APOSTILA AUTOMAÇÃO

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AUTOMAÇÃO

Caro aluno,

O Governo Federal criou o Programa Nacional de Acesso ao Ensino Técnico e Emprego (PRONATEC), com o objetivo de oferecer aos estudantes da rede pública, aos beneficiários de programas sociais e do seguro-desemprego a possibilidade de fazer um curso profissionalizante que lhe proporcione oportunidades de inserção no mundo do trabalho e de pleno exercício da cidadania.

Nesse sentido, envolvendo os Ministérios da Educação, do Trabalho e do Desenvolvimento Social, numa parceria com as Secretarias de Educação, de Assistência Social dos Estados e Municípios, na condição de demandantes, e os Serviços Nacionais de Aprendizagem e os Institutos Federais, como ofertantes, foram disponibilizadas vagas gratuitas em cursos de educação profissional, de acordo com as demandas regionais. Por isso, você está aqui agora conosco.

Com esses esclarecimentos iniciais, é com muita satisfação que recebemos você no SENAI, o maior complexo de Educação Profissional da América Latina e um dos maiores do mundo. Braço formador de trabalhadores para o desenvolvimento industrial do Estado e do País, o SENAI atua, também, na prestação de serviços técnicos e tecnológicos, na inovação e na transferência de tecnologias às nossas empresas industriais.

Essa estrutura é para receber você, estudante, em nossa Rede de Escolas e de Faculdades de Tecnologia SENAI em Goiás. Faremos todo o esforço para lhe oferecer uma formação profissional de qualidade e contemporânea com as demandas deste mundo globalizado, onde ciência e tecnologia precisam estar a serviço da humanidade. Este é o nosso compromisso com você e com a sociedade em geral.

Esperamos que este material didático, elaborado por professores, instrutores e técnicos do SENAI, possa lhe ajudar a abrir novos horizontes em sua vida pessoal e profissional.

Seja bem-vindo ao SENAI Goiás.

Paulo Vargas Diretor Regional

PROGRAMA NACIONAL DE ACESSO AO ENSINO TÉCNICO E EMPREGO – PRONATEC – FNDE – MEC

Sumário

1.1 - CICLO DE UM PRODUTO......................................................................................................8

APRESENTAÇÃO

1 - INTRODUÇÃOÀ AUTOMAÇÃO...................................................................................................1

1.2 - ROBÔS INDUSTRIAIS............................................................................................................15

2 - HISTÓRICO DO CLP ...................................................................................................................23

2.1 - OPERAÇÃO BÁSICA DO CLP.....................................................................................................24 2.2 - HISTÓRICO ..............................................................................................................................25

3 - ARQUITETURA DO CLP ............................................................................................................28

3.1 - CPU - UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO......................................................................28 3.2 - PROCESSADOR.......................................................................................................................28 3.3 - SISTEMA DE MEMÓRIA.............................................................................................................29 3.4 - MEMÓRIA DO SISTEMA DE OPERAÇÃO......................................................................................29 3.5 - MEMÓRIA DE APLICAÇÃO OU MEMÓRIA DO USUÁRIO.................................................................29 3.6 - CIRCUITOS/MÓDULOS DE I/O...................................................................................................31 3.7 - MÓDULOS DISCRETOS DE ENTRADA ........................................................................................32 3.8 - MÓDULOS DISCRETOS DE SAÍDA..............................................................................................34 3.9 - FONTE DE ALIMENTAÇÃO.........................................................................................................37 3.10 - BASE OU RACK .....................................................................................................................38 3.11 - CLASSIFICAÇÃO DOS PLCS ...................................................................................................39

4 - PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO DO CLP ........................................................................................41

4.1 - CICLO DE EXECUÇÃO DO PLC .................................................................................................41 4.2 - ATUALIZAÇÃO DAS ENTRADAS - LEITURA DAS ENTRADAS ..........................................................41 4.3 - EXECUÇÃO DO PROGRAMA DE APLICAÇÃO ...............................................................................42 4.4 - ATUALIZAÇÃO DAS SAÍDAS - ESCRITA DAS SAÍDAS....................................................................42 4.5 - REALIZAÇÃO DE DIAGNÓSTICOS...............................................................................................42 4.6 - CONSIDERAÇÕES RELACIONADAS AO SCAN TIME .....................................................................43

5 - LINGUAGENS DE PROGRAMAÇÃO ........................................................................................44

5.1 - LINGUAGEM_LADDER (LD - LADDER DIAGRAM)........................................................................44 5.2 - LINGUAGEM DE LISTA DE INSTRUÇÕES (IL - INSTRUCTION LIST) ................................................44 5.3 - FERRAMENTAS PARA PROGRAMAÇÃO DE PLCS........................................................................45 PROGRAMADOR MANUAL (HANDHELD PROGRAMMER) ......................................................................46

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................................47

dispara o alarme para acordá-lo e começa a dar as notícias do dia. Nessa mesmahora, alguém esquenta o pão para o café da manhã numa torradeira elétrica,ajustando o tempo de aquecimento. Na sala, uma criança liga o videocassete, quehavia sido programado para gravar seu programa infantil predileto da semanaanterior. Quando a casa esquenta pela incidência dos raios solares, o arcondicionado insufla mais ar frio, mantendo a temperatura agradável.

Esses simples fatos evidenciam como a automação faz parte da vidacotidiana.

Conceito

Automação é um sistema de equipamentos eletrônicos e/ou mecânicos quecontrolam seu próprio funcionamento, quase sem a intervenção do homem.

Automação é diferente de mecanização. A mecanização consiste simples-mente no uso de máquinas para realizar um trabalho, substituindo assim oesforço físico do homem. Já a automação possibilita fazer um trabalho por meiode máquinas controladas automaticamente, capazes de se regularem sozinhas.

Desenvolvimento da automação

As primeiras iniciativas do homem para mecanizar atividades manuaisocorreram na pré-história. Invenções como a roda, o moinho movido por ventoou força animal e as rodas d’água demonstram a criatividade do homem parapoupar esforço.

Porém, a automação só ganhou destaque na sociedade quando o sistema deprodução agrário e artesanal transformou-se em industrial, a partir da segundametade do século XVIII, inicialmente na Inglaterra.

Os sistemas inteiramente automáticos surgiram no início do século XX.Entretanto, bem antes disso foram inventados dispositivos simples e semi-automáticos.

1. In t rodução à automação

Você já reparou que a automação faz partedo dia-a-dia do homem moderno? Pela manhã, o rádio-relógio automaticamente

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Devido à necessidade de aumentar a produção e a produtividade, surgiuuma série de inovações tecnológicas:

· máquinas modernas, capazes de produzir com maior precisão e rapidezem relação ao trabalho feito à mão;

· utilização de fontes alternativas de energia, como o vapor, inicialmenteaplicado a máquinas em substituição às energias hidráulica e muscular.

Por volta de 1788, James Watt desenvolveu um mecanismo de regulagem dofluxo de vapor em máquinas. Isto pode ser considerado um dos primeirossistemas de controle com realimentação. O regulador consistia num eixo verticalcom dois braços próximos ao topo, tendo em cada extremidade uma bola pesada.Com isso, a máquina funcionava de modo a se regular sozinha, automaticamente,por meio de um laço de realimentação.

A partir de 1870, também a energia elétrica passou a ser utilizada e aestimular indústrias como a do aço, a química e a de máquinas-ferramenta.O setor de transportes progrediu bastante graças à expansão das estradas deferro e à indústria naval.

No século XX, a tecnologia da automação passou a contar com computado-res, servomecanismos e controladores programáveis.

Os computadores são o alicerce de toda a tecnologia da automação contem-porânea. Encontramos exemplos de sua aplicação praticamente em todasas áreas do conhecimento e da atividade humana.

Por exemplo, ao entrarmos num banco para retirar um simples extratosomos obrigados a interagir com um computador. Passamos o cartão magnético,informamos nossa senha e em poucos segundos obtemos a movimentaçãobancária impressa.

A origem do computador está relacionada à necessidade de automatizarcálculos, evidenciada inicialmente no uso de ábacos pelos babilônios, entre2000 e 3000 a.C.

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O marco seguinte foi a invenção da régua de cálculo e, posteriormente, damáquina aritmética, que efetuava somas e subtrações por transmissões de engre-nagens. George Boole desenvolveu a álgebra booleana, que contém os princípiosbinários, posteriormente aplicados às operações internas de computadores.

Em 1880, Herman Hollerith criou um novo método, baseado na utilização decartões perfurados, para automatizar algumas tarefas de tabulação do censonorte-americano. Os resultados do censo, que antes demoravam mais de dezanos para serem tabulados, foram obtidos em apenas seis semanas! O êxitointensificou o uso desta máquina que, por sua vez, norteou a criação da máquinaIBM, bastante parecida com o computador.

Em 1946, foi desenvolvido o primeiro computador de grande porte, comple-tamente eletrônico. O Eniac, como foi chamado, ocupava mais de 180 m²e pesava 30 toneladas. Funcionava com válvulas e relês que consumiam 150.000watts de potência para realizar cerca de 5.000 cálculos aritméticos por segundo.Esta invenção caracterizou o que seria a primeira geração de computadores primeira geração de computadores primeira geração de computadores primeira geração de computadores primeira geração de computadores,que utilizava tecnologia de válvulas eletrônicas.

A segunda geração de computadores é marcada pelo uso de transistores(1952). Estes componentes não precisam se aquecer para funcionar, consomemmenos energia e são mais confiáveis. Seu tamanho era cem vezes menorque o de uma válvula, permitindo que os computadores ocupassem muitomenos espaço.

Com o desenvolvimento tecnológico, foi possível colocar milhares detransistores numa pastilha de silício de 1 cm², o que resultou no circuitocircuitocircuitocircuitocircuitointegradointegradointegradointegradointegrado (CI). Os CIs deram origem à terceira geração de computadoresterceira geração de computadoresterceira geração de computadoresterceira geração de computadoresterceira geração de computadores,com redução significativa de tamanho e aumento da capacidade deprocessamento.

Em 1975, surgiram os circuitos integrados em escala muito grande (VLSI).Os chamados chipschipschipschipschips constituíram a quarta geração de computadoresquarta geração de computadoresquarta geração de computadoresquarta geração de computadoresquarta geração de computadores. Foramentão criados os computadores pessoais, de tamanho reduzido e baixo custode fabricação.

Para se ter idéia do nível de desenvolvimento desses computadoresnos últimos quarenta anos, enquanto o Eniac fazia apenas 5 mil cálculospor segundo, um chip atual faz 50 milhões de cálculos no mesmo tempo.

Voltando a 1948, o americano John T. Parsons desenvolveu um método deemprego de cartões perfurados com informações para controlar os movimentosde uma máquina-ferramenta.

