 3B(16)

Solução:3B(16) = 3 . 161 + B . 1603B(16) = 3 . 16 + 113B(16) = 59(10)

Um fator importante é que toda Notação Posicional terá como resultadouma quantidade representada na base 10 (decimal).

Transformação de um número na base 10 (decimal) para uma basequalquer:

Faz-se por divisões sucessivas.

a) 14(10) = ______________ (2)

Solução:

Resultado: 1110(2)

b) 175(10) = ________________ (16)

Solução:

Resultado: AF(16)

2. L

ÓG

ICA D

IGIT

AL

1717171717


Números decimais codificados em binário (BCD – Binary CodedDecimal)

Com o intuito de facilitar a comunicação homem-máquina, foidesenvolvido um código que representa cada dígito decimal por umconjunto de 4 dígitos binários, como mostra a tabela seguinte:

Ex.: Código BCD8421

Desta maneira, cada dígito decimal é representado por grupo de quatrobits, como ilustrado a seguir:

Observe que as conversões decimal-BCD e BCD-decimal são diretas,ou seja, separando-se o dígito BCD em grupos de 4 bits, cada gruporepresenta um dígito decimal.

Exemplo:

Converter o seguinte número decimal em BCD.a) 290(10)

Solução:a) 290(10) = 0010 1001 0000(BCD) 290(10) = 001010010000(BCD)

sistema decimal

0123456789

bcd 8421

0000000100100011010001010110011110001001

18


Exemplo:Converter os seguintes números em decimal.a) 1001010000001000(BCD) = 1001 0100 0000 1000(BCD) 1001010000001000(BCD) = 9 4 0 8 (10) = 9408(10)

Circuitos lógicos básicos

Chamamos de circuitos lógicos aqueles circuitos que trabalham comvariáveis lógicas.

Uma variável lógica é aquela que só assumi apenas dois valores distintos.Geralmente o sistema de numeração binário é utilizado para representaros dois possíveis valores que uma variável lógica pode assumir.

Um circuito lógico, seja ele digital, pneumático ou outro tipo qualquer,possui variáveis de entrada e variáveis de saída. Onde as variáveis desaída vão estar em função das variáveis de entrada.

Isso significa que os estados lógicos de saída dependem dos estadoslógicos de entrada.

Tabela Verdade

Uma Tabela Verdade pode ser definida como a representação de todosos estados (todas as possibilidades) de um circuito lógico. Toda TabelaVerdade é formada por dois campos:

a) o campo das variáveis de entrada: que deve ser preenchido no sistemabinário e em ordem crescente, e

2. L

ÓG

ICA D

IGIT

AL

1919191919


b) o campo das variáveis de saída: que deve ser preenchido de acordocom a função do circuito lógico.

Funções lógicas básicas

Os sistemas digitais são formados por circuitos lógicos denominadosPortas Lógicas ou Blocos Lógicos. Esses Blocos representam um circuitoou uma filosofia de funcionamento, que são as Funções Lógicas Básicas.Existem 3 funções lógicas básicas que podem ser conectadas de diversasmaneiras, formando sistemas que vão de circuitos simples a circuitosmuito complexos.

Função lógica NOT (NÃO)

A função NOT é aquela em que o circuito inverte o nível de entrada. Elapossui somente uma entrada e uma saída e obedece à seguinte definição:

A função NOT é aquela que terá nível lógico “1” como resultado quandoa entrada for igual a “0” e vice-versa.

Isso significa que a função NOT é um inversor lógico, ou seja, o nívellógico da sua saída será sempre o oposto do nível lógico de entrada.

20


Função lógica AND (E)

Esta função pode ser realizada por circuitos com duas ou mais entradase uma saída e funciona de acordo com a seguinte definição:

A saída de um circuito que executa a função AND será “1”, somente setodas as entradas forem “1”.

Função lógica OR (OU INCLUSIVA)

Esta porta também possui duas ou mais entradas, e uma saída,funcionando de acordo com a seguinte definição:

A função OR é aquela que terá “1” como resultado se uma ou maisentradas forem “1".

2. L

ÓG

ICA D

IGIT

AL

2121212121


Função lógica NAND (NÃO-E)

A função lógica NAND é na realidade a combinação das duas funçõeslógicas básicas AND e NOT.

Note que a função NAND é constituída de uma AND seguida de uminversor (NOT).

Função lógica NOR (NÃO-OU)

A função lógica NOR é na realidade a combinação das duas funçõeslógicas básicas OR e NOT.

Note que a função NOR é constituída de uma OR seguida de um inversor(NOT).

22


Função lógica EXCLUSIVE-OR (OU-EXCLUSIVA)A função lógica OU EXCLUSIVE é aquela que terá “1” como resultado,somente quando uma entrada, entre duas variáveis de entrada, for igual a“1”.

Função lógica EXCLUSIVE-NOR (NÃO-EXCLUSIVA ouCIRCUITO COINCIDÊNCIA)

Esta função fornece nível lógico “1” como resultado somente quandosuas entradas, entre duas variáveis, forem iguais. Esta função também éconhecida como circuito Coincidência.

Simplificação de expressões lógicas – Noções básicas

Álgebra de Boole

Álgebra booleana é uma técnica matemática usada quando consideramosproblemas de natureza lógica. Em 1847, um matemático inglês chamadoGeorge Boole desenvolveu as leis básicas e regras matemáticas quepoderiam ser aplicadas em problemas de lógica dedutiva. Até 1938, estastécnicas se limitaram a ser usadas no campo matemático. Nesta época,Claude Shammon, um cientista do Bell Laboratories, percebeu a utilidadede tal álgebra quando aplicada no equacionamento e análise de redes demulticontatos. Com o desenvolvimento dos computadores, o uso daálgebra de Boole no campo da eletrônica cresceu, de modo que ela é hoje

2. L

ÓG

ICA D

IGIT

AL

2323232323


ferramenta fundamental para engenheiros e matemáticos nodesenvolvimento de projetos lógicos. Originalmente a álgebra de Boolefoi baseada em proposições que teriam como resultado serem falsas ouverdadeiras. Shammon usou a álgebra de Boole para equacionar uma malhade contatos que poderiam estar abertos ou fechados.

É fácil perceber que a lógica de Boole é extremamente inter-relacionadacom o sistema de numeração binária, já que ambos trabalham com doisvalores para cada variável.

Alguns teoremas da álgebra de Boole:

Lei Comutativa

a) A + B = B + Ab) A * B = B * A

Lei Associativa

a) (A+B)+C = A+ (B+C)b) (A*B)*C = A* (B*C)

Lei Distributiva

a) (A*B)+C = A*B+A*Cb) (A+B)*C = (A+B)*(A+C)

Lei da Identidade

a) A+A=Ab) A*A=A

Lei da Negação

a) A” = A

Mapa de Karnaugh

O Mapa de Karnaugh é uma ferramenta para a simplificação de expressõeslógicas.

24


Devemos ter em mente que serão mostradas apenas as regras de utilizaçãodos Mapas de Karnaugh, não sendo necessário o estudo das regras deconstrução deles.

Mapa de Karnaugh para 2 variáveis (A/B)

Mapa de Karnaugh para 3 variáveis (A/B/C)

Mapa de Karnaugh para 4 variáveis (A/B/C/D)

Localização dos mintermos nos Mapas de Karnaugh

A localização dos mintermos é feita com base na interseção de umacoluna com uma linha do Mapa. Por exemplo, no Mapa a seguir, a segundacoluna (da esquerda para a direita) com a terceira linha (de cima parabaixo).

2. L

ÓG

ICA D

IGIT

AL

2525252525


Outro exemplo:

Principais conceitos e regras para a utilização dos Mapas deKarnaugh

Grupo ou agrupamento – É um conjunto de mintermos em que onúmero de elementos é potência inteira de dois. Por exemplo: um grupoé formado apenas por mintermos, porém o número de mintermos sópoderá ser 1; 2; 4; 8; 16 ... (20; 21; 23; 24;... respectivamente).

Repare no grupo a seguir: ele possui 3 elementos (mintermos), como 3não é potência inteira de 2, o grupo é falso.

Sentidos de agrupamento – Todo grupo só poderá ser feito nos sentidosVertical e/ou Horizontal.

26


Contido e não está contido – Esta regra determina que um grupo nãopode conter um outro grupo, ou seja, um grupo não pode estar dentrodo outro.

Regra da interseção – Um grupo pode compartilhar elementos comoutros grupos, desde que também todo grupo envolvido na interseçãopossua pelo menos um elemento pertencente apenas a ele.

No exemplo abaixo são apresentados três grupos: Grupo A, Grupo B eGrupo C. Repare que todos os grupos possuem pelo menos umelemento que só pertence apenas a eles. Por essa razão todos osgrupos são válidos.

Máxima simplificação – Para que o Mapa de Karnaugh tenha eficiência,devemos fazer com que os grupos tenham o maior número de elementospossível (respeitando as regras anteriores) e, com isso, o Mapa tenha omenor número de grupos (conseqüência natural).

Exemplo: Entre fazer dois grupos de dois, existindo a possibilidade dese fazer um grupo com quatro elementos, a solução correta será umgrupo com quatro elementos.

2. L

ÓG

ICA D

IGIT

AL

2727272727


Ligação lógica das variáveis – Variáveis lógicas do mesmo grupo devemser ligadas com o operador lógico “E” (AND). Variáveis lógicas de gruposdiferentes devem ser ligadas com o operador lógico “OU” (OR).

Exemplo: Repare que temos três grupos: X, Y e Z. Devemos procurarem cada grupo a variável que aparece o número de vezes igual ao númerode elementos que o grupo possui. Se existir mais de uma variável omesmo grupo, devemos ligar uma a outra com o operador lógico “E”. OGrupo Y, por exemplo, é um grupo com 4 elementos, e por essa razãodevemos procurar (observando) a variável que aparece 4 vezes. No caso,são as variáveis B e D. Dessa maneira, o Grupo Y irá gerar a expressãoB.D (B “AND” D).

Se as variáveis pertencessem a grupos diferentes, elas deveriam serligadas com o operador lógico “OU” (OR). Assim a expressão finalserá:

Exemplo de simplificação com base nos Mapas de Karnaugh:

S = ABC + ABC + ABC + ABC + ABC

28


Passos necessários para a simplificação através do Mapa de Karnaugh:

1º Passo: Represente cada mintermo da expressão na sua respectivaposição no Mapa.

2º Passo: Em seguida faça os grupos respeitando as regras estudadas.

3º Passo: Verifique em cada grupo as variáveis que aparecem em comumconforme o número do grupo e as interligue com o operador lógico “E”.

4º Passo: Finalmente interligue o que foi encontrado nos gruposisoladamente com o operador lógico “OU”. Dessa maneira teremos aexpressão simplificada com base no Mapa de Karnaugh.

