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CLP – Controlador Lógico Programável

O CLP, ou PLC (Controlador Lógico Programável), nasceu da necessidade da indústria automobilística de economizar tempo e dinheiro quando a mesma precisava modificar a lógica de controle dos painéis de comando. Assim, em meados de 1968 nascia na General Motors o CLP, cuja especificação foi liderado pelo engenheiro Richard Morley. Esse CLP era um amontoado de relés colocados em placas que faziam conexão com outra placa maior através da fiação. O circuito de fiação era na verdade o software de programação.

Anos depois os relés eletromecânicos foram trocados por transistores e na metade dos anos setenta, os circuitos integrados já compunham as placas dos CLPs. Essa pode ser considerada a primeira geração do CLP.

A segunda geração surge com o advento dos microprocessadores e microcontroladores. Os CLPs de segunda geração se caracterizam pela programação intimamente ligada ao hardware do equipamento. A linguagem utilizada era o Assembly que variava de acordo com o processador utilizado no projeto do CLP, ou seja, para poder programar era necessário conhecer a eletrônica do projeto do CLP.

A terceira geração se caracteriza pelo início da programação de alto nível, sendo os programas feitos em computadores pessoais (PC) e numa linguagem mais próxima do usuário.

Os CLPs oferecem as seguintes vantagens: - Ocupam menor espaço; - Exibem menor potência elétrica; - Podem ser reutilizados; - São programáveis, permitindo alterar os parâmetros de controle; - Apresentam maior confiabilidade; - 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.

Estrutura do CLP

Um CLP pode ser dividido em 6 partes: - Entradas - Saídas - Unidade Central de Processamento (CPU) - Memória de programa e de dados - Unidade de comunicação - Fonte de alimentação

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Fonte de Alimentação: Responsável pela alimentação da CPU e dos módulos de entrada e saída.Geralmente é uma fonte do tipo chaveada com uma tensão de saída de 24 Vcc.

Memória de programa: Responsável pelo armazenamento do programa aplicativo. O programa aplicativo é um programa desenvolvido pelo usuário para desempenhar determinadas tarefas.

Memória de dados: Local utilizado pelo CPU para armazenamento temporário de dados.

CPU (Unidade Central de Processamento): Responsável pela execução do programa aplicativo e pelo gerenciamento do processo.

Sistema de Comunicação: Utilizada para conectar o Terminal de Programação. O Terminal de Programação é um dispositivo que serve para introduzir o programa aplicativo no CLP. O Terminal de Programação permite, também, monitorar passo-a-passo o programa aplicativo. Além disso, o sistema de comunicação pode se comunicar com outros CLP interligados em rede através de um CLP mestre ou com um modem via Internet. Esses CLPs em rede junto com outros dispositivos podem fazer parte de uma rede de chão de fábrica denominada de FildBus. Entradas e Saídas: São módulos responsáveis pelo interfaceamento da CPU com o mundo exterior adaptando os níveis de tensão e corrente e a conversão e a tradução de sinais. Cada entrada ou saída de sinal é denominado de ponto. Para especificar um CLP é necessário

Fonte de Alimentação

Memória de programa e de dados

Unidade Central de Processamento

(CPU)

E N T R A D A S

S A Í D A S

Comunicação Isolamento Óptico

Isolamento Óptico

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saber quantos pontos de entrada e quantos pontos de saída serão utilizados. Além disso, essas entradas e saídas podem ser digitais ou analógicas. As entradas analógicas são conversores A/D normalmente de 12 bits e as saídas analógicas são conversores D/A.

Na figura anterior, nota-se que entre a CPU e os módulos de entrada ou de saída existe um isolamento óptico. Este isolamento, existente nas entradas e saídas digitais, serve para proteger a CPU e para eliminar ruídos elétricos. As figuras seguintes mostram circuitos de entradas e saídas típicas de um CLP.

Entrada Digital:

Saída Digital:

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Entrada Analógica:

As grandezas analógicas normalmente tratadas por este módulo são correntes e tensões. As tensões utilizadas estão na seguintes faixas:

0 a 10 vcc 0 a 5 Vcc 1 a 5 Vcc -5 a +5 Vcc (Entradas diferenciais) -10 a +10 Vcc (Entradas diferenciais)

No caso das correntes, as faixas são: 0 a 20 mA 4 a 20 mA.