Demonstrado o invento, a Força Aérea patrocinou uma série de projetos depesquisa, coordenados pelo laboratório de servomecanismos do InstitutoTecnológico de Massachusetts (MIT). Poucos anos depois, o MIT desenvolveuum protótipo de uma fresadora com três eixos dotados de servomecanismosde posição.

A partir desta época, fabricantes de máquinas-ferramenta começarama desenvolver projetos particulares.

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Essa atividade deu origem ao comando numéricocomando numéricocomando numéricocomando numéricocomando numérico, que implementouuma forma programável de automação com processo controlado por números,letras ou símbolos.

Com esse equipamento, o MIT desenvolveu uma linguagem de programa-ção que auxilia a entrada de comandos de trajetórias de ferramentas na máquina.Trata-se da linguagem APT (do inglês, Automatically Programmed Tools,ou “Ferramentas Programadas Automaticamente”).

Os robôs (do tcheco robota, que significa “escravo, trabalho forçado”)substituíram a mão-de-obra no transporte de materiais e em atividades perigo-sas. O robô programável foi projetado em 1954 pelo americano George Devol,que mais tarde fundou a fábrica de robôs Unimation. Poucos anos depois,a GM instalou robôs em sua linha de produção para soldagem de carrocerias.

Ainda nos anos 50, surge a idéia da computação gráfica interativacomputação gráfica interativacomputação gráfica interativacomputação gráfica interativacomputação gráfica interativa: formade entrada de dados por meio de símbolos gráficos com respostas em temporeal. O MIT produziu figuras simples por meio da interface de tubo de raioscatódicos (idêntico ao tubo de imagem de um televisor) com um computador.Em 1959, a GM começou a explorar a computação gráfica.

A década de 1960 foi o período mais crítico das pesquisas na áreade computação gráfica interativa. Na época, o grande passo da pesquisa foio desenvolvimento do sistema sketchpad, que tornou possível criar desenhose alterações de objetos de maneira interativa, num tubo de raios catódicos.

No início dos anos 60, o termo CADCADCADCADCAD (do inglês Computer Aided Designou “Projeto Auxiliado por Computador”) começou a ser utilizado para indicaros sistemas gráficos orientados para projetos.

Nos anos 70, as pesquisas desenvolvidas na década anterior começarama dar frutos. Setores governamentais e industriais passaram a reconhecer aimportância da computação gráfica como forma de aumentar a produtividade.

Na década de 1980, as pesquisas visaram à integração e/ou automatizaçãodos diversos elementos de projeto e manufatura com o objetivo de criar a fábricado futuro. O foco das pesquisas foi expandir os sistemas CAD/CAMCAD/CAMCAD/CAMCAD/CAMCAD/CAM (Projetoe Manufatura Auxiliados por Computador). Desenvolveu-se tambémo modelamento geométrico tridimensional com mais aplicações de engenharia(CAECAECAECAECAE – Engenharia Auxiliada por Computador). Alguns exemplos dessasaplicações são a análise e simulação de mecanismos, o projeto e análise de injeçãode moldes e a aplicação do método dos elementos finitos.

Hoje, os conceitos de integração total do ambiente produtivo com o uso dossistemas de comunicação de dados e novas técnicas de gerenciamento estão sedisseminando rapidamente. O CIMCIMCIMCIMCIM (Manufatura Integrada por Computador)já é uma realidade.

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Componentes da automação

A maioria dos sistemas modernos de automação, como os utilizadosnas indústrias automobilística e petroquímica e nos supermercados,é extremamente complexa e requer muitos ciclos de realimentação.

Cada sistema de automação compõe-se de cinco elementos:· acionamentoacionamentoacionamentoacionamentoacionamento: provê o sistema de energia para atingir determinado

objetivo. É o caso dos motores elétricos, pistões hidráulicos etc.;

· sensoriamentosensoriamentosensoriamentosensoriamentosensoriamento: mede o desempenho do sistema de automação ou umapropriedade particular de algum de seus componentes. Exemplos:termopares para medição de temperatura e encoders para medição develocidade;

· controlecontrolecontrolecontrolecontrole: utiliza a informação dos sensores para regular o acionamento.Por exemplo, para manter o nível de água num reservatório, usamos umcontrolador de fluxo que abre ou fecha uma válvula, de acordo como consumo. Mesmo um robô requer um controlador, para acionaro motor elétrico que o movimenta;

· comparadorcomparadorcomparadorcomparadorcomparador ou elemento de decisão elemento de decisão elemento de decisão elemento de decisão elemento de decisão: compara os valores medidoscom valores preestabelecidos e toma a decisão de quando atuar nosistema. Como exemplos, podemos citar os termostatos e os programasde computadores;

· programasprogramasprogramasprogramasprogramas: contêm informações de processo e permitem controlaras interações entre os diversos componentes.

Classificação

A automação pode ser classificada de acordo com suas diversas áreasde aplicação. Por exemplo: automação bancária, comercial, industrial, agrícola,de comunicações, transportes. A automação industrial pode ser desdobradaem automação de planejamento, de projeto, de produção. Essa automação podeser classificada também quanto ao grau de flexibilidade.

A flexibilidade de um sistema de automação depende do tipo e da quanti-dade do produto desejado. Isto significa que quanto mais variados forem osprodutos e menor a sua quantidade, mais flexível será o sistema de automação.

O quadro a seguir apresenta uma classificação de tipos de processo e de pro-dução e respectivos sistemas de produção.

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Aplicações da automação

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

Este sistema tem um leitor óptico laser e um computador digital de altodesempenho. Quando um associado quer utilizar a academia, passa um cartãopessoal, com um código de barras, pelo leitor óptico (elemento sensor). O dadode entrada é convertido em sinais elétricos e enviado ao computador. O clienteé identificado (programa). Caso sua situação esteja em ordem (pagamento demensalidades, exame médico etc.), o computador envia um sinal para liberaçãoda catraca (elemento de acionamento) e em seguida registra a ocorrência numbanco de dados, para consultas posteriores.

Outras aplicações

O desenvolvimento de elementos sensores cada vez mais poderosose o baixo custo do hardware computacional vêm possibilitando aplicar aautomação numa vasta gama de equipamentos e sistemas. Por exemplo:

Produtos de consumoProdutos de consumoProdutos de consumoProdutos de consumoProdutos de consumo· Eletroeletrônicos, como videocassetes, televisores e microcomputadores.· Carros com sistemas de injeção microprocessada, que aumentam

o desempenho e reduzem o consumo de combustível.

Indústrias mecânicasIndústrias mecânicasIndústrias mecânicasIndústrias mecânicasIndústrias mecânicas· Robôs controlados por computador.· CAD/CAM, que integra ambientes de projeto e manufatura.· CNC.

BancosBancosBancosBancosBancos· Caixas automáticos.

CATEGORIA DESCRIÇÃO

Processo de fluxo contínuo

Produção em massa (seriada)

Sistema de produção contínua de grandesquantidades de produto, normalmente póou líquido. Exemplo: refinarias e indústriasquímicas.Sistema de produção de um produto compouca variação. Exemplo: automóveis eeletrodomésticos.Sistema de produção de uma quantidademédia de um produto que pode ser repetidoperiodicamente. Exemplo: livros e roupas.Sistema de produção freqüente de cada tipode produto, em pouca quantidade. Exem-plo: protótipos, ferramentas e dispositivos.

Produção em lotes

Produção individualizada(ferramentaria)

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ComunicaçõesComunicaçõesComunicaçõesComunicaçõesComunicações· Chaveamento de chamadas telefônicas.· Comunicações via satélite.· Telefonia celular.· Correios.

TransportesTransportesTransportesTransportesTransportes· Controle de tráfego de veículos.· Sistemas de radar.· Pilotos automáticos.· Sistemas automáticos de segurança.

MedicinaMedicinaMedicinaMedicinaMedicina· Diagnóstico e exames.

O impacto da automação na sociedade

O processo de automação em diversos setores da atividade humana trouxeuma série de benefícios à sociedade.

A automação geralmente reduz custos e aumenta a produtividadedo trabalho. Este aumento possibilita mais tempo livre e melhor salário paraa maioria dos trabalhadores.

Além disso, a automação pode livrar os trabalhadores de atividades monó-tonas, repetitivas ou mesmo perigosas. O esquadrão antibomba da políciaamericana, por exemplo, dispõe de robôs para detectar e desarmar bombase reduzir riscos de acidentes com explosões inesperadas.

Apesar dos benefícios, o aumento da automação vem causando tambémsérios problemas para os trabalhadores:

· aumento do nível de desemprego, principalmente nas áreas em que atuamprofissionais de baixo nível de qualificação;

· a experiência de um trabalhador se torna rapidamente obsoleta;

· muitos empregos que eram importantes estão se extinguindo: é o que vemocorrendo com as telefonistas, perfeitamente substituíveis por centraisde telefonia automáticas;

· aumento das ausências no trabalho, falta de coleguismo, alcoolismo ouconsumo de drogas, que alteram o comportamento dos indivíduos noambiente de trabalho. De certa forma, esse processo de alienação deriva dosentimento de submissão do trabalhador à máquina, da falta de desafios.

Esses problemas, no entanto, podem ser solucionados com programascontínuos de aprendizagem e reciclagem de trabalhadores para novas funções.Além disso, as indústrias de computadores, máquinas automatizadas e serviçosvêm criando um número de empregos igual ou superior àqueles que forameliminados no setor produtivo.

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Você já percebeu, ao andar pelos corredoresde um supermercado, a infinidade de produtos industrializados? Desdealimentos a produtos de limpeza e eletrodomésticos, são incontáveis as marcas,os tamanhos, os fabricantes, as cores, as funções etc.

Como esses produtos chegam ao supermercado para que possamos comprá-los? Como o fabricante descobriu que havia necessidade exatamente daqueleproduto? De que forma ele foi fabricado? E o seu custo?

Esta aula visa mostrar como se desenvolve um produto, desde sua concepçãoaté a colocação no mercado, e também de que modo as tecnologias de automaçãopodem ser utilizadas.

Introdução

O progresso da automação, conforme foi visto na aula anterior, tem melhoradosensivelmente o padrão de vida da população, principalmente devido aoaumento dos níveis de produtividade do trabalho.

Junto com as inovações tecnológicas, ocorreram nas últimas décadasmodificações na relação da empresa com o mercado consumidor. Hoje, umatelevisão custa bem menos do que há uma década, mesmo acrescida de todosos recursos tecnológicos (controle remoto, por exemplo). E ainda pode serencontrada em diferentes modelos e tamanhos. Seus fabricantes, antes restritosaos países de origem, hoje competem em nível mundial. Da mesma forma,muitos produtos que eram fabricados em grandes lotes, hoje se adaptamao tamanho do mercado.

Ciclo do produto

A figura a seguir ilustra o ciclo de desenvolvimento de um produto,ressaltando as atividades principais.

1.1 Ciclo de um produto

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Analisaremos cada etapa desse ciclo isoladamente.