S = A + BC

2. L

ÓG

ICA D

IGIT

AL

2929292929


Praticando

O que você entende por função lógica NOT.

O que você entende por função lógica E (AND).

O que você entende por função lógica OU INCLUSIVA (OR).

Cite alguns teoremas da álgebra de Boole.

3131313131


3. CLPs: CONTROLADORESLÓGICOS PROGRAMÁVEIS

Introdução

O Controlador Lógico Programável (CLP) nasceu praticamente dentroda indústria automobilística americana, especificamente na HydronicDivision da General Motors, em 1968, devido à grande dificuldade demudar a lógica de controle de painéis de comando a cada mudança nalinha de montagem. Tais mudanças implicavam altos gastos de tempo edinheiro. Sob a liderança do engenheiro Richard Morley, foi preparadauma especificação que refletia as necessidades de muitos usuários decircuitos a relés, não só da indústria automobilística, como de toda aindústria manufatureira. Nascia, assim, um equipamento bastante versátile de fácil utilização, que vem sendo aprimorado constantemente,diversificando cada vez mais os setores industriais e suas aplicações.

Os primeiros controladores tinham pouca capacidade de processamentoe suas aplicações se limitavam a máquinas e pequenos processos quenecessitavam de operações repetitivas. A partir de 1970, com o adventoda tecnologia de microprocessadores, os controladores passaram a teruma grande capacidade de processamento e alta flexibilidade deprogramação e expansão. Entre outras características, citamos: ser capazde operar com números, realizar operações aritméticas com ponto deci-mal flutuante, manusear dados e se comunicar com computadores. Dessaforma, os CLPs atuais podem atuar tanto em controle discreto, taiscomo automação da manufatura, em que as máquinas apresentam açõesautomáticas e discretizadas no tempo, como em controle contínuo, taiscomo processos químicos e siderúrgicos, com característicasprimordialmente analógicas.

O sistema utilizado para programar o controlador era um dispositivodedicado e acondicionado em uma maleta portátil, chamada de maleta deprogramação, de forma que podia ser levada para “campo” a fim de alterar

32


dados e realizar pequenas modificações no programa. O sistema dememória do controlador não permitia facilidades de programação porutilizar memórias do tipo EPROM (Erasable Programmable Read-OnlyMemory).

Inovações no hardware e software entre 1975 e 1979 proporcionaram aoCLP maior flexibilidade e capacidade de processamento. Isso significouaumento na capacidade de memória e de entradas/saídas remotas, controleanalógico, controle de posicionamento, comunicações, etc. A expansãode memória permitiu um programa de aplicação maior e uma maiorquantidade de dados, de forma que os programas de controle não ficassemrestritos à lógica e ao seqüenciamento, mas também realizassem aquisiçãoe manipulação de dados. Com o desenvolvimento do controle analógico,o controlador programável preencheu uma distância que existia entrecontrole discreto e controle contínuo.

Até recentemente não havia nenhuma padronização entre fabricantes,apesar da maioria utilizar as mesmas normas construtivas. Porém, pelomenos no nível de software aplicativo, os controladores programáveispodem se tornar compatíveis com a adoção da norma IEC 1131-1, queprevê a padronização da linguagem de programação e sua portabilidade.Outra novidade que vem sendo incorporada pelos controladoresprogramáveis é o Fieldbus (barramento de campo), que surge comouma proposta de padronização de sinais no nível de chão-de-fábrica.Este barramento se propõe a diminuir sensivelmente o número decondutores usados para interligar os sistemas de controle aos sensores eatuadores, além de propiciar a distribuição da inteligência por todo oprocesso.

Hoje os CLPs oferecem um considerável número de benefícios paraaplicações industriais, que podem ressaltar em economia que excede ocusto do CLP e devem ser considerados quando da seleção de umdispositivo de controle industrial. Existem vários tipos de controladores,desde os de pequena capacidade até os mais sofisticados, realizandooperações que antes eram consideradas específicas para computadores.

3. C

LPs: C

ON

TR

OLAD

OR

ES

LÓ

GIC

OS

PR

OG

RAM

ÁVEIS

3333333333


História

Podemos didaticamente dividir os CLPs historicamente de acordo como sistema de programação por ele utilizado:

1º Geração

Os CLPs de primeira geração se caracterizam pela programaçãointimamente ligada ao hardware do equipamento. A linguagem utilizadaera o Assembly, que variava de acordo com o processador utilizado noprojeto do CLP, ou seja, para poder programar era necessário conhecer aeletrônica do projeto do CLP. Assim a tarefa de programação eradesenvolvida por uma equipe técnica altamente qualificada, gravando-seo programa em memória EPROM, sendo realizada normalmente nolaboratório junto com a construção do CLP.

2º Geração

Aparecem as primeiras “Linguagens de Programação” não tãodependentes do hardware do equipamento, possíveis pela inclusão deum “programa monitor“ no CLP, o qual converte (no jargão técnicoCompila) as instruções do programa, verifica o estado das entradas,compara com as instruções do programa do usuário e altera o estado dassaídas. Os Terminais de Programação (ou Maletas, como eramconhecidas) eram na verdade Programadores de Memória EPROM. Asmemórias depois de programadas eram colocadas no CLP para que oprograma do usuário fosse executado.

3º Geração

Os CLPs passam a ter uma Entrada de Programação, onde um Tecladoou Programador Portátil é conectado, podendo alterar, apagar, gravar oprograma do usuário, além de realizar testes (Debug) no equipamento eno programa. A estrutura física também sofre alterações, sendo a tendênciapara os Sistemas Modulares com Bastidores ou Racks.

34


4º Geração

Com a popularização e a diminuição dos preços dos microcomputadores(normalmente clones do IBM PC), os CLPs passaram a incluir umaentrada para a comunicação serial. Com o auxílio dos microcomputadores,a tarefa de programação passou a ser realizada nestes. As vantagens erama utilização de várias representações das linguagens, possibilidade desimulações e testes, treinamento e ajuda por parte do software deprogramação, possibilidade de armazenamento de vários programas nomicro, etc.

5º Geração

Atualmente existe uma preocupação em padronizar protocolos decomunicação para os CLPs, de modo a proporcionar que o equipamentode um fabricante “converse” com o equipamento outro fabricante, nãosó CLPs, como Controladores de Processos, Sistemas Supervisórios,Redes Internas de Comunicação, etc., proporcionando uma integração afim de facilitar a automação, o gerenciamento e o desenvolvimento deplantas industriais mais flexíveis e normalizadas, fruto da chamadaglobalização.

Existe uma fundação mundial para o estabelecimento de normas eprotocolos de comunicação.

Há vários tipos de controladores, desde os de pequena capacidade até osmais sofisticados, realizando operações que antes eram consideradasespecíficas para computadores. A evolução do hardware conduziu amelhoras significativas nas características do controlador, entre outrascitamos:

Redução no tempo de varredura;Interface de E/S (entrada/saída) microprocessadas;Ex: módulo PID (Proporcional Integral Derivativa), Módulo

ASCII, módulo de posicionamento;Interface homem-máquina (IHM) mais poderosa e amigável.

3. C

LPs: C

ON

TR

OLAD

OR

ES

LÓ

GIC

OS

PR

OG

RAM

ÁVEIS

3535353535


No software também surgiram novas características, tais como:

Linguagem em blocos funcionais e estruturação de programa;Linguagens de programação de alto nível, baseadas em BASIC;Diagnósticos e detecção de falhas;Operações matemáticas em pontos flutuantes através de co-

processadores matemáticos, etc.

Vantagens do uso de controladores lógicos programáveis:

Ocupam menor espaço;Requerem menor potência elétrica;Podem ser reutilizados;São programáveis, permitindo alterar os parâmetros de controle;Apresentam maior confiabilidade;Têm manutenção mais fácil e rápida;Oferecem maior flexibilidade;Apresentam interface de comunicação com outros CLPs e

computadores de controle;Permitem maior rapidez na elaboração do projeto do sistema.

Conceituação

Devido ao intuito inicial de substituírem os painéis de relés no controlediscreto, foram chamados de Controladores Lógicos Programáveis –CLP (Programmable Logic Controllers – PLC). Porém, atualmente oscontroladores são bem mais complexos e não executam somente lógicado tipo “E” e “OU”, motivo pelo qual passaram a ser chamados apenasde Controladores Programáveis – CP.

Um controlador lógico programável é um equipamento eletrônicodedicado à aquisição e tratamento de dados em tempo real de máquinase sistemas industriais. Executa uma seqüência de instruções introduzidasem sua memória sob a forma de programa, semelhante a ummicrocomputador. No entanto, o controlador programável distingue-sedos microcomputadores por três características fundamentais:

36


Pode ser ligado diretamente aos sensores e pré-acionadores;Está concebido para trabalhar em ambientes industriais agressivos

(temperatura, vibração, microinterrupções de tensão de alimentação,ruídos, etc.);

Sua linguagem de programação foi desenvolvida para o tratamentode funções de automação, não sendo necessários profundosconhecimentos de informática para a instalação e operação.

Normalização

Existe a tendência de utilização de um padrão de linguagem deprogramação onde será possível a intercambiabilidade de programas en-tre modelos de CLPs e até de fabricantes diferentes.

Esta padronização está de acordo com a norma IEC 1131-3. Na verdade,este tipo de padronização é possível utilizando-se o conceito de linguagemde alto nível, em que, através de um compilador, se pode adaptar umprograma para a linguagem de máquina de qualquer tipo demicroprocessador, isto é, um programa-padrão, que pode servir tantopara o CLP de um fabricante A como para o de um fabricante B.

A norma IEC 1131-3 prevê três linguagens de programação e duas formasde apresentação. As linguagens são:

Ladder Diagram – programação como esquemas de relés;Boolean Blocks – blocos lógicos representando portas “E”, “OU”,

“Negação”, “Ou EXCLUSIVO”, etc.Structured Control Language (SCL) – linguagem que vem

substituir todas as linguagens declarativas tais como linguagem deinstruções, BASIC estruturado e inglês estruturado.

As formas de representação são:Programação convencional;Seqüencial Function Chart (SFC) – evolução do Graphcet francês.

A grande vantagem de se ter o software normalizado é que conhecendoum, são conhecidos todos, o que propicia economia em treinamento e

3. C

LPs: C

ON

TR

OLAD

OR

ES

LÓ

GIC

OS

PR

OG

RAM

ÁVEIS

3737373737


garante que, por mais que um fornecedor deixe o mercado, a empresanunca ficará sem condições de crescer ou repor equipamentos.

