Professor: Vilson R.G.R. da Silva Horrio da aula: Segunda/Quarta 15h30min.

Controlador Lgico Programvel em Acionamento de Mquinas

V. T. Correia.

Universidade Federal do Paran Centro Politcnico Jd. das Amricas 81531-990 Curitiba PR Brasil

E-mail: vtcorreia@yahoo.com.br Resumo: Este artigo tem como finalidade apresentar o Controlador Lgico Programvel (CLP) e demonstrar atravs de exemplos de aplicao os benefcios que este pode trazer no acionamento de

mquinas.

Introduo O Controlador Lgico Programvel, ou simplesmente PLC (Progammable Logic Controller), pode ser definido como um dispositivo de estado slido um computador industrial, capaz de armazenar instrues para implementao de funes de controle (sequncia lgica, temporizao e contagem, por exemplo), alm de realizar operaes lgicas e aritmticas, manipulao de dados e comunicao em rede, sendo utilizado no controle de Sistemas Automatizados. 1. Resumo Histrico

Na dcada de 60, o aumento de competitividade fez com que a indstria automotiva melhorasse o desempenho de suas linhas de produo, aumentando tanto a qualidade como a produtividade. Fazia-se necessrio encontrar uma alternativa para os sistemas de controle de rels. Uma sada possvel, imaginada pela General Motors, seria um sistema baseado no computador. Assim, em 1968, a Diviso Hydramatic da GM determinou os critrios para o projeto do CLP, sendo o primeiro dispositivo a atender s especificaes foi desenvolvido pela Gould Modicon em 1969. As principais caractersticas desejadas nos novos equipamentos de estado slido, com a flexibilidade dos computadores, eram: o Preo competitivo com os sistemas a rel;

o Dispositivos de entrada e sada facilmente

substituveis;

o Funcionamento em ambiente industrial

(vibrao, calor, poeira, rudos);

o Facilidade de programao e manuteno

por tcnicos e engenheiros;

o Repetibilidade de operao e uso. Inicialmente, os CLPs eram chamados de PCs Programmable Controllers, mas com o advento dos computadores pessoais (PCs Personal Computers), convencionou-se PLCs (Programmable Logical Computers) para evitar conflitos de nomenclatura. Originalmente os CLPs foram usados em aplicaes de controle discreto (on/off), como os sistemas a rels, porm eram facilmente instalados, economizando espao e energia, alm de possurem indicadores de diagnsticos que facilitavam a manuteno. Uma eventual necessidade de alterao na lgica de controle da mquina era realizada em pouco tempo, apenas com mudanas no programa sem necessidade de alterao nas ligaes eltricas. A dcada de 70 marca uma fase de grande aprimoramento dos CLPs. Com as inovaes tecnolgicas dos microprocessadores, maior flexibilidade e um grau tambm maior de inteligncia, os Controladores Lgicos Programveis incorporam:

1972 Funes de temporizao e contagem;

1973 Operaes aritmticas, manipulao de dados e comunicao com computadores;

1974 Comunicao com interfaces Homem-mquina;

1975 Maior capacidade de memria, controles analgicos e controle PID;

1979/80 Mdulos de I/O remotos, mdulos inteligentes e controle de posicionamento. Nos anos 80, aperfeioamentos foram atingidos, fazendo do CLP um dos equipamentos mais

atraentes na automao industrial. A possibilidade de comunicao em rede (1981) hoje uma caracterstica indispensvel na indstria. Alm dessa evoluo tecnolgica, foi atingido um alto grau de integrao, tanto no nmero de pontos como no tamanho fsico, que possibilitou o fornecimento de minis e micros CLPs. Atualmente, os CLPs apresentam as seguintes caractersticas: o Mdulos de I/O de alta densidade (grande

nmero de pontos de I/O por mdulos);

o Mdulos remotos controlados por uma

mesma CPU;

o Mdulos inteligentes (coprocessadores que

permitem realizao de tarefas complexas;

controle PID, posicionamento de eixos,

transmisso via rdio ou modem, leitura de

cdigo de barras);

o Softwares de programao em ambiente

windows (facilidade de programao);

o Integrao de aplicativos windows (Acess,

excel, visual basic) para comunicao com

CLPs;

o Recursos de monitoramento da execuo do

programa, diagnsticos e deteco de

falhas;

o Instrues avanadas que permitem

operaes complexas (ponto flutuante,

funes trigonomtricas);

o Scan Time (tempo de varredura) reduzido

(maior velocidade de processamento)

devido utilizao de processadores

dedicados;

o Processamento paralelo (sistema de

redundncia), proporcionando

confiabilidade na utilizao em reas de

seguranas;

o Pequenos e micros PICs que oferecem

recursos de hardware e de software dos

CLPs maiores;

o Conexo de CLPs em rede (conexo de

diferentes CLPs na mesma rede,

comunicao por meio de rede ethernet). O mercado recebe constante novos e melhores produtos que agregam valores ao mesmo tempo que reduzem o custo das solues baseadas em CLPs. Portanto, insdispensvel uma atualizao contnua por intermdio de contato com fabricantes e fornecedores, sendo a internet uma tima opo.