Projeto

Suponha que você queira montar seu próprio negócio no ramo industriale tenha capital para isso. Quais seriam os passos necessários?

Primeiro é preciso pensar no produto que a empresa vai vender.Qual é o produto? Como ele deve ser? Quanto vai custar? A quem deve atender?Como deve funcionar?

Muitos pesquisadores analisaram estas questõese, a partir delas, definiram um esquema geral quecorresponde a um projetoprojetoprojetoprojetoprojeto.

Um projeto pode ser entendido como umconjunto de decisões que solucionam um dadoproblema ou atendem a uma necessidade.

Um projeto pode ser caracterizado pelas etapasapresentadas num fluxograma, conforme o modeloao lado.

CICLO DE DESENVOLVIMENTO DE UM PRODUTO

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Reconhecimento

Reconhecer o que é necessário requer observação do meio em que se vive. Otelefone, por exemplo, surgiu como resposta à necessidade das pessoas de secomunicarem a distância. Um copo, por sua vez, atende à necessidade de contere reservar líquidos.

A necessidade nem sempre é evidente, mas pode ser identificada por certosaspectos. Por exemplo, a necessidade de fazer alguma coisa a respeito de umamáquina de lavar roupa pode ser indicada pelo nível de ruído da máquina,pela qualidade da roupa lavada ou pelo consumo exagerado de energia.

Por outro lado, reconhece-se facilmente uma necessidade depois que alguéma expõe. Assim, atualmente tornou-se importante adotar medidas de proteçãoda camada de ozônio, melhorar os transportes coletivos nas grandes cidadese reduzir a poluição do ar e da água, a fim de melhorar a qualidade de vida.

Identificação

Identificar a necessidade e a definição do problema são coisas diferentes.A definição do problema é bem mais específica. Por exemplo, se a necessidadea ser atendida é melhorar o sistema de transportes coletivos, a definiçãodo problema pode ser aumentar a quantidade de ônibus, investir no metrôou mesmo construir corredores especiais para ônibus.

A definição do problema deve incluir todas as especificações para o objetoque se deseja projetar. As especificações indicam os elementos de entrada, asrespostas, as características e as dimensões que o objeto deve ter, o espaçoocupado e todas as limitações dessas quantidades.

A definição do problema deve levar em conta os aspectos básicos de projeto.Por exemplo, se estamos projetando uma estrutura metálica, a resistência de umelemento é um aspecto importante na determinação da geometria e das dimensõesdesse elemento. Já no projeto de um copo plástico, o formato geométrico devefavorecer boas condições de execução do projeto.

Síntese e análise

Depois de definir e especificar o problema, o próximo passo do projetoé identificar meios para a sua solução. Nesta fase, deve-se analisar todasas alternativas de solução com base em critérios preestabelecidos. Após definira melhor forma de solução, faz-se um modelo do objetoa ser executado. Ou seja, primeiro deve-se fazera análise das possíveis soluções e, depois, a síntese,ou seja, o projeto ou o modelo.

Espera-se encontrar um modelo semelhanteao sistema físico real. Criando-se um modelo mate-mático, simplifica-se o sistema físico de modo que elepossa ser analisado.

A simplificação de um modelo pode ser melhorentendida no exemplo da figura ao lado, que mostraum cadinho contendo ferro em estado fundente. esquema do cadinho

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Podemos determinar a massa apro-ximada do líquido, simplificando sua geo-metria original em um cilindro.

Avaliação

A avaliação consta de uma prova final, que visa verificar se um projeto estásatisfatório. Normalmente, a avaliação envolve o teste de um protótipo emlaboratório. O objetivo é verificar se o projeto satisfaz realmente às necessidadesestabelecidas. Algumas perguntas devem ser respondidas: O produto é confiável?Sua fabricação é econômica? A manutenção é simples? O produto é fácil de regular?

Um passo final e necessário no processo do projeto é apresentá-lo a outraspessoas. A humanidade teria perdido muitos grandes projetos, invenções etrabalhos criativos se os seus criadores não tivessem sido capazes de explicá-losa outros. As obras de Bach, por exemplo, não teriam chegado até nós se ele nãoas tivesse escrito e divulgado. Um projeto de engenharia bem documentadocompreende: desenhos de fabricação e de conjunto, lista de materiais e normaspara controle de qualidade.

Resumindo:

A identificação de uma necessidade relaciona-se com a identificaçãode um problema que requer solução.

O problema definido orienta o projeto, nos seguintes aspectos:especificações técnicas (funcionais e operacionais), plano de inves-timentos, padrões de qualidade, custos etc. A partir desses dados,procedemos a uma análise das possíveis soluções até que se obtenha aque melhor satisfaça a critérios predeterminados. A avaliação constade testes do produto, que permitam verificar seu desempenho.Por último, elaboram-se os desenhos detalhados de fabricaçãode todos os componentes.

Fabricação da peça

Vamos supor que temos o projeto de umpeão para jogo de xadrez, e o desenho de fa-bricação correspondente, conforme a figura aolado. Nosso objetivo agora é fabricar o peão.Vejamos as etapas básicas da fabricação.

modelosimplificado

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Planejamento

A primeira tarefa consiste em planejar o processo de fabricação do peão.Vamos selecionar e definir em detalhes os processos a serem executados numapeça, de acordo com as suas especificações.

O planejamento de processo pode ser definido como o ato de prepararinstruções de operação detalhadas para transformar um desenho de engenhariaem produto final.

Dessa forma, a fabricação do produto passa pelas seguintes etapas:· determinação do método, dispositivo de fixação e equipamento, levando-

se em conta as padronizações existentes;· determinação da seqüência das modalidades de processo (torneamento,

fresamento, furação etc.) e das respectivas operações (faceamento,torneamento cilíndrico etc.);

· seleção das ferramentas aplicáveis;· seleção das condições de processo, velocidade de corte, avanço,

profundidade etc.

Adaptando estes itens ao projeto do peão, obtemos a seguinte tabela:

Dados de planejamento de processo para o peão:Vc é a velocidade de corte e f é o avanço de corte.

A figura a seguir ilustra cada operação com suas respectivas ferramentas.

O conjunto das decisões tomadas em cada uma das etapas anteriores nãoé único. Por exemplo, se mudarmos a velocidade de corte da operação nº 1, de150 m/min para 180 m/min, estaríamos com outra solução. As soluções devembasear-se em critérios que otimizem medidas de custo ou tempo de fabricação.

O resultado do planejamento do processo é um plano também conhecidocomo roteiro ou folha de processo. Ele orienta, detalhadamente, como fabricardeterminado componente.

EQUIPAMENTO: TORNO

DISPOSITIVO DE FIXAÇÃO: PLACA DE TRÊS CASTANHAS - MATERIAL: AÇO ABNT 1045

CONDIÇÕES DE USINAGEM

Vc = 150 m/min

Vc = 250 m/min

Vc = 100 m/min

f = 0,6 mm/rotação



SEQÜÊNCIA DE OPERAÇÕES

1. Torneamento de desbaste

2. Acabamento do perfil

3. Sangramento

FERRAMENTAS

Desbaste

Acabamento

Bedame

Possível seqüência de fabricação do peão

1. operação de desbaste 2. acabamento do perfil 3. sangramento

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Não é só o setor de produção que necessita das informações contidasnas folhas de processo. Por exemplo, para o Planejamento e Controle daProdução é necessária a seqüência de operações e respectivos tempos dasoperações para definir o nível de utilização dos equipamentos e a capacidadeda empresa para atender a um pedido de cliente. Na contabilidade decustos, o plano de processos facilita uma estimativa dos custos de fabricaçãode um componente, ainda na fase de projeto, permitindo comparar soluçõestecnicamente viáveis.

Planejamento e pedido de materialPlanejamento e pedido de materialPlanejamento e pedido de materialPlanejamento e pedido de materialPlanejamento e pedido de materialDe posse da lista de material feita pelo projetista, o encarregado

do processamento verifica se todo o material está disponível em estoque e,se for o caso, compra os itens que faltam.

Programação e controle da produção (PCP)Programação e controle da produção (PCP)Programação e controle da produção (PCP)Programação e controle da produção (PCP)Programação e controle da produção (PCP)A produção de um componente deve ser programada segundo a capacidade

produtiva, levando-se em conta a disponibilidade de material, os dispositivosde fixação, ferramentas, mão-de-obra etc.

Manufatura e montagemManufatura e montagemManufatura e montagemManufatura e montagemManufatura e montagemA peça é trabalhada em máquinas específicas que implementam o processo

de fabricação. No caso do peão, utilizaríamos um torno de comando numérico,dotado de uma placa de três castanhas.

Controle de qualidadeControle de qualidadeControle de qualidadeControle de qualidadeControle de qualidadeAo final de cada etapa de fabricação, as peças devem ser inspecionadas para se

verificar se atendem às especificações técnicas do projeto, escritas na documentaçãodo projeto. Para isso, podem ser empregados instrumentos de medição.

Entrega ao clienteEntrega ao clienteEntrega ao clienteEntrega ao clienteEntrega ao clienteO produto é embalado e entregue ao cliente.

Impacto das tecnologias de automação no ciclo do produto

Não é exagero dizer que em cada etapa seria possível inserir algumatecnologia de automação. Com exceção das etapas do projeto que exigemcriatividade, as demais etapas podem ser automatizadas.

Desde o início, tudo pode ser automatizado. Basta que as ferramentas doprojeto auxiliado por computador (CAD) abranjam as etapas de concepção eprojeto propriamente dito. Planejam-se o projeto e o processo com auxílio docomputador (CAPP), fabricam-se as peças em máquinas controladasnumericamente, com programação feita por meio de ferramentas CAM:manufatura auxiliada por computador.

Os sistemas computacionais tornaram-se ferramentas indispensáveis àaplicação de técnicas modernas de produtividade nas atividades de projetoe na fabricação. É importante que as empresas e seu pessoal conheçam bemas ferramentas de automação, principalmente quando os lotes que serãoproduzidos forem pequenos, pois neste caso os custos relativos ao projeto eplanejamento são proporcionalmente maiores. Mesmo as atividadesde controle de qualidade e os testes podem ser automatizados.

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O objetivo final é obter um ciclo cada vez mais rápido, reduzindo-se o tempode produção do produto. Alcançando-se esta meta, pode-se aumentara produtividade e reduzir custos.

Mas tudo tem um início... Todas as tecnologias que hoje se disseminam nasociedade têm seus alicerces em conceitos fundamentais de eletricidade e eletrônica.

Teste sua aprendizagem. Faça os exercícios e confira suas respostas comas do gabarito.

CICLO DE DESENVOLVIMENTO DE UM

PRODUTO E AS TECNOLOGIAS DE

AUTOMAÇÃO

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O prédio da embaixada de um país europeuamanheceu com uma bomba estrategicamente colocada em sua porta de entrada.Todas as emissoras de televisão da cidade miraram suas lentes no encarregado dedesarmar o mecanismo. Ao invés de pernas, o encarregado tinha esteiras, no lugardos olhos, uma câmera de vídeo. E, para completar, dois braços mecânicos. Era umtipo de robô que, por ser comandado a distância, é conhecido como teleoperador.