Arquitetura Básica

A arquitetura de um CLP é basicamente a mesma que a de umcomputador de uso geral. Entretanto, existem algumas característicasimportantes que diferem o CLP dos computadores. Podemos dizer quetodos os CLPs são computadores por definição, mas nem todos oscomputadores são CLPs. A diferença está nos métodos de programação,operação, considerações, ambientes e manutenção.

O CLP é um equipamento de estado sólido, que pode ser programadopara executar instruções que controlem dispositivos, máquinas eoperações de processos, por meio da implementação de funçõesespecíficas como lógica de controle, seqüenciamento, controle de tempo,operações aritméticas, controle estatístico, controle de malha,transmissão de dados, etc.

Os CLPs são projetados e construídos para operarem em ambientesindustriais; portanto, devem resistir a altas temperaturas, ruídos elétricos,poluição atmosférica, ambientes úmidos, etc.

Sua capacidade quanto ao número de entradas e saídas, memória, conjuntode instruções, velocidade de processamento, conectividade, flexibilidade,IHM, etc. varia conforme o fabricante e o modelo.

Uma especificação típica de CLP inclui temperaturas na faixa de 0º a60°C e umidade relativa de 5% a 95%.

A segunda distinção dos CLPs é que o hardware e o software foramprojetados para serem operados por técnicos não especializados (nívelexigido para a manutenção). Usualmente, a manutenção é feita pelasimples troca de módulos e existem softwares que auxiliam na localizaçãode defeitos. As interfaces de hardware para conexão dos dispositivos decampo estão prontas para uso e são facilmente intercambiáveis (estruturamodular).

38


O software residente, desenvolvido pelo fabricante e que determina omodo de funcionamento do controlador, também se caracteriza por umadiferença fundamental: ele realiza funções de acesso ao hardware,diagnósticos, comunicações e determina o funcionamento do controladorem um modo de operação dedicado (ciclo de varredura) e totalmentetransparente ao usuário.

O CLP é um sistema microprocessado, ou seja, é constituído de ummicroprocessador (ou microcontrolador), um programa monitor, umamemória de programa, uma memória de dados, uma ou mais interfacesde entrada, uma ou mais interfaces de saída e circuitos auxiliares.

As principais diferenças em relação a um computador comum estãorelacionadas à qualidade da fonte de alimentação, que possui boascondições de filtragem e estabilização, interfaces de E/S (entrada/saída),é imune a ruídos e tem invólucro específico para aplicações industriais.

O diagrama de blocos, a seguir, ilustra a arquitetura básica de um CLP:

Processador

O processador do CLP é responsável pelo processamento do programa,isto é, coleta os dados dos cartões de entrada, efetua o processamentosegundo o programa do usuário, armazenado na memória, e envia o sinalpara os cartões de saída como resposta ao processamento.

Fonte de alimentação

A fonte de alimentação pode ser interna ou externa à CPU do CLP etem normalmente as seguintes funções básicas:

3. C

LPs: C

ON

TR

OLAD

OR

ES

LÓ

GIC

OS

PR

OG

RAM

ÁVEIS

3939393939


a) Converter a tensão da rede elétrica (110 ou 220 Vca) para atensão de alimentação dos circuitos eletrônicos (+5Vcc para oprocessador, memórias e circuitos auxiliares e ±12 Vcc para acomunicação com o terminal de programação);

b) Manter a carga da bateria, nos sistemas que utilizam relógio emtempo real e memória do tipo RAM;

c) Fornecer tensão para alimentação das entradas e saídas (12 ou24 Vcc).

Memória do programa monitor (ROM)

O programa monitor é o responsável pelo funcionamento geral do CLP.Ele é o responsável pelo gerenciamento de todas as atividades do CLP.Não pode ser alterado pelo usuário e fica armazenado em memórias dotipo PROM (Programmable Read-Only Memory), EPROM (ErasableProgrammable Read-Only Memory) ou EEPROM (Electrically-Eras-able Programmable Read-Only Memory). Ele funciona de maneira simi-lar ao sistema operacional dos microcomputadores. É o programa moni-tor que permite a transferência de programas entre um microcomputadorou terminal de programação e o CLP, o gerenciamento do estado dabateria do sistema, o controle dos diversos opcionais, etc.

Memória de aplicação ou memória do usuário

É onde se armazena o programa da aplicação desenvolvido pelo usuário.Pode ser alterada pelo usuário, já que uma das vantagens do uso de CLPsé a flexibilidade de programação.

Inicialmente constituída de memórias do tipo EPROM, hoje utilizamemórias do tipo RAM (Random Access Memory), cujo programa émantido pelo uso de baterias, EEPROM e FLASHEPROM, sendotambém comum o uso de cartuchos de memória, o que permite a trocado programa com a troca do cartucho de memória. A capacidade destamemória varia bastante de acordo com o marca/modelo do CLP, e énormalmente dimensionada em passos de programa.

40


Memória de dados

É a região de memória destinada a armazenar os dados do programa dousuário. Estes dados são valores de temporizadores, valores de contadores,códigos de erro, senhas de acesso, etc.

São normalmente partes da memória RAM do CLP. São valoresarmazenados que serão consultados e/ou alterados durante a execuçãodo programa do usuário. Em alguns CLPs, utiliza-se a bateria para reteros valores desta memória no caso de uma queda de energia.

Bateria

As baterias são usadas nos CLPs para manter o circuito do relógio emtempo real, reter parâmetros ou programas (em memórias do tipo RAM),mesmo em caso de corte de energia, guardar configurações deequipamentos, etc. Normalmente são utilizadas baterias recarregáveisdo tipo Ni-Ca ou Li. Nesses casos, incorporam-se circuitos carregadores.

Memória imagem das entradas/saídas

Sempre que a CPU executa um ciclo de leitura das entradas ou executauma modificação nas saídas, ela armazena os estados da cada uma dasentradas ou saídas em uma região de memória denominada memóriaimagem das entradas/saídas. Essa região de memória funciona comouma espécie de “tabela” onde a CPU irá obter informações das entradasou saídas para tomar as decisões durante o processamento do programado usuário.

Módulos de entrada

Os módulos de entrada são interfaces entre os sensores, localizados nocampo, e a lógica de controle de um controlador programável. Essesmódulos são constituídos de cartões eletrônicos, cada qual com capacidadepara receber certo número de variáveis. Podem adequar eletricamente ossinais de entrada para que possam ser processados pela CPU (oumicroprocessador) do CLP.

Pode ser encontrada uma variedade muito grande de tipos de cartões,para atender às mais variadas aplicações nos ambientes industriais.

3. C

LPs: C

ON

TR

OLAD

OR

ES

LÓ

GIC

OS

PR

OG

RAM

ÁVEIS

4141414141


Temos dois tipos básicos de entrada: as digitais e as analógicas.

a) Entradas digitais ou discretas

São aquelas que trabalham com apenas dois estados possíveis, ligado oudesligado (0 ou 1), e alguns dos exemplos de dispositivos que podemser ligados a elas são:

Botoeiras;Chaves fim de curso;Sensores de proximidade indutivos ou capacitivos;Chaves comutadoras;Termostatos;Pressostatos;Controle de nível (bóia); etc.

As entradas digitais podem ser construídas para operarem em correntecontínua ou em corrente alternada (por exemplo, 120 ou 230 Vca). Asentradas de corrente contínua também são classificadas em tipo N (NPNou Source) ou tipo P (PNP ou Sink). No caso das entradas do tipo N, énecessário fornecer o potencial negativo da fonte de alimentação ao bornede entrada para que ela seja ativada. No caso do tipo P, é necessáriofornecer o potencial positivo ao borne de entrada. Em qualquer dos tipos,é de praxe existir uma isolação galvânica entre o circuito de entrada e aCPU. Esta isolação é feita normalmente através de optoacopladores.

As entradas de 24 Vcc são geralmente utilizadas quando a distância en-tre os dispositivos de entrada e o CLP não exceda 50 m. Caso contrário,o nível de ruído pode provocar disparos acidentais.

A entrada digital com fonte externa é o tipo mais utilizado. Tambémneste caso, a característica da fonte de alimentação externa dependerá daespecificação do módulo de entrada. Observe que as chaves que acionamas entradas situam-se no campo.

42


b) Entradas analógicas

As interfaces de entrada analógica permitem que o CLP possa manipu-lar grandezas analógicas, enviadas normalmente por sensores eletrônicos.As grandezas analógicas elétricas tratadas por estes módulos sãonormalmente tensão ou corrente. No caso de tensão, a faixa de utilizaçãomais utilizada é: 0 a 10 Vcc, e no caso de corrente, a faixa utilizada é: 4 a20 mA.

Os principais dispositivos utilizados com as entradas analógicas são:

Sensores de pressão manométrica;Sensores de pressão mecânica (strain gauges – utilizados em células

de carga);Taco-geradores, para medição de rotação de eixos;Transmissores de temperatura;Termopares; etc.

Uma informação importante a respeito das entradas analógicas é a suaresolução. Esta é normalmente medida em bits. Uma entrada analógicacom um maior número de bits permite uma melhor representação dagrandeza analógica. Por exemplo: Uma placa de entrada analógica de 0 a10 Vcc com uma resolução de 8 bits permite uma sensibilidade de 39,2mV, enquanto que a mesma faixa em uma entrada de 12 bits permiteuma sensibilidade de 2,4 mV e uma de 16 bits permite uma sensibilidadede 0,2 mV.

Este tipo de entrada trabalha numa faixa de valores conhecidos.

A entrada analógica em corrente é implementada diretamente notransmissor, como mostra o diagrama.

A entrada analógica em tensão necessita de um shunt para a conversãodo valor de corrente em tensão, como mostra o diagrama abaixo. Ovalor do resistor shunt dependerá da faixa de saída do transmissor e dafaixa de entrada do ponto analógico. Para tal cálculo, utiliza-se a Lei deOhm (R = V / I).

3. C

LPs: C

ON

TR

OLAD

OR

ES

LÓ

GIC

OS

PR

OG

RAM

ÁVEIS

4343434343


Tratamento do sinal de entrada

O tratamento que deve sofrer um sinal de entrada varia em função desua natureza, isto é, um cartão do tipo digital que recebe sinal alternado,se difere do tratamento de um cartão digital que recebe sinal contínuo eassim nos demais tipos de sinais.

A seguir é mostrado um diagrama no qual estão colocados os principaiscomponentes de um cartão de entrada digital de tensão alternada:

B.C. – Bornes de conexão: Permite a interligação entre o sensor eo cartão, e geralmente utiliza o sistema plug-in.

C.C. – Conversor e Condicionador: Converte em DC o sinalAC, e rebaixa o nível de tensão até atingir valores compatíveis com orestante do circuito.

I.E. – Indicador de Estado: Proporciona a indicação visual do estadofuncional das entradas.