Saída Analógica:

Os módulos ou interfaces de saída analógica converte valores numéricos, em sinais de saída em tensão ou corrente. No caso de tensão normalmente a faixa são de:

0 à 10 VCC 0 à 5 VCC

No caso de corrente, as faixas são: de 0 à 20 mA ou 4 à 20 mA.

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PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO CLP

Os sinais dos sensores são aplicados na entrada do CLP e a cada ciclo (varredura do programa) esses sinais são lidos e transferidos para a unidade de memória interna denominada de memória imagem de entrada. Esses sinais são processados pelo programa aplicativo e ao término de cada ciclo os resultados são atualizados na memória imagem e então aplicados aos terminais de saída. A figura abaixo mostra esse processo.

PROGRAMAÇÃO DO CLP

O padrão IEC 1131-3 define 5 linguagens na tentativa de padronizar a linguagem de programação dos CLPs:

Inicialização

Leitura das entradas

Atualização da memória imagem

Processamento pelo programa aplicativo

Atualização das saídas

Structured Text (ST) Instruction List (IL) Function Block Diagram (FBD) Ladder Diagram (LD) Sequential Function Charts (SFC)

Textuais

Gráficas

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As linguagens Texto Estruturado (ST), Lista de Instruções (IL), Diagrama de Bloco de Funções (FBD) e Diagrama de Contatos (LD) podem ser utilizadas dentro dos blocos de ações e transições para construir o Diagrama Seqüencial de Funções (SFC).

A linguagem de Texto Estruturado (ST) é uma linguagem de programação tipo pascal, C, Basic. O Diagrama Seqüencial de Funções (SFC) descreve o comportamento seqüencial de um processo particionando o problema através de um modelo top-down. Um exemplo dessa linguagem é o Grafcet. Essas duas linguagens não serão abordadas neste tutorial.

Dentre as três linguagens restantes [Lista de Instruções (IL), Diagrama de Bloco de Funções (FBD) e Diagrama de Contatos (LD)] a mais importante é o Diagrama de Contatos que doravante será denominado de Linguagem Ladder. A linguagem ladder é substituta direta dos antigos painéis controlados por relés.

A figura abaixo mostra o circuito elétrica para ligar uma lâmpada(L1) utilizando uma botoeira (B1). A figura também mostra o mesmo circuito numa linguagem de relés.

Na figura acima note os símbolos utilizados para o os contatos abertos da botoeira e do relé. O mesmo circuito é mostrado na figura abaixo montado no CLP e no diagrama ladder:

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A botoeira B1, normalmente aberta, esta ligada na entrada I00.0 do CLP. A lâmpada foi ligada na saída Q50.0. Quando a botoeira for acionada a entrada I00.0 recebe a alimentação fechando seu contato, o que irá energizar a saída Q50.0 que acende a luz.

Os CLPs podem possuir vários módulos de entradas e saídas tanto analógicas quanto digitais, além de outros módulos especiais. Além disso, cada placa geralmente tem mais de uma entrada ou saída. Portanto, a CPU do CLP necessita saber qual o endereço de cada módulo e qual entrada ou saída esta conectada. Um exemplo de endereçamento é mostrado abaixo:

Palavra de Endereçamento da Placa

I00.0 Q50.0

Número do Bit na Palavra de Endereçamento

Entrada Saída

Levando em consideração o exemplo anterior de acender a luz, isto poderia dizer que temos uma placa de entrada digital no endereço 00 e uma placa de saída digital no endereço 50. A placa de entrada digital e a de saída digital poderia ter 8 entradas cada uma, sendo seus bits numerados de 0 a 7. Portanto, teríamos no exemplo anterior um botoeira ligada no bit 0 da placa de entrada localizada no endereço 00 e uma lâmpada ligada no bit 0 da placa de saída localizada no endereço 50.