Aproximou-se do local, guiado por controle remoto por um especialista emexplosivos. De longe, com a ajuda de alavancas, botões e uma tela de televisão, oespecialista iniciou seu trabalho. Mas alguma coisa deu errado. Alguns minutosdepois, a bomba explodiu, transformando o robô num amontoado fumegante deaço retorcido. O especialista ficou assustado. Devia sua vida àquela máquina.

Contribuição

Os robôs industriais seguem o mesmo princípio de controle das máquinas-ferramenta CNC, mas sua estrutura mecânicaé bastante diferente.

Alguns conceituam robôcomo um manipuladormecânico reprogramável.Para outros, o robô é ummecanismo automáticouniversal. Seja como for,a idéia principal é a deque os robôs são má-quinas controladasn u m e r i c a m e n t e ,destinadas a executaruma grande diversi-dade de operações.

máquina universal

1.2 Robôs industriais

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A maior parte dos robôs, espalhados pelo mundo, desenvolve atividadesde soldagem, manipulação de peças e pintura.

Robôs: realidade e ficção

Tendemos a crer que robôs são máquinas construídas à semelhança dohomem, com inteligência privilegiada. Mas a tecnologia atual ainda não é capazde igualar a realidade à ficção científica. Os robôs industriais são surdos, mudos,feios e burros. A maioria deles é cega e os poucos que possuem sistemas de visãoartificial acabam distinguindo apenas contrastes entre áreas claras e escuras.Mas os robôs atuais são máquinas bastante úteis e, desde 1961, quando oprimeiro robô foi empregado numa indústria automobilística, vêm evoluindo.

Anatomia dos robôs industriais

Um conceito importante no estudo dos robôs é o de volume de trabalho,ou seja, o conjunto de todos os pontos que podem ser alcançados pela garra deum robô, durante sua movimentação. Assim, os componentes que fazem partedo seu local de trabalho devem ser arranjados para ficarem dentro desse volumede trabalho.

Os robôs são classificados de acordo com o volume de trabalho. Assim,existem os robôs cartesianos, cilíndricos, esféricos ou polares e os articulados ouangulares.

Essas configurações são chamadas de clássicas ou básicas. Elas podemser combinadas de modo a formar novas configurações.

distribuição de robôs entre várias tarefas industriais

configurações de robôs industriais

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A grande maioria dos robôs é acionada por meio de servomotores elétricos.O acionamento elétrico, ao contrário do pneumático ou hidráulico, é maisfacilmente controlável e oferece maior precisão de posicionamneto.

Os robôs podem apresentar vários movimentos. Cada movimento, realizadopor meio de um servomotor elétrico, corresponde ao que chamamos de grau deliberdade. Os graus de liberdade de um robô podem estar associados ao corpoou ao punho.

Portanto, este é um robô de cinco graus de liberdade: três graus de liberdadeno corpo e dois graus de liberdade no punho. Os graus de liberdade do corpo dorobô definem a posição do centro da flange do punho. Assim, quando movemosos eixos A, B e C do robô, cada qual num determinado ângulo, a posiçãodo centro da flange fica perfeitamente definida.

Conhecida essa posição, os graus de liberdade do punho (E e P) definem,então, a orientação da flange, ou seja, o ângulo que a flange forma como antebraço do robô.

Alguns robôs possuem punhos com três graus de liberdade.

No corpo:A: movimento angular do antebraçoB: movimento angular do braçoC: rotação da base

No punho:E: movimento angularP: rotação do punho

desenho esquemático do punho de um robô

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Para executar seu trabalho, o robô necessita de uma ferramenta que pode sersimples, como uma pistola de solda a ponto ou uma lixadeira. Ou de umaferramenta complicada, como as utilizadas para manusear pára-brisasde automóveis. Essa ferramenta, denominada órgão terminal, é fixada na flangedo punho do robô.

O conjunto dos movimentos do corpo e do punho dos robôs define a posiçãoe a orientação do órgão terminal, possibilitando a execução da tarefa.

Dependendo do número de graus de liberdade, a estrutura mecânica de umrobô pode ser mais ou menos complexa. Ela consiste basicamente de peças quese unem umas às outras por articulações ou juntas. O acionamento de cada umadas juntas é realizado por meio de um servomotor elétrico e de sistemasde transmissão mecânica que variam em função da configuração do robô.

Utilizam-se fusos de esferas circulantes, iguais aos empregados em máquinas-ferramenta, engrenagens, polias e correias dentadas (também chamadassincronizadoras), barras articuladas e redutores de velocidade de elevada taxade redução.

Quanto aos redutores de velocidade, dois tipos bastante utilizados são osredutores planetários e os cicloidais, devido ao fato de apresentarem umaelevada taxa de redução em relação ao volume ocupado. Esses redutores sãonormalmente aplicados no acionamento dos movimentos do corpo do robô(base, braço e antebraço). Substituem os fusos de esferas, utilizados noacionamento do braço e do antebraço dos robôs articulados mais antigos,possibilitando robôs mais compactos.

exemplos de órgãos terminais

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Controle

Os robôs industriais são, na verdade, como já dissemos, espécies de máquinasde comando numérico. Seu sistema de controle funciona de maneira similarao das máquinas-ferramenta CNC.

Controlar os movimentos de um robô consiste, basicamente, em fazer comque seus motores girem, associados a cada uma das juntas da estrutura do robô,de modo que o órgão terminal atinja posição e orientação desejadas.

Esse controle, à primeira vista, pode parecer fácil. Na verdade, é complicadopois envolve aspectos mecânicos, eletrônicos e de computação. Não se trataapenas de um ponto, mas de uma série deles, formando uma trajetória a serpercorrida pelo órgão terminal. E a cada ponto o órgão terminal pode apresentaruma orientação diferente. O sistema de controle ainda deve considerar a massaque está sendo manuseada pelo robô, as acelerações e desacelerações, os atritosentre os componentes mecânicos. E todos esses cálculos devem ser feitosdurante a movimentação do robô ou, como se costuma dizer, em tempo real.

O desenvolvimento de controles numéricos com velocidades deprocessamento cada vez maiores, bem como o surgimento de novoscomponentes mecânicos e materiais mais leves e resistentes, vem contribuindopara que os robôs fiquem mais rápidos, confiáveis e precisos.

Mesmo assim, a precisão desse tipo de máquina continua sendo pior do quea das máquinas-ferramenta CNC, que normalmente apresentam estruturasmais rígidas e um arranjo mais simples de componentes mecânicos.

Além disso, os robôs ainda continuam sendo máquinas pouco inteligentes.Não têm capacidade suficiente para se adaptar a situações imprevistas. Os robôsatuais ainda seguem, passo-a-passo, todas as instruções fornecidas pelo homem.Não podem se desviar do que lhes foi previamente estabelecido, a menos queeste desvio também tenha sido previsto.

Os robôs não pensam. Apenas obedecem cegamente aos comandos dohomem. Esta característica faz com que eles só possam ser usados em ambientes

malha de controle de um dos eixos de um robô

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padronizados, não sujeitos a variações imprevistas. Caso contrário, ficarãosujeitos a acidentes que acabarão por inviabilizar a operação automática.

Programação

O maior número de graus de liberdade dos robôs, quando comparadosàs máquinas-ferramenta CNC, também influi nos métodos de progra-mação utilizados.

Os métodos de programação de robôs dividem-se em dois tipos: off-line eon-line. Na programação off-line ou “fora-de-linha”, usam-se linguagens deprogramação semelhantes às utilizadas na programação de máquinas-ferramenta CNC.

Por meio das linguagens de programação, pode-se controlar os movimentosdo robô numa sala, longe do ambiente de trabalho real da máquina.

Num robô encarregado de executar a solda a ponto de uma carroceria deautomóvel, alguns dos pontos de solda estão localizados em regiões de difícilacesso. Para levar seu órgão terminal a esses locais, o robô precisa ser capazde efetuar vários movimentos.

Portanto, apesar do progresso no desenvolvimento de métodos deprogramação off-l ine, as dificuldades ainda persistem e acabarampopularizando a programação on-line, em que se diz que o robô é ensinado.Utilizamos um pequeno painel de controle manual chamado teaching box,que podemos traduzir como “caixa de ensinamento” ou, mais tecnicamente,“painel de controle manual”.

Com o auxílio desse painel de controle, movimentamos os eixos do robô atéo primeiro ponto da trajetória desejada e armazenamos a posição desse ponto namemória do comando numérico. Em seguida, deslocamos o órgão terminal parao ponto seguinte da trajetória e armazenamos esse novo ponto. Repetimos oprocedimento para todos os pontos que formam a trajetória, como a da soldagemde pára-lamas de automóvel. Assim, “ensinamos” ao robô a trajetória que deveser percorrida, bem como a orientação do órgão terminal em cada um dessespontos.

exemplo de aplicação de programação “on line”

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Durante a operação automática, simplesmente mandamos o robô repetir oque lhe foi ensinado e pronto. A desvantagem desse método de programação,no entanto, está na necessidade de interromper o trabalho normal de produçãodo robô para ensinar-lhe uma nova tarefa.

Aplicação

As possibilidades de aplicação de robôs industriais são muito amplas.Apesar de se concentrarem em áreas determinadas, a cada dia, graças a suacaracterística de máquina universal, os robôs ganham uma nova aplicação,substituindo o homem como uma máquina-ferramenta.

Manipulação de material

A função principal de um robô é manipular materiais. Isto não acrescentavalor ao produto, mas somente custo. Portanto, deve ser cuidadosamenteestudado para se obter uma forma de manuseio eficiente e barata.

Entre as operações de manuseio mais comuns, realizadas pelos robôs, estãoas de carregamento e descarregamento de máquinas, bem como as de paletizaçãoe despaletização. Paletizar significa distribuir ou arranjar peças sobre um pallet.Pallet é o nome que se dá à bandeja ou estrado sobre o qual podem ser dispostoselementos como peças, sacos, caixas. Despaletizar é retirar esses elementosdo pallet, para serem processados, armazenados, embalados.

Os robôs também podem manusear peças para a montagem de umdeterminado produto. É o que ocorre quando se ajusta um pára-brisa nacarroceria de um automóvel.

Soldagem

Os processos de soldagem MIG e por resistência elétrica (solda a ponto)são as aplicações mais populares dos robôs industriais. O principal usuáriodos robôs de solda a ponto é a indústria automobilística.

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A figura mostra, esquematicamente, uma estação de soldagem de carroceriasde automóveis formada por robôs. Em algumas das linhas, é possível associar-se a cada carroceria um sistema de identificação. A carroceria, ao passar pelaestação, é identificada como sendo deste ou daquele veículo. Com essa informação,aciona-se o programa de soldagem apropriado. Assim, uma mesma linha podetrabalhar com tipos diferentes de automóveis, de modo flexível.