I.EI. – Isolação Elétrica: Proporciona a isolação elétrica entre ossinais vindos e que serão entregues ao processador.

I.M. – Interface/Multiplexação: Informa ao processador o estadode cada variável de entrada.

Módulos de saída

Os módulos ou interfaces de saída adaptam eletricamente os sinais vindosdo microprocessador para que possamos atuar nos circuitos controlados.Existem dois tipos básicos de interfaces de saída: as digitais e as analógicas.

44


a) Saídas digitais

As saídas digitais admitem apenas dois estados: ligado e desligado(0 ou 1). Podemos com elas controlar dispositivos do tipo:

Relés;Contatores;Relés de estado – sólido;Solenóides;Válvulas;Inversores de freqüência; etc.

As saídas digitais também podem ser construídas para operarem emcorrente contínua ou em corrente alternada (por exemplo, 120 ou 230Vca). No caso das saídas digitais por tensão de corrente contínua, elastambém são classificadas em tipo N (NPN ou Sink) ou tipo P (PNP ouSource).

Nas saídas digitais de corrente alternada geralmente são utilizadastiristores (por exemplo Triac) no estágio de saída da placa. Podemostambém encontrar saídas digitais a relé. Neste caso, elas podem trabalharcom cargas de corrente contínua ou alternada.

Nos três casos, também é de praxe prover o circuito de um isolamentogalvânico, normalmente optoacoplado.

Uma boa prática de todo profissional é ler o manualde instalação dos equipamentos. No que dizrespeito às saídas digitais dos CLPs, devem serrigorosamente respeitados os limites de tensão,corrente e polaridade, quando for o caso.

ATENÇÃO

3. C

LPs: C

ON

TR

OLAD

OR

ES

LÓ

GIC

OS

PR

OG

RAM

ÁVEIS

4545454545


b) Saídas analógicas

Os módulos ou interfaces de saída analógica convertem valores numéricosem sinais de saída em tensão ou corrente. No caso de tensão,normalmente 0 a 10 Vcc, e no caso de corrente, de 4 a 20 mA. Estessinais são utilizados para controlar dispositivos atuadores do tipo:

Válvulas proporcionais;Motores C.C.;Servomotores C.C;Inversores de freqüência;Posicionadores rotativos; etc.

Tratamento do sinal de saída

Existem vários tipos de cartões de saída que se adaptam à grande variedadede atuadores existentes. Por este motivo, o sinal de saída gerado de acordocom a lógica de controle deve ser condicionado para atender ao tipo dagrandeza que acionará o atuador.

A seguir é mostrado um diagrama no qual estão colocados os principaiscomponentes de um cartão de saída digital de corrente contínua:

I.M. – Interface/Multiplexação: Interpreta os sinais vindos da CPUatravés do barramento de dados, para os pontos de saída, correspondentea cada cartão.

M.S. – Memorizador de Sinal: Armazena os sinais que já forammultiplexados pelo bloco anterior.

I.El. – Isolação Elétrica: Proporciona isolação elétrica entre os sinaisvindos do processador e os dispositivos de campo.

46


E.S. – Estágio de Saída: Transforma os sinais lógicos de baixapotência em sinais capazes de operar os diversos tipos de dispositivo decampo.

B.L. – Bornes de Ligação: Permite a ligação entre o cartão e oelemento atuador, e utiliza também o sistema plug-in.

Circuitos auxiliares

São circuitos responsáveis para atuar em casos de falha do CLP.Alguns deles são:

POWER ON RESET: Quando se energiza um equipamentoeletrônico digital, não é possível prever o estado lógico dos circuitosinternos. Para que não ocorra um acionamento indevido de uma saída,que pode causar um acidente, existe um circuito encarregado de desligaras saídas no instante em que se energiza o equipamento. Assim que omicroprocessador assume o controle do equipamento esse circuito édesabilitado.

POWER–DOWN: O caso inverso ocorre quando umequipamento é subitamente desenergizado. O conteúdo das memóriaspode ser perdido. Existe um circuito responsável por monitorar a tensãode alimentação, e em caso do valor desta cair abaixo de um limitepredeterminado, o circuito é acionado interrompendo o processamentopara avisar o microprocessador e armazenar o conteúdo das memóriasem tempo hábil.

WATCHDOG TIMER: Para garantir, no caso de falha domicroprocessador, que o programa não entre em loop, o que seria umdesastre, existe um circuito denominado cão-de-guarda, que deve seracionado em intervalos de tempo predeterminados. Caso não sejaacionado, ele assume o controle do circuito sinalizando uma falha geral.

3. C

LPs: C

ON

TR

OLAD

OR

ES

LÓ

GIC

OS

PR

OG

RAM

ÁVEIS

4747474747


LEDs de sinalização

De uma forma geral, podemos visualizar as principais funções na partefrontal do controlador através de LEDs de sinalização que indicam oestado operacional do equipamento. Estas funções normalmente sãoencontradas independentemente da arquitetura física do controlador, istoé, se em forma modular ou compacta.

Sinalizadores mais comuns nos CLPs:

LED RUN (EXE) – O estado operacional do controlador podeser definido através de chaves na parte frontal do próprio CLP (nãoilustrado na figura) ou através do terminal de programação (TP). Porexemplo, pode-se colocar o CLP em modo de execução por meio de umcomando do TP, e uma vez neste estado, o CLP executará o programado usuário.

Por outro lado, pode-se colocar o CLP no modo de programação, o quehabilita o controlador a receber o programa do usuário.

Este LED tem a função de sinalizar o estado operacional do CLP, ouseja, se o programa residente na memória está ou não em execução.

LED PROG – Alguns CLPs possuem este sinalizador, cujo funçãoé sinalizar que o CLP está no modo de programação, isto é, pronto para“receber” uma aplicação.

LED BAT – Este LED sinalizador serve para indicar falha nosistema de bateria (backup), indicando ausência de bateria ou bateriafraca.

LED E/S – Indica uma falha nas placas de entrada e saída.LED COM (TER) – Este LED indica atividade na porta de

comunicação (porta de programação usada pelo TP).

48


LED ERR (ERRO) – Indica um erro de configuração ou deprocessamento.

LED de WATCHDOG – Indica um erro de tempo de watchdog,e neste caso o processamento pára.

Tipos de CLPs

As partes principais (processador, memória, circuitos auxiliares e às vezesa fonte de alimentação) formam o que chamamos de CPU (UnidadeCentral de Processamento) do CLP. Assim, dependendo de como estaspartes estão fisicamente organizadas, podemos ter dois tipos de estrutura:

Compacta – em que todos os componentes são colocados em umaúnica estrutura física, isto é, o processador, a memória, a fonte e o sistemade entrada/saída são colocados em um gabinete, ficando o usuário comacesso somente aos conectores do sistema de entrada e saída. Este tipode estrutura é normalmente empregado para CLPs de pequeno porte.

OBS.Nem sempre o acendimento deste sinalizador irá parar oprocessamento.

OBS.A forma de sinalização varia, dependendo da marca e domodelo do CLP, assim como, o número de sinalizadores.

3. C

LPs: C

ON

TR

OLAD

OR

ES

LÓ

GIC

OS

PR

OG

RAM

ÁVEIS

4949494949


Modular – em que cada componente ou um conjunto deles écolocado em um módulo. Podemos ter processador e memória em umúnico módulo com fonte separada ou então estas três partes juntas emum único gabinete. O sistema de entrada/saída é decomposto em módulosde acordo com suas características. Estes módulos são então colocadosem racks, formando uma configuração de médio e grande porte.

Funcionamento

Ciclo de varredura da CPU

O Processador do CLP é o elemento responsável pelo gerenciamento eprocessamento das informações do sistema. Em uma análise maisdetalhada, podemos concluir que o processador é, na verdade, umdispositivo conectado a circuitos auxiliares, tais como memórias, circuitosde temporização e interface, etc. Este processador expressa acomplexidade e a capacidade do controlador.

O processador do CLP coordena as atividades do sistema, interpretandoe executando um conjunto de instruções conhecidas como programaexecutivo ou monitor. Este programa realiza um papel similar ao sistemaoperacional de um microcomputador, com a diferença de serexclusivamente para controle e monitoração do CLP. O programaexecutivo se encontra armazenado em memórias não-voláteis e éconsiderado como parte do sistema.

Todas as funções relacionadas com a operação do CLP estão definidasno programa executivo. Existem funções básicas que são encontradasem qualquer controlador e outras funções que são consideradas especiaise constituem o diferencial entre CLPs de linhas ou fabricantes diferentes.Entre as funções básicas encontram-se:

50


Diagnósticos: watchdog, bateria, checksum;Modo de operação: em execução (run) e parado (stop);Comunicação: implementação de diversos tipos de protocolos.

O CLP tem uma forma particular de trabalhar que caracteriza o seufuncionamento. O controlador opera executando uma seqüência deatividades definidas e controladas pelo programa executivo. Este modode operação ocorre em um ciclo, chamado de Ciclo de Varredura (Scan),que consiste em:

Leitura das entradas externas;Execução da lógica programada;Atualização das saídas externas.

Na fase de leitura das entradas, o processador do CLP endereça o sistemade E/S, obtém os estados dos dispositivos que estão conectados earmazena estas informações, nas quais representamos na forma de bits“1” ou “0”, dependendo do estado obtido (ponto energizado equivale aobinário “1” e ponto desenergizado ao binário “0”). A região da memóriautilizada para armazenar estas informações é chamada de memória imagemdas entradas.

Na fase de execução da lógica programada pelo usuário, o processadordo CLP consulta a memória imagem para obter os estados dosdispositivos. Nesta fase, os resultados das lógicas programadas cujassaídas tenham um ponto correspondente no rack de saída são armazenadosem uma área de memória que é chamada de memória imagem de saída.As lógicas que possuem saídas internas serão armazenadas na área

3. C

LPs: C

ON

TR

OLAD

OR

ES

LÓ

GIC

OS

PR

OG

RAM

ÁVEIS

5151515151


correspondente. Durante a execução da lógica programada, se fornecessário a referência a uma saída qualquer, dentro do mesmo ciclo,esta memória é consultada. Observe que durante esta fase não é feitanenhuma referência a pontos externos (entrada ou saída), o processadoropera com informações obtidas da memória.

Na fase de atualização de saídas, o processador de CLP executa umavarredura na memória imagem de saída e atualiza as saídas externas,endereçando o sistema de E/S para atualizar o estado dos dispositivosexternos de acordo com o resultado da lógica programada. A seguir, ociclo é reiniciado e a operação continua enquanto se mantém o controladorno modo de execução (Run).

O tempo necessário para a varredura varia de controlador paracontrolador e depende de muitos fatores (tamanho da palavra, clock,instruções programadas, etc.). O fabricante especifica este tempo baseadona quantidade de instruções, normalmente instruções booleanas, e naquantidade de entradas/saídas. Qualquer outra função programadaaumenta este tempo de varredura.