A programação por lista de instruções seria:

LD I00.0 � carrega acumulador com valor de entrada A = I00.0 ST Q50.0 � Armazena valor do acumulador na saída Q50.0 = A

Tabela 01 - Lista de instruções: Operador Modificador Operando Comentário ADD ( Qualquer Adição DIV ( Qualquer Divisão MUL ( Qualquer Multiplicação

Operações Básicas

SUB ( Qualquer Subtração LD N Qualquer Carrega operando no acumulador

Funções ST N Qualquer Armazena acumulador no operando & N, ( BOOL E lógico AND N, ( BOOL E lógico OR N, ( BOOL OU lógico XOR N, ( BOOL OU – Exclusivo R BOOL Reseta operando para False

Funções Lógicas

S BOOL Seta operando para True

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Modificadores: N – nega um valor booleano C – denota jump condicional (só pode ser usado com JUMP).

Exemplo: ANDN – equivale à porta NAND.

Tabela 02 - Desvios e comparações: Operado Modificador Operando Comentário EQ ( Qualquer Comparação de igual GE ( Qualquer Comparação maior ou igual GT ( Qualquer Comparação maior que LE ( Qualquer Comparação menor ou igual LT ( Qualquer Comparação menor que NE ( Qualquer Comparação se diferente JMP C, N Label Salto CALL C, N Nome Chamada de função RET C, N Retorno da função ( ) Prioridade

Tabela 03 – Operadores de Blocos de Função Operador Bloco de Função Comentário S1, R Biestável SR Seta e Reseta o Biestável SR S, R1 Biestável RS Seta e Reseta o Biestável RS CLK R_Trig, detector de

borda de subida Entrada de clock de borda de subida do bloco lógico

CLK F_Trig, detector de borda de descida

Entrada de clock de borda de descida do bloco lógico

CU, R, PV CTU, contador incremental

Parâmetros de controle para o contador incremental CTU; CU incrementa, R reset e PV carrega contador.

CD, LD, PV CTD, contador decremental

Parâmetros de controle para o contador decremental CTD; CD decrementa, LD carrega; e PV carrega contagem mínima.

CU, CD, R, LD, PV

CTUD, contador universal

Parâmetros de controle para o contador universal CTUD.

IN, PT TP, temporizador de pulso

Paramentos de controle para o timer de pulso. IN inicia temporização; PT seta o tempo de pulso.

IN, PT TON, temporizador de atraso de subida.

Paramentos de controle para o timer de atraso de subida. IN inicia temporização; PT seta o tempo de pulso.

IN, PT TOF, temporizador de atraso de descida

Paramentos de controle para o timer de atraso de descida. IN inicia temporização; PT seta o tempo de pulso.

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O circuito para a porta AND é mostrado na figura abaixo, bem como seu diagrama ladder e a conexão no CLP:

Na listra de instruções, teríamos:

LD I00.0 � A = I00.0 AND I00.1 � A = A & I00.1 ST Q50.0 � Q50.0 = A

O circuito para a porta OU é mostrado na figura seguinte. Note a diferença entre as duas portas (AND e OU). Note que não há diferença nas conexões dos componentes no CLP. A diferença esta na programação (diagrama ladder, ou lista de intruções).

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Na lista de instruções:

LD I00.0 OR I00.1 ST Q50.0

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Na lista de intruções:

LDN I00.0 ST Q50.0

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No diagrama de relés, muitas vezes há a necessidade de se utilizar relé auxiliar para desenvolver uma aplicação. Este relé auxiliar pode ser utilizado ou não na linguagem ladder, dependendo da complexidade da aplicação. Na figura abaixo é mostrada a construção de uma porta OU-Exclusivo. Notar a diferença entre o diagrama de relé e a mesma aplicação na linguagem ladder:

A lista de instrução seria:

LD I00.0 * carrega a entrada I00.0 ANDN I00.1 * faz um and lógico entre I00.0 e I00.1 invertido OR( LDN I00.0 * carrega a entrada I00.0 invertida AND I00.1 * faz um and lógico entre I00.0 invertido e I00.1 ) * faz o OU lógico entre as duas expressões

ST Q50.0 * carrega a saída Q50.0

Notar no diagrama ladder a última linha possui um bloco de finalização (END). Isto é necessário para indicar para a CPU do término lógico do programa.