2. Classificao dos CLPs

Embora existam algumas divergncias entre os autores e fabricantes quanto aos critrios de classificao, os CLPs podem ser divididos em grupos especficos de acordo com a estrutura que apresentem (especificamente relacionada quantidade de pontos de I/O que a CPU pode controlar e a quantidade de memria de programao disponvel): o Micros CLPs: at 64 pontos de I/O e at 2K

words de memria;

o Pequenos CLPs: de 64 at 512 pontos de

I/O e at 4k words de memria;

o CLPs mdios: de 256 a 2048 pontos de I/O

e dezenas de Kwords de memria;

o CLPs grandes: acima de 2048 pontos de I/O

e centenas de Kwords de memria; Em 1997, CLPs com at 14 pontos de I/O e tamanho muito reduzido foram lanados no mercado, tendo sido denominados pelos fabricantes de Nanos CLPs. Entre os Micros e pequenos CLPs, ainda possvel encontrar outra diviso: o CLPs Compactos: que tm quantidade fixa

de pontos de I/O;

o CLPs Modulares: que permitam a

configurao, por parte do usurio, da

quantidade e combinao dos pontos de

I/O.

3. Composio do CLP Os principais blocos que compem um CLP so: o CPU (Central Processing Unit Unidade

Central de Processamento): compreende o

processador (microprocessador ou

processador dedicado), o sistema de

memria (ROM e RAM) e os circuitos

auxiliares de controle;

o Mdulos de I/O (Input/Output): podem ser

discretos (sinais digitais: 12 Vdc, 110 Vac,

contatos normalmente abertos ou fechados)

ou analgicos (sinais analgicos: 4-20 mA,

0-10 Vdc, termopar);

o Fonte de Alimentao: responsvel pela

tenso de alimentao fornecida CPU e

aos mdulos de I/O. Em alguns casos,

proporciona sada auxiliar (baixa corrente);

o Base ou Rack: proporciona conexo

mecnica e eltrica entre a CPU, os

Mdulos de I/O e a fonte de alimentao.

Contm o barramento de comunicao entre

eles, no qual os sinais de dados, endereo,

controle e tenso de alimentao esto

presentes. Pode ainda ser composto por Circuitos/Mdulos especiais: contador rpido (5 kHz ou mais), interrupo por hardware, controlador de temperatura, controlador PID, co-processadores (transmisso via rdio, posicionamento de eixos, sintetizador de voz, entre outros) e comunicao em rede, por exemplo. 4. Operao Bsica

A CPU executa a leitura do status (condies, estados) dos dispositivos de entrada por meio dos Mdulos de I/O. Esses status so armazenados na memria (RAM) para serem processados pelo Programa de Aplicao (desenvolvido pelo usurio e armazenado em memria RAM, EPROM ou EEPROM no CLP). Aps a execuo do Programa de Aplicao, o processador atualiza os status dos dispositivos de sada por meio dos Mdulos de I/O, realizando a lgica de controle. A programao de CLP feita por meio de uma ferramenta de Programao que pode ser um programador Manual (Terminal de Programao, Handheld Programmer), ou PC com Software de Programao especfico (ambiente DOS ou Windows). A linguagem Ladder (RLL Relay Ladder Logic, Lgica de Contatos de Rel), muito popular entre os usurios antigos sistemas de controle a rels, a mais utilizada. Esta linguagem a representao lgica da sequncia eltrica de operao, como mostrado na figura a seguir.

Figura 1 Sequncia eltrica de operao

A lgica implementada pelo CLP muito similar convencional, sendo que os dispositivos de entrada so conectados ao Mdulo de Entrada e o dispositivo de sada ao Mdulo de Sada. O programa de aplicao determina o acionamento da sada em funo das entradas. Qualquer alterao desejada nesta lgica realizada por meio de alteraes no programa, permanecendo as mesma ligaes nos Mdulos I/O.

5. Lgica e Linguagem de Programao

A linguagem de programao, segundo IEC 1131-3, tem-se mostrado bastante eficiente, principalmente porque permite ao usurio representar um programa de automao de um processo ou manufatura, tanto em um diagrama lgico, como em lista de instrues e principalmente ser hoje um padro entre os diversos fabricantes de CLP. A linguagem IEC 1131-3 uma entre muitas de alto nvel existentes, entendendo-se por alto nvel aquela que se aproxima muito da humana. Ela foi desenvolvida levando-se em conta os conhecimentos da rea de automao, tendo, a partir da, surgido representaes para a mesma linguagem: o Diagrama de contatos do ingls Ladder

diagram LAD;

o Lista diagrama em Bloco de Funes, do

ingls Functions Block Diagram FDB;

o Texto estruturado, do ingls Structured

Text ST;

o Linguagem sequencial (tambm muito

conhecida como Grafcet), do ingls

Sequential Function Chart SFC e IL do

ingls Instruction List;

Automatizar um sistema significa fazer uso de funes lgicas, representadas, por sua vez, por portas lgicas que podem ser implementadas, fazendo uso de componentes, independente do nvel de sua tecnologia, ou seja, rel, diodo, transistor, circuito integrado, etc. Para exemplificar esta parte, iremos abordar a linguagem de programao mais utilizada por programadores de CLPs, o Diagrama de contatos ou linguagem Ladder.