Este processo de varredura pode ser inadequado para entradas rápidas,isto é, entradas com freqüência acima de 10 Hz. Neste caso devemosutilizar funções especiais do CLP para interromper a varredura doprograma e atualizar o estado de uma entrada ou de uma saídaimediatamente. Este processo é realizado por software e também estálimitado à execução do programa do usuário. Em aplicações de altavelocidade, tais como em sensores eletrônicos por pulsos, é aconselhávelo uso de módulos específicos (contadores de alta velocidade).

Interrupção

A interrupção do ciclo de varredura para atualização pode ocorrer deduas maneiras:

a) Interrupção para entrada imediata: o ciclo é interrompido paraleitura de módulos de entrada. Após a leitura ocorre a atualização databela imagem das entradas com os pontos selecionados e o programaprossegue normalmente;

52


b) Interrupção para saída imediata: após a execução de uma lógicapode ser necessário atualizar imediatamente as saídas externas. Nestecaso, programa-se uma Instrução de Saída Imediata para atualizar o estadoexterno. Observe que o processador acessa a memória imagem de saída,que já possui os resultados correntes e escreve no endereço do módulode saída referenciado na instrução.

Terminal de programação (TP)

O terminal de programação é um dispositivo periférico que é conectadotemporariamente ao CLP, e permite introduzir o programa do usuário econfiguração do sistema. Pode ser um equipamento dedicado, ou seja,um terminal que só tem utilidade como programador de um determinadofabricante de CLP, ou um software que transforma um computadorpessoal em um programador.

Neste periférico, através de uma linguagem, na maioria das vezes de fácilentendimento e utilização, será feita a codificação das informações vindasdo usuário numa linguagem que possa ser entendida pelo processador deum CLP. Dependendo do tipo de terminal de programação (TP), poderãoser realizadas funções como:

a) Elaboração do programa do usuário;b) Análise do conteúdo dos endereços de memória;c) Introdução de novas instruções;d) Modificação de instruções já existentes;e) Monitoração do programa do usuário;f) Cópia do programa do usuário em disco ou impressora.

3. C

LPs: C

ON

TR

OLAD

OR

ES

LÓ

GIC

OS

PR

OG

RAM

ÁVEIS

5353535353


Além das duas maneiras mais usuais apresentadas acima, a varreduranormal do programa do usuário pode ser alterada por uma entrada espe-cial que, tendo sofrido uma variação no seu estado, gera uma interrupçãono processador do CLP. Esta interrupção desvia a execução do programapara uma sub-rotina especial que pode ou não ser programada pelousuário.

O tempo de varredura é uma consideração importante na seleção doCLP. Ele indica a velocidade com que o CLP pode reagir às entradas decampo e resolver corretamente a lógica de controle. Por exemplo, se umCLP tem um tempo de varredura de 50 m/s e necessita monitorar umsinal de entrada que pode mudar de estado a cada 20 m/s, o CLP nuncaserá capaz de fazer a aquisição deste sinal corretamente, resultando emum mau funcionamento da aplicação.Os terminais de programação podem ser classificados em:

a) Terminal dedicado ou implementado: Tem como grandesdesvantagens seu custo elevado e sua baixa taxa de utilização, já que suamaior utilização se dá na fase de projeto e implantação da lógica decontrole.

Estes terminais são compostos por um teclado, para introdução dedados/instruções, e por um monitor, que tem a função de apresentar asinformações e condições do processo a ser controlado.

Como no caso dos terminais portáteis, com o advento da utilização decomputadores pessoais, este tipo de terminal caiu em desuso.

b) Terminal não dedicado: A utilização de um computador pessoal(PC) como terminal de programação é possível através da utilização deum software aplicativo dedicado a esta função. Neste tipo de terminal,tem-se a vantagem da utilização de um micro de uso geral realizando opapel do programador do CLP. O custo deste hardware (PC) e soft-ware é bem menor do que o de um terminal dedicado, além da grandevantagem de ter, após o período de implantação e eventuais manutenções,o PC disponível para outras aplicações comuns a um computador pessoal.Outra grande vantagem é a utilização de softwares cada vez maisinterativos com o usuário, utilizando todo o potencial e recursos desoftware e hardware disponíveis neste tipo de computador.

54


c) Terminal portátil dedicado: Geralmente são compostos por teclasque são utilizadas para introduzir o programa do usuário. Os dados e asinstruções são apresentados num display que fornece sua indicação, assimcomo a posição da memória endereçada. A maioria dos programadoresportáteis é conectada diretamente ao CP através de uma interface decomunicação (serial). Pode-se utilizar a fonte interna do CP ou possuiralimentação própria através de bateria. Com o advento dos computadorespessoais portáteis (laptop), estes terminais estão perdendo sua função,já que é possível executar todas as funções de programação em ambientemais amigável, com todas as vantagens do equipamento portátil.

Linguagens de programação

Na execução de tarefas ou resolução de problemas utilizando CLP, énecessária a utilização de uma linguagem de programação, através daqual o usuário irá escrever sua aplicação (programa).

A linguagem de programação é uma ferramenta necessária para gerar oprograma, que vai coordenar e seqüenciar as operações que o CLP deveexecutar.

Normalmente podemos programar um CLP através de um softwareque possibilita a sua apresentação ao usuário em quatro formas diferentes:

a) Linguagem LADDER;b) Linguagem FBD (Function Block Diagram);c) Linguagem IL (Instruction List);d) Linguagem ST (Structured Text);e) Linguagem GRAFCET.

OBS.Alguns CLPs possibilitam a apresentação do programa dousuário em uma ou mais formas.

3. C

LPs: C

ON

TR

OLAD

OR

ES

LÓ

GIC

OS

PR

OG

RAM

ÁVEIS

5555555555


Linguagem LADDER

A linguagem de contatos, também designada por linguagem “ladder”, éuma linguagem totalmente gráfica, apropriada para o tratamento lógicosimples de tipo combinatório. Utiliza os símbolos gráficos dos contatosnormalmente fechados e normalmente abertos e das bobinas. Assim,um programa em linguagem de contatos não se apresenta sob a forma deuma lista de instruções, mas sim como um esquema elétrico clássico.Nas redes de contatos podem ser inseridos blocos de funçõestemporizadores, contadores, registros, etc., e blocos de operações lógicasou aritméticas pré-programadas.

Linguagem FBD (Function Block Diagram)

Mesma linguagem utilizada em lógica digital, em que sua representaçãográfica é feita através das chamadas portas lógicas.

Linguagem IL (Instruction List)

Esta linguagem “lista de instruções” baseia-se nas regras da álgebrabooleana. Utiliza instruções que executam operações ou funções lógicassimples, tais como E (AND) lógico, OU (OR) lógico, OUEXCLUSIVO (XOR), etc., e funções pré-programadas (temporizadores,contadores, passo a passo, registros). Esta linguagem é, sobretudo,utilizada para sistemas de automação simples comandados por nano-CPs ou micro-CPs.

56


Linguagem ST (Structured Text)

Texto estruturado é uma linguagem evoluída, que proporciona inúmerasopções: programação de função simples, tais como testes ou ações sobrebits, palavras e blocos de funções, e também programação de funçõesmais complexas, tais como operações lógicas ou aritméticas, manipulaçõesde tabelas de dados, etc.

Linguagem GRAFCET

A linguagem GRAFCET permite representar, gráfica e estruturadamente,o funcionamento de um sistema de automação seqüencial. Resulta deum método de análise baseado na noção de etapas e de transições,relacionadas por ligações orientadas. As ações estão associadas às etapas,e as condições, às transições.

3. C

LPs: C

ON

TR

OLAD

OR

ES

LÓ

GIC

OS

PR

OG

RAM

ÁVEIS

5757575757


Instruções e blocos básicos

Os blocos básicos ou fundamentais nas linguagens de programação são:bloco NA (função SIM - NO), bloco NF (função NÃO - NOT), blocoSÉRIE (função E - AND) e o bloco PARALELO (função OU - OR).Veremos em detalhe cada bloco, em várias representações.

BLOCO NA (NORMALMENTE ABERTO), que pode serrepresentado:

BLOCO NF (NORMALMENTE FECHADO), que pode serrepresentado:

BLOCO SÉRIE (FUNÇÃO E), que pode ser representado:

58


BLOCO PARALELO (FUNÇÃO OU), que pode ser representado:

BLOCO SÉRIE NA-NF

BLOCO PARALELO NA-NF

Instruções e blocos especiais

BLOCO OU INSTRUÇÃO SET (SETAR): Esta instrução força oestado de uma saída ou memória a ficar ativada.

3. C

LPs: C

ON

TR

OLAD

OR

ES

LÓ

GIC

OS

PR

OG

RAM

ÁVEIS

5959595959


BLOCO OU INSTRUÇÃO RESET - RST (RESETAR): Esta instruçãoforça o estado de uma saída ou memória a ficar desativada.

BLOCO OU INSTRUÇÃO TIMER - T (TEMPORIZADOR): Estainstrução serve para ativar uma saída ou memória após certo período detempo.

BLOCO OU INSTRUÇÃO COUNTER - C (CONTADOR): Estainstrução serve para ativar uma saída ou memória, após certo número deeventos.

60


BLOCO OU INSTRUÇÃO END (FIM): Esta instrução serve paraavisar o programa monitor o final do programa do usuário; caso contrário,o programa monitor irá varrer toda a memória, mesmo que o programado usuário não a ocupe totalmente. A sua omissão causa um desperdíciode tempo de processamento.

BLOCO OU INSTRUÇÃO - ORB (OR BLOCK): A instrução ORBnão tem parâmetro físico de contato. É uma seqüência de lógicas AND,em paralelo com várias outras seqüências de lógica AND. A função ORBé uma ferramenta de programação para a criação de funções ORcomplexas.

BLOCO OU INSTRUÇÃO ANB (AND BLOCK): A instrução ANBnão tem um parâmetro físico de contato. É uma união de múltiplasseqüências de lógicas OR /ORI em série. É uma ferramenta para criaçãode funções AND complexas.

3. C

LPs: C

ON

TR

OLAD

OR

ES

LÓ

GIC

OS

PR

OG

RAM

ÁVEIS

6161616161


BLOCO OU INSTRUÇÃO COMPARAÇÃO - CMP: Esta instruçãoé utilizada para comparar valores de contadores, registradores etemporizadores.

BLOCO OU INSTRUÇÃO MOVER - MOV: Esta instrução é utilizadapara movimentar dados entre registradores, contadores e temporizadores.

BLOCO OU INSTRUÇÃO RENOVAÇÃO (Refresh) - REF: Estainstrução é utilizada para gerar a imagem das entradas ou saídas no blocode memória antes da instrução END.