Atividades perigosas

Além das aplicações industriais típicas, o robô tem aplicação bastantepromissora em atividades perigosas ou insalubres ao homem. Utilizam-se robôspara a exploração espacial (um exemplo é o braço mecânico usado pelos ônibusespaciais americanos para colocar satélites em órbita ou repará-los). Os robôstambém são enviados para lugares onde ninguém pode ou quer ir: recolhemtesouros em navios afundados a grandes profundidades, medem temperaturase fazem análise de gases em crateras de vulcões ou lidam com produtosradiativos em usinas nucleares.

estação de soldagem de carrocerias de automóveis

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O Controlador Lógico Programável, ou simplesmente PLC (Programmable Logic Controller), pode ser definido como um dispositivo de estado sólido - um Computador Industrial, capaz de armazenar instruções para implementação de funções de controle (seqüência lógica, temporização e contagem, por exemplo), além de realizar operações lógicas e aritméticas, manipulação de dados e comunicação em rede, sendo utilizado no controle de Sistemas Automatizados

Os principais blocos que compõem um PLC são: • CPU (Central Processing Unit - Unidade Central de Processamento):

compreende o processador ( microprocessador, microcontrolador ou processador dedicado), o sistema de memória (ROM e RAM) e os circuitos auxiliares de controle;

• Circuitos/Módulos de I/O ( lnputlOutput — Entrada/Saída): podem

ser discretos (sinais digitais: 12VDC, 127 VAC, contatos normalmente abertos, contatos normalmente fechados) ou analógicos (sinais analógicos: 4-20mA, 0-10VDC, termopar);

• Fonte de Alimentação: responsável pela tensão de alimentação

fornecida à CPU e aos Circuitos/Módulos de I/O. Em alguns casos, proporciona saída auxiliar (baixa corrente).

• Base ou Rack: proporciona conexão mecânica e elétrica entre a

CPU, os Módulos de I/O e a Fonte de Alimentação. Contém o barramento de comunicação entre eles, no qual os sinais de dados, endereço, controle e tensão de alimentação estão presentes.

Pode ainda ser composto por Circuitos/Módulos Especiais: contador

rápido (5kHz, 10kHz, 100kHz, ou mais), interrupção por hardware, controlador de temperatura, controlador PID, co-processadores (transmissão via rádio, posicionamento de eixos, programação BASIC, sintetizador de voz, entre outros) e comunicação em rede, por exemplo.

2 - HISTÓRICO DO CLP

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A figura a seguir mostra um PLC comercial.

A CPU executa a leitura dos status (condições, estados) dos dispositivos de entrada meio dos Circuitos/Módulos de I/O. Esses status são armazenados na memória (RAM) para serem processados pelo Programa de Aplicação (desenvolvido pelo usuário e armazenado em memória RAM, EPROM ou EEPROM no PLC). Após a execução do Programa de Aplicação, o processador atualiza os status dos dispositivos de saída por meio dos Circuitos/Módulos de I/O, realizando a lógica de controle.

A programação do PLC é feita por meio de uma Ferramenta de

Programação que pode ser um Programador Manual (Terminal de Programação, Handheld Programmer), ou um PC com Software de Programação específico (ambiente DOS® ou Windows® ). A Linguagem Ladder (RLL - Relay Ladder Logic, Lógica de Contatos de Relê), muito popular entre os usuários dos antigos sistemas de controle a relês, é a mais utilizada. Esta linguagem é a representação lógica da seqüência elétrica de operação, como ilustrado nas figuras a seguir.

2.1 - Operação Básica do CLP

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A lógica implementada pelo PLC é muito similar à convencional, sendo

que os dispositivos de entrada (elementos B0 e B1) são conectados ao Circuito/Módulo de Entrada e o dispositivo de saída (elemento L0), ao Circuito/Módulo de Saída. O Programa de Aplicação determina o acionamento da saída em função das entradas (B0 . B1 = L0). Qualquer alteração desejada nesta lógica é realizada por meio de alterações no programa, permanecendo as mesmas ligações (conexões) nos Circuitos/Módulos de I/O.

Na década de 60, o aumento da competitividade fez com que a indústria automotiva melhorasse o desempenho de suas linhas de produção, aumentando tanto a qualidade como a produtividade. Fazia-se necessário encontrar uma alternativa para os sistemas de controle a relês. Uma saída possível, imaginada pela General Motors, seria um sistema baseado no computador.

Assim, em 1968 , a Divisão Hydramatic da GM determinou os critérios

para projeto do PLC, sendo que o primeiro dispositivo a atender às especificações foi desenvolvido pela Gould Modicon em 1969.

As principais características desejadas nos novos equipamentos de

estado sólido, com a flexibilidade dos computadores, eram: • Preço competitivo com os sistemas a relês; • Dispositivos de entrada e de saída facilmente substituíveis; • Funcionamento em ambiente industrial (vibração, calor, poeira,

ruídos); • Facilidade de programação e manutenção por técnicos e

engenheiros; • Repetibilidade de operação e uso. Inicialmente, os CLPs, ouPLCs eram chamados PCs - Programmable

Controllers, mas com o advento dos Computadores Pessoais (PCs - Personal Computers), convencionou-se PLCs para evitar conflitos de nomenclatura. Originalmente os PLCs foram usados em aplicações de controle discreto (onloff - liga/desliga), como os sistemas a relês, porém eram facilmente instalados, economizando espaço e energia, além de possuírem indicadores de diagnósticos que facilitavam a manutenção. Uma eventual necessidade de alteração na lógica de controle da máquina era realizada em pouco tempo, apenas com ‘mudanças’ no programa, sem necessidade de alteração nas ligações elétricas.

2.2 - Histórico

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A década de 70 marca uma fase de grande aprimoramento dos PLCs.

Com as inovações tecnológicas dos microprocessadores, maior flexibilidade e um grau também maior de inteligência, os Controladores Lógicos Programáveis incorporaram:

1972 - Funções de temporização e contagem; 1973 - Operações aritméticas, manipulação de dados e comunicação

com computadores; 1974 - Comunicação com lnterfaces Homem-Máquina; 1975 - Maior capacidade de memória, controles analógicos e

controle PID; 1979/80 - Módulos de I/O remotos, módulos inteligentes e

controle de posicionamento. Nos anos 80, aperfeiçoamentos foram atingidos, fazendo do PLC um

dos equipamentos mais atraentes na Automação Industrial. A possibilidade de comunicação em rede (1981) é hoje uma característica indispensável na indústria. Além dessa evolução tecnológica, foi atingido um alto grau de integração, tanto no número de pontos como no tamanho físico, que possibilitou o fornecimento de minis e micros PLCs (a partir de 1982).

Atualmente, os PLCs apresentam as seguintes características: • Módulos de I/O de alta densidade (grande número de Pontos de I/O

por módulo); • Módulos remotos controlados por uma mesma CPU; • Módulos inteligentes (coprocessadores que permitem realização de

tarefas complexas: controle PID, posicionamento de eixos, transmissão via rádio ou modem, leitura de código de barras);

• Software de programação em ambiente Windows® (facilidade de

programação); • Integração de Aplicativos Windows® (Access, Excel, Visual Basic)

para comunicação com PLCs; • Recursos de monitoramento da execução do programa, diagnósticos

e detecção de falhas; • Instruções avançadas que permitem operações complexas (ponto

flutuante, funções trigonométricas ); • Scan Time (tempo de varredura) reduzido (maior velocidade de

processamento) devido à utilização de processadores dedicados;

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• Processamento paralelo (sistema de redundância), proporcionando

confiabilidade na utilização em áreas de segurança; • Pequenos e micros PLCs que oferecem recursos de hardware e de

software dos PLCs maiores; • Conexão de PLCs em rede (conexão de diferentes PLCs na mesma

rede, comunicação por meio de Rede Ethernet). O mercado recebe constantemente novos e melhores produtos que

agregam valores, ao mesmo tempo que reduzem o custo das soluções baseadas em PLCs. Portanto, é indispensável uma atualização contínua por intermédio de contato com fabricantes e fornecedores, sendo a lnternet uma ótima opção.

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Conhecer a estrutura básica de cada Bloco que compõe o PLC, com suas particularidades e funções desempenhadas, auxilia na configuração e escolha do equipamento mais adequado à implementação de determinado Sistema Automatizado. De certa forma, influencia também no desenvolvimento do Programa de Aplicação.

A CPU de um PLC compreende os elementos que formam a ‘inteligência’ do sistema: o Processador e o Sistema de Memória, além dos circuitos auxiliares de controle. O Processador interage continuamente com o Sistema de Memória por meio do Programa de Execução (desenvolvido pelo fabricante), interpreta e executa o Programa de Aplicação (desenvolvido pelo usuário), e gerência todo o sistema. Os circuitos auxiliares de controle atuam sobre os barramentos de dados (data bus), de endereços (address bus) e de controle (control bus), conforme solicitado pelo processador, de forma similar a um sistema convencional baseado em microprocessador.

O desenvolvimento tecnológico de um PLC depende principalmente do Processador utilizado, que pode ser desde um microprocessador/controlada convencional - 80286, 80386, 8051, até um processador dedicado - DSP (Digital Signa Processor — Processador Digital de Sinais), por exemplo.

Atualmente, os Processadores utilizados em PLCs são dotados de alta

capacidade computacional. Há CPUs que possuem processamento paralelo (sistema de redundância), no qual dois ou mais processadores executam o Programa de Aplicação, confrontando o resultados obtidas após o término de cada execução. Algumas Famílias de PLCs possuem Módulos Co-processadores, que auxiliam o Processador da CPU na execução de funções específicas (operações complexas).

Independente de sua tecnologia, o Processador é responsável pelo

gerenciamento total do sistema, controlando os barramentos de endereços, de dados e de controle. Conforme determinado pelo Programa de Execução, interpreta e executa as instruções do Programa de Aplicação, controla a comunicação com dispositivos externos e verifica integridade de todo o sistema (diagnósticos). Pode operar com registros e palavras d instrução, ou de dados, de diferentes tamanhos (8, 16 ou 32 bits), determinado pelo tamanho de seu acumulador e pela lista de instruções disponíveis para cada CPU.

3 - ARQUITETURA DO CLP

3.1 - CPU - Unidade Central de Processamento

3.2 - Processador

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O Sistema de Memória da CPU é composto pela Memória do Sistema de Operação (Programa de Execução ou Firmware, e Rascunho do Sistema) e pela Memória de Aplicação (Programa de Aplicação e Tabela de Dados), conforme a figura a seguir.