6. Linguagem Ladder

Os CLP vieram a substituir elementos e componentes eletro-eletrnicos de acionamento e a linguagem utilizada na sua programao similar linguagem de diagramas lgicos de

acionamento desenvolvidos por eletrotcnicos e profissionais da rea de controle, esta linguagem denominada linguagem de contatos ou simplesmente LADDER. A linguagem Ladder permite que se desenvolvam lgicas combinacionais, sequenciais e circuitos que envolvam ambas, utilizando como operadores para estas lgicas: entradas, sadas, estados auxiliares e registros numricos. A Tabela abaixo exemplifica 3 dos principais smbolos de programao.

Tabela 1 Principais Smbolos da linguagem ladder

Tabela 2 Analogia entre a lgica de Boole e a Linguagem Ladder

Para entendermos a estrutura da linguagem vamos exemplificar o acionamento de uma lmpada L a partir de um boto liga/desliga. Abaixo, o esquema eltrico tradicional, o programa e as ligaes no CLP.

Figura 2 Acionamento de uma Lmpada

O boto B1, normalmente aberto, est ligado a entrada I0.0 e a lmpada est ligada sada Q0.0. Ao acionarmos B1, I0.0 acionado e a sada Q0.0 energizada. Caso quisssemos que a lmpada apagasse quando acionssemos B1 bastaria trocar o contato normal aberto por um contato normal fechado, o que representa a funo NOT (NO).

Tambm poderemos utilizar estes conceitos para desenvolver outras lgicas, como por exemplo a lgica AND (E), abaixo representada:

Figura 3 Exemplo com porta lgica AND

Ou ainda a lgica OR (OU), abaixo representada:

Figura 4 Exemplo com porta lgica OR

7. Exemplos de Acionamentos de Mquinas

Utilizando CLP

De modo a exemplificar a utilizao do Controlador Lgico Programvel em acionamentos de mquinas, ser abordado dois tipos de acionamentos utilizando a Linguagem Ladder: Partida direta e chave reversora.

a. Partida Direta

Para esta prtica, so utilizados apenas um contactor e um boto LIGA e outro DESLIGA. Ao acionar o LIGA, o CLP acionar uma entrada para o mesmo fazer atuar uma de suas sadas com um nvel lgico de tenso alto a fim de acionar a bobina do contactor principal. Quando se desejar desligar o motor, ser necessrio apenas acionar o boto DESLIGA.

Figura 5 Circuito de Comando de uma Partida Direta

Figura 6 Circuito de Fora de uma Partida Direta

Figura 7 Diagrama Ladder de uma Partida Direta

b. Chave Reversora

Para esta prtica so utilizados trs botes e dois contatores. Um boto tem como funo ligar o motor no sentido horrio e um outro para o sentido anti-horrio. O terceiro boto tem como

funo desligar o motor. Os dois contatores so para acionamento do motor nos dois sentidos. Quando acionado o boto I0.0, ser acionado o contator Q0.0 e, desta forma, o motor ser acionado e ir girar no sentido horrio. Para acionar o outro sentido, tendo o programa da Figura 7, tem-se que desligar o motor utilizando o boto DESLIGA I0.2 e logo depois acionando o boto LIGA I0.1.

Figura 8 Circuito de Comando de uma Chave

Reversora

Figura 9 Circuito de Fora de uma Chave Reversora

Figura 10 Diagrama Ladder de uma Chave Reversora

8. Concluso

Desde a primeira vez que o Controlador Lgico Programvel foi utilizado foram percebidos os grandes benefcios que sua utilizao em uma planta industrial poderia trazer. Se tratando mais especificamente dos benefcios que estes trazem para o acionamentos de mquinas, a grande vantagem do uso do CLP a no necessidade das fiaes ligadas mquina serem alteradas caso seja necessrio alguma mudana em seu acionamento. Todas as alteraes podem ser feitas no programa do CLP. Desta forma, diminui-se drasticamente a possibilidade de uma eventual falha de ligao e tambm tem-se uma reduo de acidentes. Com o CLP, uma provvel falha de operao por parte do operador foi eliminada, visto que a operao ir se repetir atravs do programa de aplicao. Desta forma, podemos dizer que os CLPs realmente atenderam as espectativas da General Motors, tornando-se um equipamento indispensvel em instalaes industrias nos dias de hoje. 9. Referncias

1 Apostila do Curso de Programao de CLPs Universidade Tecnolgica Federal do Paran UTFPR 2 Acionamentos de Mquinas utilizando CLP Siemens A. Nogueira; T. Aquino; G. Marinho 2003