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Exercício 1) A figura abaixo mostra um sistema para lubrificar a superfície de placas metálicas para melhorar o desempenho do sistema de estampagem e de corte. Os sistemas de estampagem e de corte são muito utilizados nas indústrias de metal-mecânica.

O sistema possui um sensor de proximidade para detectar se há chapa sobre a esteira ou não. Caso haja chapa na esteira, o sistema deve acionar o ar comprimido e a névoa lubrificante. Assim que a chapa sair da proximidade do sensor, o sistema deve desligar o ar comprimido e a névoa lubrificante.

O sistema possui, também um “start-up” (ligar o sistema). Esse sistema é controlado por dois botões no painel de controle. O botão de “Start” deve ligar o motor e habilitar o funcionamento do ar comprimido e da névoa lubrificante. O botão de “Stop” deve ser usado para desligar todo o sistema. Considere que estes dois botões sejam pulsantes, ou seja, não retentivo. Projete este sistema em linguagem ladder e lista de instruções.

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Exercício 2) Um sistema para encher garrafas de refrigerantes é mostrado na figura abaixo:

O sistema possui um “start-up” idêntico ao exemplo anterior. Uma vez ligado o sistema, as garrafas são conduzidas por uma esteira rolante. Quando a garrafa atinge o sensor S1, o motor da esteira rolante deve ser desligado e a válvula solenóide deve ser energizada até que o líquido atinja o sensor S2. Quando o líquido atinge este sensor, além da válvula solenóide ser desligada, o motor da esteira deve ser ligado novamente.

Considere que os sensores S1 e S2 estão em nível lógico alto enquanto o feixe óptico não for interrompido. Projete o sistema em linguagem ladder e em lista de instruções.

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CIRCUITOS DE INTERTRAVAMENTO

O circuito abaixo mostra como implementar um circuito para ligar e desligar uma máquina. Um contato da bobina Q50.0 é utilizado para realizar o intertravamento da máquina, mantendo-a ligada. É importante notar que podem ser utilizados tantos contatos quantos forem necessários de uma mesma bobina.

Outra maneira de implementar o circuito de intertravamento é a utilização das instruções de memorização (flip-flops).

Lista de Instruções

LD I00.0 OR Q50.0 AND I00.1 ST Q50.0

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Lista de instruções

LD I00.0 S Q50.0 ; energiza a bobina Q50.0 caso a botoeira I00.0 seja pressionada LD I00.1 R Q50.0 ; desliga a bobina Q50.0 se a botoeira I00.1 for pressionada.

CIRCUITO PARA DETECÇÃO DE BORDA

São circuitos que respondem na subida ou descida de um pulso. Existem os seguintes componentes:

Exercício 3: Programe em Ladder um sistema utilizando uma bobina sensível a borda de subida que, assim que o operador pressiona uma botoeira um motor é ligado e quando o operador pressionar a botoeira de novo o motor é desligado.

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CONTADORES

Os contadores são componentes que a partir do sinal de pulso na sua entrada, efetuam contagens crescentes ou decrescentes.

CONTADORES CRESCENTES:

Onde; R – entrada de reset do contador S – entrada de preset do contador PV – Valor predefinido. CU – entrada da contagem crescente (counter – up) E – saída acionada quando ocorre o overflow (de 9999 para 0000) D – saída acionada quando o valor do contador for igual ao valor da contagem

predefinida.

CONTADOR DECRESCENTES:

Onde: CD – entrada da contagem decrescente.

Lista de Instruções

LD I00.0 R C00 LD I00.1 CU C00 LD C00.D SET Q50.0

Lista de Instruções LD I00.0 R C00 LD I00.1 CU C00 LD C00.D ST Q50.0

Lista de Instruções

LD I00.0 R C00 LD I00.1 CD C00 LD C00.D ST Q50.0

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TEMPORIZADORES

São componentes utilizados quando há a necessidade de um tempo fixo. Podem ser usados para acionar uma saída após um certo tempo, ou manter uma saída ativa por um determinado tempo.

Temporizador de Pulso (TP) com pulso definido:

Neste temporizador a saída será energizada por um período de tempo constante.