BLOCO OU INSTRUÇÃO RENOVAÇÃO e FILTRO - REFF: Estainstrução é utilizada para filtrar o sinal de entrada, ou seja, evitar queruídos ativem a entrada (0 a 60 milissegundos ).

62


BLOCO OU FUNÇÃO ALTERNAR - ALT: Esta instrução é utilizadapara configurar uma saída em FLIP-FLOP.

Exemplo de um circuito de comando em mais de uma representação:

3. C

LPs: C

ON

TR

OLAD

OR

ES

LÓ

GIC

OS

PR

OG

RAM

ÁVEIS

6363636363


Praticando

O que são Controladores Lógicos Programáveis?

Cite 5 vantagens do uso de CLP.

Desenhe a arquitetura básica de um CLP.

O que você entende por Unidade Central de Processamento.

O que são circuitos auxiliares? Explique pelo menos um deles.

O que são módulos de entrada? Como são divididos estesmódulos.

O que são módulos de saída? Como são divididos estes módulos.

Quais os principais símbolos de programação de um CLP?

O que é um terminal de programação (TP)?

Cite os tipos de terminais de programação.

6565656565


4 - SENSORES

São dispositivos que têm a função de detectar uma mudança no meio eassim informar essa mudança.

Características fundamentais dos sensores para automação

O sinal de um sensor pode ser usado para detectar e corrigir desvios emsistemas de controle, e nos instrumentos de medição, quefreqüentemente estão associados aos sistemas de controle de malhaaberta (não automáticos), orientando o usuário, sendo caracterizadospor:

Linearidade

É o grau de proporcionalidade entre o sinal gerado e a grandeza física.Quanto maior, mais fiel é a resposta do sensor ao estímulo. Os sensoresmais usados são os mais lineares, conferindo mais precisão ao sistemade controle. Os sensores não-lineares são usados em faixas limitadas,em que os desvios são aceitáveis, ou com adaptadores especiais, quecorrigem o sinal.

Faixa de atuação

É o intervalo de valores da grandeza em que pode ser usado o sensor,sem destruição ou imprecisão.

Histerese

É a distância entre os pontos de comutação do sensor, quando umatuador dele se aproxima e se afasta.

Sensibilidade

É a distância entre a face do sensor e o atuador no instante em que

66


ocorre à comutação. As medidas na tabela são determinadas para umatuador de chapa de aço quadrada com 1 mm de espessura, cujo lado éigual ao diâmetro do sensor.

Superfície ativa

É a superfície através da qual o campo eletromagnético de altafreqüência se irradia no meio externo. Esta área é definida pelasuperfície do núcleo e corresponde aproximadamente à superfície daárea externa deste núcleo.

Fator de correção

Fornece a redução da distância sensora em presença de materiais cujascaracterísticas apresentam desvios em relação ao ferro Fe 360 (definidopela ISO 630).

Freqüência de comutação

Corresponde à quantidade máxima de comutações por segundo.Baseados nas características operacionais de cada dispositivo, ostransdutores são elementos de campo mais utilizados para controle,enquanto que os sensores, também elementos de campo, são utilizadosmais especificamente em automação de processos.

Distância sensora

Distância em que se aproximando o acionador da face sensora, o sensormuda o estado da saída.

Distância sensora nominal

Distância sensora teórica, a qual utiliza um alvo-padrão como acionadore não considera as variações causadas pela industrialização,temperatura de operação e tensão de alimentação. É o valor em que ossensores de proximidade são especificados.

6767676767


4. S

EN

SO

RES

De acordo com a tabela a seguir, é possível ter uma visão geral dossensores a serem abordados:

Visão geral das famílias de sensores e seus principais tipos:

Sensores de proximidade

Os sensores de proximidade são dispositivos construídos para detectara presença ou passagem de materiais metálicos ou não-metálicos, porproximidade ou aproximação, sem contato físico. Esta detecção é feitapela face sensora do sensor, que ao ser acionado ativa as entradas dosequipamentos de controle.

Sensores

Família

IndutivosCapacitivos

Ópticos

Ultra-sônicos

Tipo

Proximidade

Proximidade

DifusãoRetroreflexivoBarreira

DifusãoReflexivoBarreira

Princípio defuncionamento

Geração de campoeletromagnético em altafreqüência

Geração de campomagnético desenvolvidopor oscilador

Transmissão e recepçãode luz infravermelhaque pode ser refletidaou interrompida porum objeto a serdetectado

Transmissão ourecepção de ondasonora que pode serrefletida ouinterrompida por umobjeto a ser detectado

68


Sensores indutivos

Dispositivos de indução operam segundo o princípio de que havendoum movimento relativo entre um campo magnético e um condutor, umacorrente poderá ser induzida no condutor. Usualmente, o condutor éum fio, e esse fio é enrolado de tal maneira a produzir uma bobina.Assim que o campo magnético passa pela bobina, ele induz nessa mesmabobina uma tensão que é proporcional à intensidade do campo magnético,à velocidade do movimento e ao número de voltas do fio da bobina.A relutância em circuitos magnéticos é o equivalente à resistência emcircuitos elétricos. Um caminho de baixa relutância é um bom condutormagnético. Por exemplo, quando um material ferromagnético éaproximado de um imã permanente, o campo que circunda o imã aumentaem intensidade, fazendo com que o fluxo seja redirecionado para passaratravés do material.

a) Princípio de funcionamento

Geração de um campo eletromagnético de alta freqüência, que édesenvolvido por uma bobina ressonante instalada na face sensora.

6969696969


4. S

EN

SO

RES

A bobina faz parte de um circuito oscilador, que em condição normal(desacionada) gera um sinal senoidal.

Quando um metal aproxima-se do campo, ele, por correntes de superfície,absorve a energia do campo, diminuindo a amplitude do sinal gerado nooscilador. Esta diminuição do valor original aciona o estágio de saída.

Os sensores de proximidade indutivos são equipamentos eletrônicoscapazes de detectar a aproximação de peças, componentes, elementos demáquinas, em substituição às tradicionais chaves fim de curso.

A detecção ocorre sem que haja o contato físico entre o acionador e osensor, aumentando a vida útil do sensor por não possuir peças móveissujeitas a desgastes mecânicos.

b) Aplicações

Sensores capacitivos

Posicionar por ex.em máquinas deproduçãoautomáticas,dispositivos defixação

Contador por ex.em equipamentosde seleção,esteiras detransporte

Sensor deproximidadepor ex. portões,gradese elevadores

Gerador de pulsospor ex. paramonitoramentode repouso, esentido derotação

70


A capacitância depende da área das placas, A, da constante dielétrica domeio, er, e da distância entre as placas, d:

C = er A / d

Nos sensores capacitivos podemos variar qualquer destes fatores, sendomais prático alterar a distância entre uma placa fixa e uma móvel, ou aárea, fazendo uma placa móvel cilíndrica ou em semicírculo (ou váriasparalelas, como no capacitor variável de sintonia) se mover em direção àoutra fixa.

A variação na capacitância pode ser convertida num desvio na freqüênciade um oscilador, ou num desvio do equilíbrio (tensão) numa ponte feitacom dois capacitores e dois resistores, alimentada com corrente alternada.O desvio de tensão será inversamente proporcional ao desvio nacapacitância, neste caso e, usando um sensor de distância entre as placas,será proporcional ao deslocamento entre as placas.

Este método é usado em sensores de posição, força e pressão, havendouma mola ou diafragma circular suspenso por borda elástica (como ocone de um alto-falante), suportando a placa móvel. Há também o sen-sor por diferença de capacitância, que é um capacitor duplo, com duasplacas fixas e uma móvel no centro.


Baseia-se na geração de um campo elétrico, desenvolvido por um osciladorcontrolado por capacitor.

O lado sensível de um sensor capacitivo é formado por dois eletrodosmetálicos dispostos concentricamente que se equivalem a um capacitor.As superfícies dos eletrodos são conectadas em uma ramificação dealimentação de um oscilador de alta freqüência sintonizado de tal maneiraque não oscilem quando a superfície está livre. Quando um objeto seaproxima da face ativa do sensor, ele entra no campo elétrico sob asuperfície do eletrodo e causa uma mudança na capacitância do conjunto,ocorrendo uma oscilação com uma amplitude tal que seja detectada porum circuito e convertida em um comando de chaveamento.

7171717171


4. S

EN

SO

RES

b) Características técnicas e aplicações

A distância nominal é definida por uma placa quadrada de aço doce com1 mm de espessura, similar à usada nos sensores indutivos. A dimensãoda lateral da placa é igual à dimensão da face sensora.

Uma regulagem nominal da sensibilidade é efetuada em fábrica.De acordo com a aplicação, um ajuste da sensibilidade poderá sernecessário, dependendo de:

Aumento da sensibilidade para os objetos de fraca influência;(er baixo): papel, papelão, vidro, plástico;Manutenção ou diminuição da sensibilidade para os objetos de

forte influência (er elevado): metais, líquidos;Os sensores capacitivos possuem eletrodos de compensação, que

permitem eliminar as influências das variações do meio;Ambiente (umidade, poluição).

Caso haja variações acentuadas do meio ambiente, deve-se tomar aprecaução de o aumento da sensibilidade não colocar o produto em umafaixa crítica de funcionamento.

O aumento da sensibilidade corresponde a um alongamento da histeresede comutação.

72


Classes de saídas dos sensores

Os sensores de proximidade possuem diferentes classes de saída, o quechamamos de configuração elétrica do sensor.

A configuração elétrica em corrente contínua é muito usual na área deautomação de processos, e sempre deve ser a primeira opção durante oprojeto.

Normalmente Aberto - NA

Onde o transistor de saída está normalmente cortado, ou seja: com osensor desatuado (sem o acionador na região de sensibilidade), a cargaestá desenergizada, pois o transistor de saída está aberto (cortado). Acarga só será energizada quando o acionador entrar na região desensibilidade do sensor.

Normalmente Fechado - NF

Onde o transistor de saída está normalmente saturado, ou seja: com osensor desatuado (sem o acionador na região de sensibilidade), a cargaestá energizada, pois o transistor de saída está fechado (saturado). Acarga só será desenergizada quando o acionador entrar na região desensibilidade do sensor.

Saída Reversora

Em um mesmo sensor, podemos ter uma saída normalmente aberta eoutra normalmente fechada, que permutam quando o sensor éacionado.

a) 2 Condutores

7373737373


4. S

EN

SO

RES

b) 3 Condutores

c) 4 Condutores

Configuração de saída do tipo PNP e NPN com 3 condutores

Os sensores de proximidade de corrente contínua são alimentados poruma fonte em CC. Possuem no estágio de saída um transistor que temcomo função chavear (ligar e desligar) a carga conectada ao sensor.