• Programa de Execução (Firmware): Constitui o programa desenvolvido pelo fabricante do PLC, o qual determina como o sistema deve operar, incluindo a execução do Programa de Aplicação, controle de serviços periféricos, atualização dos Módulos de I/O, etc. O Programa de Execução é responsável pela ‘tradução’ do Programa de Aplicação desenvolvido pelo usuário — em linguagem de alto nível, para instruções que o Processador da CPU possa executar — em linguagem de máquina. E armazenado em memória não volátil — tipo ROM, normalmente EPROM.

• Rascunho do Sistema: Trata-se de uma área de memória reservada para o armazenamento temporário de uma quantidade pequena de dados, utilizados pelo Sistema de Operação para cálculos ou controle (calendário e relógio internos, sinalizadores — flags — de alarmes e erros). Uma característica dessa área de memória é o acesso rápido, sendo do tipo RAM.

• Programa de Aplicação: Nessa área é armazenado o programa desenvolvido pelo usuário para execução do controle desejado. Trata-se normalmente de memória EEPROM, podendo ser também EPROM, ou ainda RAM com bateria de segurança.

• Tabela de Dados: Essa área armazena dados que são utilizados pelo

Programa de Aplicação, como valores atuais e de preset (pré-configurado) de temporizadores! Contadores e variáveis do programa, além dos status dos Pontos de Entrada e de Saída (Tabela de Imagem das Entradas e Tabela de Imagem das Saídas), que são lidas e escritas pelo Programa de Aplicação, respectivamente. A atualização desse status é realizada constantemente, refletindo as mudanças ocorridas nos Pontos de Entrada, e as atualizações das saídas são efetuadas pelo Programa de Aplicação. Cada Ponto de Entrada e de Saída, conectado aos Módulos de I/O, tem um endereço específico na Tabela de Dados, o qual é

3.3 - Sistema de Memória

3.4 - Memória do Sistema de Operação

3.5 - Memória de Aplicação ou Memória do Usuário

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acessado pelo Programa de Aplicação. Essa memória é do tipo RAM, podendo ser alimentada com bateria de lítio (memória retentiva).

Cada instrução que a CPU pode executar consome uma quantidade

predeterminada de memória, expressa em bytes (8 bits) ou words (16 bits). Normalmente, as especificações técnicas de uma CPU indicam a quantidade de memória disponível para o usuário (memória variável - RAM, e memória de programação — EPROM, EEPROM ou RAM com bateria), podendo ser expressa em Kbytes (‘capacidade física’ de armazenamento da memória) ou em Kwords - palavras de programação (‘capacidade lógica’ de armazenamento da memória). No entanto, durante a configuração de um PLC, deve ser considerada a quantidade de palavras de programação, uma vez que nem sempre há relação direta entre a capacidade física (Kbytes) e a capacidade lógica (Kwords).

Conforme o fabricante e a Família (ou modelo) de PLC, a quantidade

de memória destinada ao Programa de Aplicação pode ser configurada pelo usuário, ou seja, uma mesma CPU pode ser configurada para aceitar até 2Kwords de instruções, como até 4Kwords, por exemplo. Normalmente, quando existe esta possibilidade, a memória se apresenta na forma de cartuchos que são inseridos na CPU. Existem casos em que a CPU é fornecida com uma quantidade básica de memória, a qual pode ser expandida por meio desses “cartuchos”.

Além da quantidade de memória, pode haver diferenças na forma de

armazenamento dos dados. As características normalmente apresentadas nas especificações técnicas de unia CPU e que devem ser consideradas durante a sua configuração são:

• Capacidade de memória: quantidade máxima de memória que a CPU

pode conter, sendo indicadas separadamente: Memória total para programa de aplicação e memória total para tabela de dados ou variáveis.

• Tipo de memória: forma de armazenamento do Programa de

Aplicação. Algumas CPUs possibilitam a escolha do tipo de memória (EPROM ou EEPROM, por exemplo) para este fim.

• Bateria de backup: indica se a CPU permite utilização de bateria (de

lítio) para manutenção da Tabela de Dados (Dados Retentivos), mesmo sem alimentação.

• Pontos de I/O total: quantidade máxima de Pontos de I/O que a CPU

pode controlar. Conforme o caso, há limites para Pontos de Entrada e Pontos de Saída separadamente. Por exemplo, uma CPU pode controlar 640 Pontos de I/O, tendo no máximo 320 Pontos de Entrada e 320 Pontos de Saída.

• Tempo de processamento ou tempo de execução: tempo necessário

para a CPU executar uma instrução booleana (contato ou bobina). Algumas CPUs podem apresentar tempo de execução para instruções booleanas relativamente alto, por serem indicadas ao processamento de operações mais complexas (operações aritméticas e trigonométricas). Pode ser expresso em 1 k de

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instruções booleanas, incluindo, ou não, tempo de overhead (processamento executado pela CPU independente do Programa de Aplicação).

• Linguagem de programação: indica a(s) Linguagem(s) de

Programação que pode ser utilizada. Apresenta o sistema operacional necessário para o Software de Programação para PC (DOS® ou Windows®, normalmente).

• Recursos de programação: indica os principais recursos disponíveis

na CPU que podem ser utilizados. Por exemplo, pode apresentar a quantidade de temporizadores e contadores, operação com números inteiros ou números reais (ponto flutuante), rotinas internas para controle PID, existência de calendário/relógio internos, proteção por meio de senha (para acesso ao programa armazenado na memória) e sistema de diagnósticos, entre outros.

• Portas de comunicação: quantidade de portas de comunicação

existentes na CPU, indicando tipo (RS-232 e/ou RS-422, por exemplo) e protocolos suportados.

Para casos em que a CPU apresenta-se como um módulo

independente, deve-se considerar também o item potência consumida da base, o qual especifica a corrente que a CPU consome da Fonte de Alimentação, por meio do barramento da Base, para poder operar. Este valor é utilizado no Cálculo de Consumo de Potência durante a configuração do PLC.

A diferenciação de nomenclatura, Circuitos de I/O ou Módulos de I/O, deve-se ao tipo de PLC. No caso de PLCs Compactos — CPU e I/O alojados em um único invólucro, usa-se Circuitos de I/O. Para PLCs Modulares — CPU e I/O disponíveis de forma independente, usa-se Módulos de I/O. A partir deste ponto, é usado o termo Módulos de I/O indistintamente.

Os Módulos de I/O fazem a comunicação entre a CPU e o meio externo

(por meio dos Dispositivos de Entrada e Saída), além de garantir isolação e proteção à CPU. De forma genérica, são divididos em Módulos de Entrada e Módulos de Saída. Para os PLCs modulares, há também os Módulos Combinados (Pontos de Entrada e de Saída no mesmo Módulo).

• Módulos de Entrada (lnput Modules): recebem os sinais dos

dispositivos de entrada, tais como: sensores, chaves e transdutores, e os convertem em níveis adequados para serem processados pela CPU.

• Módulos de Saída (Output Modules): enviam os sinais aos

dispositivos de saída, tais como: motores, atuadores e sinalizadores. Esses sinais podem ser resultantes da lógica de controle, pela execução do Programa de Aplicação, ou podem ser ‘forçados’ pelo usuário, independente da lógica de controle.

3.6 - Circuitos/Módulos de I/O

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Normalmente, os Módulos de I/O são dotados de: • Isolação Óptica para proteção da CPU, Fonte de Alimentação e

demais Módulos de I/O. Neste caso, não há conexão elétrica entre os dispositivos de entrada (chaves, sensores) ou de saída (atuadores, motores) e o barramento de comunicação da CPU.

• Indicadores de Status para auxílio durante a manutenção. Trata-se de

LEDs (Ligth Emitting Diodes - Diodos Emissores de Luz) presentes na parte frontal dos Módulos de I/O que indicam quais Pontos de Entrada estão recebendo sinal dos dispositivos externos, e quais Pontos de Saída estão sendo atuados pela CPU. Há também a possibilidade de existirem indicadores de falhas, como, por exemplo, falta de alimentação externa, bloco de terminais desconectado, ou fusível interno queimado.

• Conectores Removíveis que reduzem o tempo de manutenção e/ou

substituição dos Módulos de I/O, agilizando tais tarefas. Os Módulos de I/O são classificados como Discretos (Digitais) ou

Analógicos, existindo também os Especiais em algumas Famílias de PLCs. Tratam sinais digitais (on/off - 0/1). São utilizados em sistemas

seqüenciais e na maioria das aplicações com PLCs, mesmo como parte de sistemas contínuos.

Cada Ponto, de Entrada ou de Saída, dos Módulos Discretos

corresponde a um bit de um determinado endereço da Tabela de Dados (Tabela de Imagem das Entradas e Tabela de Imagem das Saídas), a qual é acessada durante a execução do Programa de Aplicação.

A quantidade de pontos de um módulo determina sua densidade. Para

os Módulos de Saída, quanto maior a densidade, menor a corrente que cada ponto pode fornecer.

Os Módulos Discretos de Entrada normalmente apresentam as seguintes características:

• Filtros de sinal que eliminam problemas de ‘bounces’ (pulsos

indesejados, causados durante a abertura ou fechamento de contatos mecânicos - “rebatimentos".

• Quantidade de pontos disponíveis: 8, 16, 32 ou 64. • Tipo e faixa de tensão das entradas: AC (110V ou 220V), DC (12V,

24V ou 125V), AC/DC - ‘either’ (12V, 24V, 110V), TTL ou ‘contato seco’.

3.7 - Módulos Discretos de Entrada

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• As entradas DC podem ter configuração current sinking (consumidora

de corrente - comum negativo), current sourcing (fornecedora de corrente - comum positivo) ou current sinking/sourcing (quando possuem um opto-acoplador com dois LEDs em anti-paralelo). Esta é uma característica determinante durante a configuração de um PLC, pois dependendo dos dispositivos de entrada utilizados (sensores NPN ou PNP, por exemplo), faz-se necessário optar por um ou outro tipo de entrada DC. Veja as figuras a seguir.

Além da quantidade de pontos, tipo e tensão das entradas, os seguintes itens são normalmente apresentados nas especificações técnicas dos Módulos Discretos de Entrada e devem ser considerados durante a sua configuração:

• Tensão máxima para nível O: máxima tensão permitida para que o

Módulo de Entrada reconheça como nível O (off- desligado). • Tensão mínima para nível 1: mínima tensão necessária para que o

Módulo de Entrada reconheça como nível 1 (on - ligado). • Tensão de pico: máxima tensão permitida para cada Ponto de

Entrada, normalmente com limite de tempo para permanência neste valor. • Corrente máxima em nível O: máxima corrente que a entrada

consome operando em nível 0. • Corrente mínima em nível 1: mínima corrente necessária para que a

entrada opere adequadamente em nível 1.

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• Corrente de entrada: corrente típica de operação para uma entrada

ativa (nível 1). • Impedância de entrada: resistência que cada entrada representa para

o dispositivo a ela conectado. Como esta não é linear, deve ser apresentada para algumas faixas de corrente.