O diagrama abaixo mostra este temporizador. Assim que o contato I00.0 for fechado, a saída Q50.0 ficará acionada por 100 s. Funciona como um monoestável.

Temporizador com retardo na ligação (TON):

Neste temporizador após a entrada ser ativada, a saída espera um certo período de tempo para ser energizada. A saída permanecerá ativa até a entrada ser desativada.

Lista de instruções:

LD I00.0 IN TM00 LD TM00.Q ST Q50.0

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O diagrama abaixo mostra este temporizador. Assim que o contato I00.0 for fechado, a saída Q50.0 espera por 100 s para ser ativada.

Temporizador com retardo no desligamento:

Neste temporizador a saída fica ativada assim que a entrada for energizada. Após a entrada ser desativada, a saída ainda permanecerá energizada por um período de tempo T definido.

O diagrama abaixo mostra este temporizador. Assim que o contato I00.0 for fechado, a saída Q50.0 é energizada e irá esperar por 100 s após a entrada ser desernegizada para ser desativada.

Lista de instruções:

LD I00.0 IN TM00 LD TM00.Q ST Q50.0

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Exercício 4) Projete um controlador automático para uma máquina de lavar roupas que funcione da seguinte maneira: - quando for pressionado o botão LIGAR, se a porta da lavadora estiver fechada, é iniciado o ciclo de lavagem com a seguinte seqüência (ou estados):

1º. Encher o tambor de água (acionar a válvula V1) Colocar detergente (válvula V2) por 10 segundos

2º. Rodar no sentido inverso (M3) enquanto: Aquece a água (resistência R) até o sensor de temperatura (T) ser acionado Continuar a encher o tambor de água até o sensor de pressão (P) ser acionado

3º. Descansar por 5 segundos 4º. Rodar em velocidade normal (M1) por 30 segundos 5º. Evacuar a água por 10 segundos 6º. Rodar no sentido inverso (M3) e evacuar o restante da água até P=0 7º. Parar por 5 segundos 8º. Centrifugar por 20 segundos (acionar motor M2-velocidade rápida). 9º. Voltar ao passo por durante 3 vezes.

10º. Desligar.

- Caso seja pressionado o botão PARAR, a máquina deverá ser desligada.

ATURADORES SENSORES Normal M1 Ligar L Rápido M2 Parar ST

Motor do tambor

Sentido Inverso M3

Botões do painel de controle Abrir a porta AP

Entrada Água V1 Sensor Temperatura T Mist.Detergente V2 Sensor de Pressão P

Eletro-válvulas

Evacuação V3 Sensor de porta fechada PF Bomba de Evacuação B Resistência de Aquecimento R Fechadura Elétrica FE Temporizador/Contador TC

Lista de instruções:

LD I00.0 IN TM00 LD TM00.Q ST Q50.0

Módulo CLP

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5) Projetar um sistema que carregue cubos de madeiras para um forno. Devem ser carregados 4 cubos de cada vez.

Os cubos chegam através de uma esteira rolante. Um sensor de proximidade (P) acusa a presença de um cubo que deve ser empurrado pelo cilindro A para o cilindro B. Quando houver 4 peças alinhadas, o cilindro C deve abrir a porta do forno e o conjunto de 4 peças é empurrado pelo cilindro B para dentro do forno. Para permitir o recuo do cilindro B a porta do forno deve ser mantida aberta durante 5 segundos.

No painel de controle existem os botões para iniciar e para parar o processo.

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5) Projete um sistema para fazer a orientação de caixas de papelão que são transportadas por uma esteira rolante. Um sensor colocado na esteira indica se a caixa deve ser rotacionada a 180º, a 90º ou se a orientação está correta. O sistema possui um sistema pneumático composto por dois cilindros A e B que realizam a rotação das caixas como indicado na figura abaixo:

Esse sistema pneumático possui 4 chaves fim-de-curso (a0, a1, b0 e b1) que indicam a posição do cilindro. Além disso, o sistema ainda possui 3 outros cilindros pneumáticos de efeito único:

Cilindro D para desviar a caixa para a rotação de 180º Cilindro E para desviar a caixa para a rotação de 90º Cilindro C para devolver a caixa para a esteira.

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