Existem, ainda, dois tipos de transistor de saída: um que chaveia o ter-minal positivo da fonte de alimentação, conhecido como PNP, e um quechaveia o negativo da fonte, conhecido como NPN.

74


Sensores ópticos

Baseiam-se na transmissão e recepção de luz infravermelha, que podeser refletida ou interrompida pelo objeto a ser detectado.

a) Tipos

Difusão

O transmissor e o receptor são montados na mesma unidade, sendo queo acionamento da saída ocorre quando o objeto a ser detectado entra naregião de sensibilidade e reflete para o receptor o feixe de luz emitidopelo transmissor.

Sensores reflexivos

O transmissor e o receptor são montados em uma única unidade. Ofeixe de luz chega ao receptor após a incidência em um espelho e oacionamento da saída ocorre quando o objeto interrompe o feixe.

7575757575


4. S

EN

SO

RES

Sensor reflexivo em um espelho de 3 vias

Barreira

Condutores de fibra óptica

76


Laser com saída analógica

Marca cor

Fenda

Cor

7777777777


4. S

EN

SO

RES

b) Exemplos de aplicações:

Contagem degarrafasutilizandosensor difuso

Controle derasgos no rolode tear usandoum sensordifuso

Contagem deCI's usando umsensor de fibraótica

Controle detampas usandoum sensor defibra ótica dotipo barreira

Medição docomprimentode rolo em mesade corte com umsensor de fibraótica de barreira

78


Sensores ultra-sônicos


O sensor emite pulsos cíclicos ultra-sônicos que refletidos por um objetoincidem no receptor, acionando a saída do sensor.

Definição da faixa de medição

b) Alinhamento angular

7979797979


4. S

EN

SO

RES

c) Alinhamento angular – Aplicação

d) Formas de atuação

e) Zonas livres

80


f) Vantagens

Para detecção de objetos a distância determinada;Detecção de objetos de diferentes materiais, formas e cores;Detecção de objetos pequenos em longa distância;Pode ser usado:– como sensor de proximidade com supressão de fundo;– como barreira de reflexão;– para saída da distância de objeto de forma digital ou analógica;Funcionamento constante sem manutenção.

g) Comparação entre sensores de proximidades ultra-sônicos eópticos

Ponto de operação independente dasuperfície de materiais, cor,intensidade de luz e contrastesópticos

Insensível a poluição, por isso nãonecessita de manutençãoExatidão > 1 mmFreqüência 8 Hz

Sensível a turbulências atmosféricas etemperatura

Ponto de operaçãodependente da superfície demateriais, cor, intensidade deluz e contrastes ópticos

Sensível a poluição, por issonecessita de manutençãoExatidão > 0,25 mmFreqüência 1000 Hz

Insensível a turbulênciasatmosféricas e temperatura

Ultra-sônico ÓpticoCaracterísticas típicas

8181818181


4. S

EN

SO

RES

h) Exemplos de aplicações

Como especificar um sensor

1. Distância sensora SN2. Tensão de alimentação: Vca / VccTipos de saída: CA

CC PNPNPN

Saídas: NA, NF ou NANF

4. Material a ser detectado:– Metal (ferroso, não-ferroso, opaco, translúcido, transparente)– Não-metal

82


5. Dimensões do alvo:– Diâmetro– Final alvo: brilhante/escuro

6. Conexão elétrica: cabo, conector

7. Temperatura de operação ambiente: ºC

8. Ambiente: poeira, óleo, umidade/névoa

9. Detecção cores:– Proteção contra água– Tipo de excitação: LO e DO

8383838383


5 - ENCODERS

O controle do deslocamento, da posição e da velocidade de um móvel éum problema normalmente encontrado em um grande número demáquinas e instalações: mesas e carrinhos com pinos-suporte em centrosde usinagem, carrinhos de manutenção, máquinas de corte e estampagem,etc.

Os sistemas de detecção convencionais (interruptores de posição,sensores indutivos e ópticos) aplicam-se satisfatoriamente a um grandenúmero de soluções: captores dispostos em lugares fixospredeterminados, contagem dos impulsos liberados por um detector napassagem sobre cames ou acionado por uma roda dentada, codificaçãoda posição por cames lidos por sensores colocados sobre o objeto. Estessistemas, entretanto, encontram seus limites quando o número deposições a controlar se torna muito grande ou quando a velocidade dedeslocamento atinge uma freqüência de contagem incompatível com ascaracterísticas dos captores.

O encoder é um transdutor que converte um movimento angular oulinear em uma série de pulsos digitais elétricos. Esses pulsos geradospodem ser usados para determinar velocidade, taxa de aceleração,distância, rotação, posição ou direção.

As principais aplicações dos encoders são em:

eixos de máquinas-ferramentas CNC;eixos de robôs;controle de velocidade e posicionamento de motores elétricos;posicionamento de antenas parabólicas, telescópios e radares;mesas rotativas; emedição das grandezas acima mencionadas de forma direta ou

indireta.

84


Com os encoders ópticos rotativos, o posicionamento de um objeto éinteiramente governado pelo sistema de tratamento e não mais realizadofisicamente por captores distribuídos sobre a máquina ou a instalação.Velocidade de deslocamento elevada, adaptação dos pontos de reduçãode velocidade sem intervenção física sobre a máquina, precisão na parada,todas estas possibilidades oferecidas pelos encoders permitem otimizaros tempos de transferência e contribuem assim, de maneira significativapara satisfazer aos imperativos da melhoria da produtividade e daflexibilidade no domínio da produção industrial.

Encoders ópticos rotativos

Um encoder óptico rotativo é um captor angular de posição. Ligadomecanicamente a uma árvore que o movimenta, seu eixo faz girar umdisco que tem uma sucessão de zonas opacas e transparentes. A luzemitida pelos diodos emissores de luz (LED) chega aos fototransistorescada vez que ela atravessa a zona transparente do disco.

Os fototransistores geram então um sinal elétrico que é amplificado econvertido em sinal de onda quadrada antes de ser transmitido para aunidade de tratamento.

Existem dois tipos de encoders ópticos rotativos:a) os encoders incrementais (chamados geralmente de geradores

de impulsos) e

b) os encoders absolutos de volta simples ou volta múltipla.

8585858585


5. E

NC

OD

ER

S

Encoders incrementais

O encoder incremental fornece normalmente dois pulsos quadradosdefasados em 90º, que são chamados usualmente de canal A e canal B. Aleitura de apenas um canal fornece somente a velocidade, enquanto que aleitura dos dois canais fornece também o sentido do movimento.Um outro sinal chamado de Z ou zero também está disponível e ele dá aposição absoluta “zero” do encoder.

Este sinal é um pulso quadrado em que a fase e a largura são as mesmasdo canal A.

Veja um exemplo na figura abaixo.

A resolução do encoder incremental é dada por pulsos/revolução(normalmente chamado de PPR), isto é, o encoder gera certa quantidadede pulsos elétricos por uma revolução dele próprio (no caso de um en-coder rotativo).

Para determinar a resolução basta dividir o número de pulsos por 360º.Por exemplo, um encoder fornecendo 1024 pulsos/revolução geraria umpulso elétrico a cada 0,35º mecânicos.

86


A precisão do encoder incremental depende de fatores mecânicos,elétricos e ambientais, que são: erros na escala das janelas do disco,excentricidade do disco, excentricidade das janelas, erro introduzido naleitura eletrônica dos sinais, temperatura de operação e nos próprioscomponentes transmissores e receptores de luz.

Normalmente, nos encoders incrementais são disponibilizados, além dossinais A, B e Z, os sinais complementares, A, B e Z.

Encoders absolutos

O princípio de funcionamento de um encoder absoluto e de um encoderincremental é bastante similar, isto é, ambos utilizam o princípio dasjanelas transparentes e opacas, com estas interrompendo um feixe de luze transformando pulsos luminosos em pulsos elétricos.

O encoder absoluto possui um importante diferencial em relação aoencoder incremental: a posição do encoder incremental é dada por pulsosa partir do pulso zero, enquanto a posição do encoder absoluto édeterminada pela leitura de um código e este é único para cada posiçãodo seu curso; conseqüentemente, os encoders absolutos não perdem areal posição no caso de uma eventual queda da tensão de alimentação(até mesmo se deslocados). Quando voltar a energia ao sistema, a posiçãoé atualizada e disponibilizada para ele (graças ao código gravado no discodo encoder) e, com isso, não se precisa ir até a posição zero para saber asua localização, como é o caso do incremental.

O código de saída é utilizado para definir a posição absoluta do encoder.O código mais empregado é o binário, pois este é facilmente manipuladopor um circuito relativamente simples e, com isso, não se faz necessárionenhum tipo de conversão para se obter a posição real do encoder. Ocódigo é extraído diretamente do disco (que está em rotação). Osincronismo e a aquisição da posição, no momento da variação entredois códigos, tornam-se muito difíceis. Se nós pegarmos como exemplodois códigos consecutivos binários como 7 (01112) e 8(10002),notaremos que as variações de zero para um e um para zero ocorrem emtodos os bits, e uma leitura feita no momento da transiçãopode resultar em um valor completamente errado.

8787878787


5. E

NC

OD

ER

S

Para solucionar esse problema é utilizado um código binário chamado“Código Gray”, que tem a particularidade de na comutação de um númeropara outro somente um bit ser alterado, como podemos verificar natabela abaixo.

A resolução do encoder absoluto é dada por contagem/revolução, isto é,se ele tiver no seu disco (encoder rotativo) 12 faixas para o código Gray,então terá 212 combinações possíveis, perfazendo um total de 4.096combinações.Fazendo algumas contas, concluíremos que o encoder gera umacombinação de códigos a cada 0,0879º ou 0º8m79s.

Tipos de saídas de sinal

Independentemente do tipo de encoder a ser utilizado, este tem queenviar os pulsos ou os valores de contagem através de um circuitoeletrônico de saída do sinal para que a posterior interpretação dos dadosseja feita por uma placa de um CLP, CNC, Robô ou até mesmo circuitosdedicados com microcontroladores.

Decimal

0123456789

101112131415

Binário

0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111

Gray

0000000100110010011001110101010011001101111111101010101110011000

88


A tendência hoje é a utilização de encoder com saída para rede Fieldbuscomo, por exemplo:

Interbus;Profibus;Device Net;CAN.

A escolha para essas redes de campo deve-se ao fato de que com elas háuma economia de cabos circulando entre o campo e seu painel elétrico.

Nos encoders absolutos existe uma grande quantidade de fios a seremconectados, e com o uso do Fieldbus diretamente ao encoder nãoprecisamos de tais conexões.