• Tempo de resposta de O para 1: tempo (típico) que o módulo

necessita para reconhecer a transição de uma entrada, do nível O (off- desligado) para o nível 1 (on- ligado).

• Tempo de resposta de 1 para O: tempo (típico) que o módulo

necessita para reconhecer a transição de uma entrada, do nível 1 (on - ligado) para o nível O (off- desligado).

• Pontos comuns por módulo: quantidade de ‘pontos comuns’

disponíveis no módulo, indicando se eles são isolados ou não. Por exemplo, se o Módulo de Entrada for DC, tipo sinkinglsourcing e possuir dois pontos comuns (A e B) isolados, os Pontos de Entrada relativos ao ‘Comum A’ podem ser configurados como sinking (Comum A conectado ao negativo), e os Pontos de Entrada relativos ao ‘Comum B’ podem ser configurados como sourcing (Comum B conectado ao positivo).

• Freqüência AC: freqüência em que o módulo pode operar. Apenas

para os Módulos de Entrada AC. Não se trata de freqüência de chaveamento (atuação) da entrada.

• Potência consumida da base: especifica a corrente que o módulo

consome da Fonte de Alimentação, por meio do barramento da Base, para operar adequadamente. Este valor é utilizado no Cálculo de Consumo de Potência durante a configuração do PLC.

• Necessidade de alimentação externa: alguns módulos, além da fonte

externa para fornecimento de tensão às entradas, necessitam de alimentação externa para operar adequadamente. Na maioria dos casos, essas duas alimentações externas podem ser derivadas da mesma fonte.

Os Módulos Discretos de Saída normalmente apresentam as seguintes características:

• Quantidade de pontos disponíveis: 4, 8, 12, 16, 32 ou 64. • Tipo e faixa de tensão das saídas: AC - triac ou scr (24V, 110V ou

220V), DC -transistor bipolar ou MOS-FET (5V, 12V, 24V ou 125V) ou relê (AC e DC).

3.8 - Módulos Discretos de Saída

34

• As saídas DC podem ser tipo sinking (consumidora de corrente -

comum negativo) ou sourcing (fornecedora de corrente - comum positivo). • As saídas a relê podem ter contatos simples (um contato

normalmente aberto), ou reversíveis (um contato normalmente aberto e outro normalmente fechado).

Além da quantidade de pontos, tipo e tensão das saídas, os seguintes

itens são normalmente apresentados nas especificações técnicas dos Módulos Discretos de Saída e devem ser considerados durante a sua configuração:

• Tensão de pico: tensão máxima permitida para cada Ponto de Saída,

normalmente com limite de tempo para permanência neste valor. • Queda de tensão: também denominada “tensão de saturação", indica

a tensão medida entre um Ponto de Saída (enquanto acionado) e o comum, com carga máxima.

• Corrente máxima: máxima corrente permitida para cada Ponto de

Saída, normalmente indicada para cargas resistivas. Atenção especial deve ser dada a este item, pois na maioria dos casos são indicadas corrente máxima/ponto e corrente máxima/comum ou máxima/módulo. Por exemplo, um módulo com oito pontos de saída pode ter a seguinte indicação de corrente máxima: 1A/ponto e 5A/comum, indicando que cada ponto individualmente pode acionar uma carga de até 1A, e o somatório da corrente de todos os pontos acionados em determinado instante não deve exceder os 5A.

• Corrente de pico: máxima corrente que pode ser fornecida à carga

por um curto intervalo de tempo durante a transição de O para 1. Este valor é maior que o de corrente máxima e é característico para acionamento de circuitos indutivos.

• Corrente de fuga: máxima corrente que poderá circular pelo

dispositivo de saída com o Ponto de Saída não acionado (off - desligado).

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• Carga mínima: menor corrente que o Ponto de Saída deve fornecer à

carga para operar adequadamente. • Tempo de resposta de 0 para 1: tempo (típico) que o módulo

necessita para realizar a transição de uma saída, do nível 0 (off - desligado) para o nível 1 (on - ligado).

• Tempo de resposta de 1 para 0: tempo (típico) que o módulo

necessita para realizar a transição de uma saída, do nível 1 (on - ligado) para o nível 0 (off - desligado).

• Pontos comuns por módulo: quantidade de ‘pontos comuns’

disponíveis no módulo, indicando se eles são isolados ou não. Por exemplo, se for um Módulo de Saída a Relê e possuir dois pontos comuns (A e B) isolados, os Pontos de Saída relativos ao ‘Comum A’ podem ser configurados para operar com tensão DC, e os Pontos de Saída relativos ao ‘Comum B’ podem ser configurados para operar com tensão AC.

• Freqüência AC: freqüência em que o módulo pode operar. Apenas

para os Módulos de Saída AC e Relê. Não se trata de freqüência de chaveamento (atuação) da saída.

• Potência consumida da base: especifica a corrente que o módulo

consome da Fonte de Alimentação, por meio do barramento da Base, para operar adequadamente.

• Necessidade de alimentação externa: alguns módulos, além da fonte

externa para fornecimento de tensão às saídas, necessitam de alimentação externa para operar adequadamente.

• Fusíveis de proteção: indica a existência ou não desses elementos,

se são substituíveis e se estão localizados interna ou externamente ao módulo. Mesmo que os Módulos de Saída apresentem fusíveis de proteção, recomenda-se a utilização de proteção externa, por meio de fusíveis individuais para cada Ponto de Saída.

Outro fator importante durante a configuração dos Módulos de Saída

relaciona-se ao acionamento dos dispositivos controlados. Não é recomendada a utilização de saídas a relê para acionamentos cíclicos, mesmo de baixa freqüência, ou acionamentos rápidos, devido à fadiga mecânica que eles podem sofrer.

Porém, quando se utilizam saídas a relê para acionamento de cargas

indutivas, recomenda-se a utilização de circuito RC - snubber (AC e DC) e diodo (apenas DC) para proteção dos contatos.

36

A Fonte de Alimentação desempenha importante papel na operação do sistema de um PLC. Além de fornecer todos os níveis de tensão para alimentação da CPU e dos Módulos de I/O, funciona como um dispositivo de proteção. Garante a segurança e a integridade da tensão de alimentação para todo o sistema, por meio do monitoramento constante dos níveis de tensão e de corrente fornecidos. Se esses níveis excederem os valores máximo ou mínimo permitidos, além do tempo especificado pelo fabricante, a fonte interage diretamente com o processador, gerando uma interrupção (por meio de uma seqüência de comandos) e fazendo com que a CPU pare a execução do Programa de Aplicação.

Atualmente, as Fontes de Alimentação dos PLCs utilizam tecnologia de

chaveamento de freqüência (fontes chaveadas). Em alguns casos, a tensão de entrada não é fixa e nem selecionável pelo usuário, possuindo ajuste automático, proporcionando maior versatilidade e qualidade ao sistema. Há, também, Fontes de Alimentação com tensão de entrada DC (12V, 24Vou 125V) para aplicações específicas (automotivas, por exemplo).

As proteções externas recomendadas para a Fonte de Alimentação dos

PLCs variam conforme o fabricante, mas basicamente consistem em transformadores de isolação ou supressores de ruídos para rede, aterramento adequado e conformidade com as normas técnicas locais.

Em alguns casos, os Módulos de I/O necessitam, além das tensões fornecidas pela Fonte do PLC, de alimentação externa. A Fonte do PLC é responsável pela alimentação do circuito lógico dos Módulos de I/O, sendo que a fonte externa alimenta os circuitos de potência, ou circuitos externos - entrada ou saída (Módulos Discretos e Analógicos) ou ainda fornece um nível de tensão com maior capacidade de corrente para os Módulos Especiais.

Normalmente, as Fontes dos PLCs proporcionam saída auxiliar de

tensão em 24VDC, com limite reduzido de corrente (na faixa de 300mA a 800mA). Essa saída pode ser utilizada para alimentação dos Módulos de I/O, desde que respeitado o limite de corrente.

3.9 - Fonte de Alimentação

37

A Fonte de Alimentação tem aspectos variados, conforme o fabricante

e a Família de PLC. Pode apresentar-se em conjunto com a CPU, ou como um Módulo independente para ser conectado à Base, ou ainda ser parte integrante da própria Base.

As características normalmente apresentadas nas especificações

técnicas de uma Fonte de Alimentação e que devem ser consideradas durante a sua configuração são:

• Faixa da tensão de entrada: AC (85-132V, 170-264V, 85-264V, por

exemplo), DC (12V, 24V, 10-28V, 125V, por exemplo). Para as faixas de entrada em tensão DC observar também o ripple máximo permitido, geralmente menor que 10%.

• Seleção da faixa de entrada: automática, por jumpers, ou por

terminais de conexão. • Potência fornecida: máxima corrente fornecida ao barramento da

Base, normalmente relacionada à tensão de 5VDC, para alimentação dos Módulos de I/O e da CPU, se for o caso (CPU como módulo independente). Este valor é utilizado no Cálculo de Consumo de Potência durante a configuração do PLC.

• Saída auxiliar de 24VDC: apresenta as características (tensão,

corrente e ripple) da saída auxiliar de 24VDC. Apenas para fontes com alimentação AC.

A Base, ou Rack, é responsável pela sustentação mecânica dos elementos que compõem o PLC. Contém o barramento que faz a conexão elétrica entre eles, no qual estão presentes os sinais de dados, endereço e controle - necessários para comunicação entre a CPU e os Módulos de I/O, além dos níveis de tensão fornecidos pela Fonte de Alimentação - necessários para que a CPU e os Módulos de I/O possam operar.

Cada posição da Base, possível de receber um Módulo de I/O ou a

CPU - quando esta se apresentar como módulo independente, é denominada de slot (ranhura, abertura), e cada slot da Base tem uma identificação própria, conforme o fabricante. Por exemplo, a Automationdirect.com utiliza a seguinte nomenclatura para os slots da Base:

Nas Famílias em que a CPU apresenta-se como um módulo

independente (Famílias DL205 e DL305), o primeiro slot ao lado da Fonte de Alimentação, denomina-se slot da CPU, não podendo ser ocupado por Módulos de I/O. Em casos específicos de Controle Baseado em PC, pode ser ocupado por Módulos Especiais de Comunicação (Módulo para Comunicação Ethernet, por exemplo). O primeiro slot ao lado da CPU denomina-se slot 0, o seguinte slot 1, e assim sucessivamente, conforme apresenta a figura a seguir.

3.10 - Base ou Rack

38

Alguns Módulos de I/O ou Especiais podem ter restrições quanto ao posicionamento nos slots da Base. Porém, de forma geral, os Módulos Discretos e Analógicos podem ser posicionados livremente pelo usuário. As possíveis restrições de posicionamento são indicadas nos respectivos manuais técnicos.