Quando não utilizamos o Fieldbus (ainda é a grande maioria das vezes),temos diversos circuitos de saída de sinal, entre os quais podemos citar:

NPN e NPN Coletor aberto:

É composto apenas por um transistor do tipo NPN e um resistor naconfiguração pull-up, o qual polariza o transistor em seu pontoquiescente. Esse circuito é similar à lógica TTL, e por essa razão éconsiderado compatível com ela.

Quando dimensionado corretamente, na saturação do transistor a saídachega aproximadamente a 0 V, e no corte a tensão de saída fica próximoà tensão de alimentação.

8989898989


5. E

NC

OD

ER

S

O comportamento do circuito fica comprometido pelo aumento dadistância do cabo até a carga, pela freqüência dos pulsos a seremtransmitidos e pelo aumento da carga. Assim, para uma aplicação idealesses parâmetros devem ser levados em consideração.

A saída em coletor aberto se diferencia pela falta do resistor de polarização.

Com isso, quem polariza o transistor é a própria carga, permitindo quese obtenham diferentes níveis de sinais na carga (figura abaixo).

PNP e PNP Coletor aberto:

Tomemos as mesmas considerações do circuito NPN. A principaldiferença está no transistor, que é do tipo PNP, e por isso seu emissorestá no positivo da fonte.

O resistor quando presente serve como pull-down para o circuito desaída (figura abaixo).

Push-Pull

Este circuito é utilizado para aumentar a performance do circuito de

90


saída. Na verdade, a maior limitação dos circuitos acima apresentados éque o resistor tem que possuir uma resistência muito maior que aimpedância de um transistor saturado, e com isso a carga está limitada auma alta impedância.

Para resolver esse problema, um outro transistor é inserido formandouma configuração em push-pull, com isso a impedância da carga podeser menor.

Essa solução aumenta a performance de freqüência e favorece ummaior trecho de cabo entre o encoder e a carga, até mesmo em altasvelocidades de transmissão (figura abaixo).

Drive de Linha

Este é utilizado em ambientes sujeitos a distúrbios elétricos ou onde adistância do encoder até a carga seja muito grande.

A transmissão dos sinais se dá de forma complementar. Por isso, odistúrbio elétrico é reduzido substancialmente (desde que o cabo sejablindado e trançado). Essas interferências são chamadas interferênciasem modo comum (figura abaixo).

9191919191


5. E

NC

OD

ER

S

Escolha de um encoder

a) Estágios de saídaPara poder se adaptar às diferentes entradas das unidades de tratamento(TTL/CMOS ou acopladores ópticos), os encoders são providos de saídascoletor aberto NPN ou PNP.

Os encoders incrementais podem, por outro lado, ser providos de saídaspor emissores de linha (padrão RS 422), necessárias para a transmissãode altas freqüências em longas distâncias.

b) Diâmetro exterior

Existem encoders em vários diâmetros: desde 27 mm (tamanho 11),para as aplicações nas quais o espaço disponível é limitado, até 100 mm(tamanho 40) permitindo utilizar encoders de comportamento muitoelevado (alta resolução, multivoltas, tacoencoders).

c) Encoders de eixo pleno

Os encoders de eixo pleno podem ser utilizados sempre que o espaçoocupado em comprimento não seja um critério determinante. Seu eixo éligado ao eixo motor por meio de um acoplamento flexível que podeabsorver defeitos cinemáticos importantes: desalinhamentos angular elateral, deslocamento axial.

Os acoplamentos flexíveis permitem igualmente ligar eixos comdiâmetros diferentes, por exemplo, encoder 6 mm e eixo motor 10 mm.

d) Encoders de eixos cruzados

Os encoders de eixos cruzados são montados diretamente sobre a árvoresmotoras. Eles são engatados ou por uma pinça apertada sobre a árvore,ou por um parafuso na rosca central da árvore, ou ainda por encaixe. Odisco rotor é fixado à árvore por um parafuso de bloqueio. Um pião de

92


bloqueio, que deve poder correr livremente em uma ranhura a ser previstano apoio do sistema motor, impede a rotação da caixa do encoder. Amontagem é então muito simples, mais rápida e econômica que a dosencoders de eixo pleno. O ganho de espaço é também grande.

É necessário, todavia, notar que estes encoders são sensíveis aos defeitoscinemáticos, pois não há nenhum acoplamento flexível para compensar aexcentricidade da árvore. Isto resulta em uma redução da vida dosenrolamentos.

Diferença de precisão, resolução e repetibilidade

No universo dos encoders, os termos precisão, resolução e repetibilidadesão usualmente confundidos e muitas vezes usados como sinônimos.Vamos definir esses termos muito utilizados, mas nem semprecorretamente.

Assim como no artigo, vamos nos referenciar aos encoders rotativos,pois esses são muito mais empregados do que o encoder linear, mas asdefinições servem para ambos os tipos.

Resolução

É a número de pulsos ou o valor da contagem por uma unidade dedistância.

Em encoders rotativos a resolução é expressa em unidades de ângulo(grau, minuto e segundo, ou em radianos), ou em número de passos porrevolução (por exemplo: 4.096 pulsos/revolução). Resolução é aespecificação básica de um encoder. Não se pode especificar um encodersem esse parâmetro.

Precisão

É a diferença do valor indicado pelo encoder pelo valor real doposicionamento, ou o número de pulsos que o encoder enviou pelo queele deveria ter enviado. Normalmente, é expresso em unidades de ângulo.

9393939393


5. E

NC

OD

ER

S

Precisão e Erro são indicações que determinam o valor real pelo valorindicado, mas possuem conotações distintas: Precisão é quão perto ovalor indicado está do valor real e Erro é quão distante está o valorindicado do valor real. Então, quanto maior a precisão, melhor, e quantomaior o erro, pior.

Repetibilidade

É o valor da leitura atual comparado pelos últimos valores fornecidospelo deslocamento na mesma direção. Dependendo da aplicação, éimportante levar em consideração a repetibilidade. Assim como a precisão,ela é dada em unidade de ângulo. A repetibilidade de um encodernormalmente é de 5 a 10 vezes melhor (menor) do que o erro indicadopelo fornecedor. Quem deve especificar o encoder é a própriaaplicação,isto é, se formos empregar o encoder em um telescópio ou em um ra-dar, a precisão é muito mais importante do que em um robô, onde vocêindica coordenadas em movimentos repetitivos, e, neste caso, arepetibilidade pode ser mais importante do que a precisão.

Como se determina o sentido de giro de um encoder incremental?

Nos encoders incrementais temos três canais de informação: A, B e Z.

Os canais A e B são os que fornecem a indicação da posição e tambémo sentido de giro do encoder. O sentido de giro é determinado pela fasedos canais, isto é, se o canal A estiver 90º avançado em relação ao c a -nal B, o encoder estará girando no sentido horário; e se o canal Aestiver atrasado 90º em relação ao canal B, o encoder estará girando nosentido anti-horário.

6 - IHMs: INTERFACESHOMEM-MÁQUINA

Quando se trabalha com sistemas automatizados complexos, surge anecessidade de se criar uma interface de maneira a facilitar o trabalho daequipe encarregada da operação do sistema. Nos trabalhos de implantaçãoe testes, é muito difícil avaliar o que está acontecendo pela análise dofuncionamento da planta diretamente no programa do CLP. Assim, surgiua necessidade da criação de uma interface amigável (eficiente eergonômica) que o mercado tem designado por interface homem-máquina (IHM). Seu objetivo é permitir a supervisão e muitas vezes ocomando de determinados pontos da planta automatizada.

A IHM somente recebe sinais vindos do CLP e do operador e somenteenvia sinais para o CLP atuar nos equipamentos instalados na planta.Em algumas arquiteturas, a IHM por si só não faz nada. Em arquiteturasmais modernas, a IHM pode ter o controlador programável incorporado,caracterizando uma IHM inteligente. A IHM está normalmente próximaà linha de produção instalada na estação de trabalho, traduzindo os sinaisvindos do CLP para sinais gráficos de fácil entendimento. Quem faz ocontrole da planta é o CLP, baseado na programação existente em seuinterior e em comandos do operador.

Resumindo

Interface homem-máquina – IHMTem o objetivo de facilitar a operação, permitir a supervisão e muitasvezes comandar determinadas ações na planta automatizada.

96


Praticando

O que são sensores?

Conceitue linearidade.

Cite os principais tipos de sensores.

Explique o princípio de funcionamento de um sensor óptico pordifusão.

Explique o princípio de funcionamento de um sensor ultra-sônico.

Cite algumas características típicas entre os sensores deproximidade ultra-sônicos e ópticos.

Como podemos especificar um sensor?

O que são encoders?

Quais os tipos de encoders ópticos rotativos? Descreva seusprincípios de funcionamento.

Quais os principais pontos para a escolha de um encoder.

9797979797


7 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Telecurso 2000 – Cursos Profissionalizantes – Automação.Sistemas Digitais de Controle – Escola SENAI “Prof. Dr.

Euryclides de Jesus Zerbini”, Campinas, São Paulo.Centro de Tecnologia Euvaldo Lodi – Controladores Lógicos

Programáveis I.SENAI-ES / Companhia Siderúrgica de Tubarão. Automação básica.Apostila da Siemens – Módulo 7S, Redes ASI e Sensores (2003).Revista Mecatrônica Atual, n. 3 (abril/2002) – Encoders.Sites:www.wikipedia.org.br.www.sick.com.br.www.siemens.com.br.

Automação Industrial - 2007

FICHA TÉCNICA

Luis Arruda - Gerente de Projetos em Educação - SESI-RJ/SENAI-RJ

Frank W. Geissler - Diretor Adjunto do Projeto - ThyssenKrupp CSA

Valdir Monteiro - Gerente Geral de Recursos Humanos - ThyssenKrupp CSA

Coordenação do ProjetoEliezer Henrique Dias - ThyssenKrupp Steel AGFernanda Moreira - ThyssenKrupp CSAKurt Lehmann - ThyssenKrupp Steel AGRosemary Lomelino de Souza Xavier - SESI-RJ/SENAI-RJ

Pesquisa de Conteúdo e RedaçãoEvandro Mas - SENAI-RJ

Revisão PedagógicaRosemary Lomelino de Souza Xavier - SESI-RJ/SENAI-RJ

Revisão Editorial e GramaticalRaquel Soares Corrêa

Coordenação de ComunicaçãoPéricles Monteiro - ThyssenKrupp CSA

Projeto GráficoLeandro Diniz

Capa: Córtex Comunicação

SESI-RJ/SENAI-RJGPR - Gerência de Projetos em Educação

Rua Mariz e Barros, 678 - Tijuca20270-903 - Rio de Janeiro - RJTel.: (21) 2587-1117 - Fax: (21) 2254-5472http://www.firjan.org.br

automação industrial basica

Documents