Na maioria dos casos, uma mesma Família de PLC possui Bases com diferentes quantidades de slots, com o objetivo de atender às necessidades específicas de cada

Embora existam algumas divergências entre autores e fabricantes quanto aos critérios de classificação, os PLCs podem ser divididos em grupos específicos de acordo com a estrutura que apresentem (especificamente relacionada à quantidade de Pontos de I/O que a CPU pode controlar e a quantidade de memória de programação disponível):

• Micros PLCs (até 64 Pontos de I/O e até 2Kwords de memória) • Pequenos PLCs (de 64 a 512 Pontos de I/O e até 4Kwords de

memória) • PLCs Médios (de 256 a 2048 Pontos de I/O e dezenas de Kwords de

memória) • PLCs Grandes (acima de 2048 Pontos de I/O e centenas de Kwords

de memória) Em 1997, PLCs com até 14 Pontos de I/O e tamanho muito reduzido

foram lançados no mercado, tendo sido denominados pelos fabricantes de Nanos PLCs.

Entre os Micros e Pequenos PLCs, ainda é possível encontrar outra

divisão: • PLCs Compactos: que têm quantidade fixa de Pontos de I/O.

3.11 - Classificação dos PLCs

39

• PLCs Modulares: que permitem a configuração, por parte do usuário,

da quantidade e combinação dos Pontos de I/O. Em alguns PLCs Compactos, é possível a adição de Pontos de I/O por

meio de ‘blocos’ de expansão, com limite determinado pelo fabricante, porém apresentam poucas opções de configuração (quantidade e tipo dos Pontos de I/O para cada bloco de expansão).

40

O Scan, que é o tempo de execução de um ciclo do PLC em modo de execução, pode ser descrito resumidamente pelo fluxograma apresentado na figura a seguir. Estes segmentos estão presentes em todos os PLCs disponíveis no mercado e definem o tratamento da informação durante a execução do Programa de Aplicação.

A seguir, são descritos com mais detalhes os principais segmentos do fluxograma do sistema de operação do PLC.

A CPU realiza a leitura de todos os pontos de entrada e armazena-os na tabela de imagem das entradas. Cada ponto de entrada corresponde a uma posição de memória específica (um bit de uma determinada word).

A tabela de imagem das entradas é acessada pela CPU durante a

execução do programa de aplicação. Após a execução deste segmento em um determinado scan, a Leitura

das entradas será realizada apenas no scan seguinte, ou seja, se o status (condição) de um determinado ponto de entrada mudar após a leitura das entradas, ele só terá influência na execução do programa de aplicação no scan

4 - PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO DO CLP

4.1 - Ciclo de Execução do PLC

4.2 - Atualização das Entradas - Leitura das Entradas

41

seguinte, quando será percebida tal alteração.

Se uma determinada aplicação não puder ‘esperar’ este tempo

(normalmente, da ordem de milisegundos) para reconhecimento da alteração dos pontos de entrada, utilizam-se instruções imediatas para construção da lógica de controle no programa de aplicação. Essas instruções acessam diretamente os pontos de entrada no momento em que são executadas. Há também as instruções imediatas de saída que, ao serem executadas, atualizam os pontos de saída e a tabela de imagem das saídas simultaneamente. A utilização de instruções imediatas aumenta o Scan Time (tempo de varredura, ou de execução) da CPU, pois além das operações de atualização das entradas e atualização das saídas, os módulos de I/O são acessados a cada execução de uma instrução imediata.

Neste segmento, a CPU executa as instruções do Programa de aplicação, que definem a relação entre a condição das entradas e a atuação das saídas, ou seja, definem a lógica de controle a ser realizada.

A CPU inicia a execução do programa de aplicação a partir do primeiro

degrau (Lógica de controle da linguagem ladder), executando-o da esquerda para a direita, e de cima para baixo, rung a rung, até encontrar a instrução END (FIM). Constrói, assim, uma nova tabela de imagem das saídas, gerada a partir da lógica executada.

Após a execução do programa de aplicação, o conteúdo da Tabela de imagem das saídas, construída de acordo com a lógica executada, é enviado aos pontos de saída correspondentes.

Neste segmento, a CPU realiza todos os diagnósticos do sistema, além de calcular o Scan Time (Tempo de varredura), atualizar Relês Especiais correspondentes e reinicializar o Watchdog Timer (Temporizador ‘Cão-de-Guarda’).

Entre os diagnósticos realizados, os mais importantes são o cálculo do

Scan Time e o controle do Watchdog Timer. O Scan Time compreende o tempo consumido pela CPU para realizar todas as tarefas em cada scan, desde o início (atualização das entradas) até o término do ciclo (atualização das saídas). O Watchdog Timer armazena o tempo máximo permitido para execução de cada scan (normalmente definido pelo usuário). Se, em determinado scan, esse tempo for excedido (Erro Fatal), a CPU é forçada ao modo de programação e todas as saídas são desligadas. Caso contrário, o valor do Scan Time é armazenado em uma variável apropriada (para realização de estatísticas: Scan Time máximo e

4.3 - Execução do Programa de Aplicação

4.4 - Atualização das Saídas - Escrita das Saídas

4.5 - Realização de Diagnósticos

42

mínimo, por exemplo) e juntamente com o Watchdog Timer é reinicializado, sendo controlados a cada scan.

Todos os erros diagnosticados, Fatais ou não Fatais, são indicados por

flags (bits internos à CPU, que podem ser usados no programa de aplicação), e em alguns casos por LEDs externos (normalmente localizados na parte frontal da CPU e dos Módulos de I/O). Algumas CPUs dispõem, também, de uma variável destinada ao armazenamento do código de erro ocorrido durante a execução do último scan.

Como apresentado, o scan do PLC é composto por diversos segmentos nos quais são realizadas tarefas específicas (determinadas pelo firmware). Para execução de cada segmento é consumida uma certa quantidade tempo, sendo que o somatório dos tempos determina o Scan Time (Tempo de varredura) o qual pode variar de um scan para outro.

Os fatores que têm influência direta sobre o Scan Time são: • Quantidade de módulos e pontos de entrada (‘atualização das

entradas’); • Conexão de dispositivos(s) periférico(s) (‘atendimento a serviço

periférico’); • Tamanho do programa de aplicação e tipo das instruções utilizadas

(‘execução do programa de aplicação’); • Quantidade de módulos e pontos de saída (‘atualização das saídas’). Independente da complexidade do programa de aplicação, há certos

fundamentos da programação em linguagem Ladder que são imprescindíveis para um desenvolvimento adequado, os quais são válidos genericamente a todos os PLCs.

4.6 - Considerações Relacionadas ao Scan Time

43

A primeira linguagem criada para programação de PLCs foi a Linguagem Ladder.

O fato de ser uma linguagem gráfica, baseada em símbolos semelhantes aos encontrados nos esquemas elétricos - contatos e bobinas, foi determinante para aceitação do PLC por técnicos e engenheiros acostumados com os sistemas de controle a relês. Provavelmente é ainda a mais utilizada.

Enquanto a Linguagem Ladder conquistava os Estados Unidos, a Linguagem de Lista de Instruções era amplamente difundida na Europa. Esta, por sua vez, é uma linguagem textual semelhante ao Assemble, e faz parte das linguagens básicas normalmente disponíveis em um PLC.

As Linguagens de Programação não se limitam apenas a estas duas. Atualmente, são encontrados no mercado PLCs que proporcionam programação por meio de Linguagem ‘C’ e BASIC, por exemplo. A Norma IEC 61131-3 define cinco Linguagens de Programação, entre as quais estão a Linguagem Ladder e a Linguagem de Lista de Instruções.

O nome Ladder deve-se ã representação da linguagem se parecer com uma escada (Iadder), na qual duas barras verticais paralelas são interligadas pela lógica de controle (rung), formando os degraus da escada. A figura a seguir apresenta um exemplo simples de programação em Linguagem Ladder.

Atualmente, os PLCs apresentam instruções sofisticadas. Além de

simples contatos e bobinas, dispõem de contatos para detecção de borda de subida/descida (one shot —‘disparo’), contatos de comparação, temporizadores, contadores, blocos de processamento (operações lógicas e aritméticas, manipulação de dados), controle total do fluxo de execução do programa (foops For/Next, Goto, Stop, sub-rotinas), interrupções (por hardware e por software) e blocos para manipulação de mensagens (ASCII, rede), por exemplo.

É uma linguagem de baixo nível, similar à assembler. Nessa Linguagem é permitida apenas uma operação por linha, como o armazenamento

5 - Linguagens de Programação

5.1 - Linguagem_Ladder (LD - Ladder Diagram)

5.2 - Linguagem de Lista de Instruções (IL - Instruction List)

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de um valor em uma determinada variável, por exemplo. Sua utilização é viável em aplicações menores, ou para otimização de partes de uma aplicação mais complexa. A figura a seguir apresenta um exemplo simples de Programação em Linguagem de lista de Instruções.

Endereço Instrução Operando 0 STR I0 1 ANDN I1 2 OUT O0 3 END

As principais Ferramentas para Programação disponíveis atualmente para as Famílias de PLCs encontrados no mercado são o Programador Manual (Handheld Programmer) e o Software de Programação para PC. Ambas ferramentas possuem recursos para monitoramento de condições internas à CPU (diagnósticos e erros, por exemplo), verificação da execução do Programa de Aplicação e controle sobre os Modos de Operação, entre outros.

Cada fabricante, e em alguns casos cada Família de PLC, tem suas

Ferramentas de Programação próprias que não podem ser usadas para PLCs (ou CPUs) distintos.

Programador Manual (Handheld Programmer)

Esta é a ferramenta de menor custo e utilizada para pequenas alterações. Normalmente, possui um display de cristal líquido com duas linhas para apresentação das informações (endereço e dados do programa, condição dos Pontos de I/0 e diagnósticos internos, por exemplo) e um teclado de membrana para entrada dos dados.

O Programador Manual não é indicado para o desenvolvimento de

todos os programas de aplicação, pois permite edição/alteração por meio de mnemônicos (Linguagem de Lista de Instruções) apenas. Porém, é bastante útil como ferramenta de manutenção para campo (‘chão de fábrica’, proporcionando visualização, monitoramento e alteração de parâmetros e do programa de aplicação rapidamente, com a vantagem de ser portátil e resistente ao ambiente industrial. É conectado à CPU do PLC por meio de cabo apropriado, pelo qual recebe a tensão de alimentação necessária à sua operação.

Algumas famílias de Micros PLCs permitem o desenvolvimento de

programas apenas por intermédio dessa ferramenta de programação. Conforme o fabricante o backup (cópia de segurança) do programa de aplicação desenvolvido pode ser armazenado em cartões de memória tipo PCMCIA, ou em memórias tipo EEPROM, ambos instalados no próprio Programador Manual.

5.3 - Ferramentas para Programação de PLCs

45

Software de Programação

É a Ferramenta mais poderosa disponível atualmente. Conforme o

PLC, o Software de Programação opera em ambiente DOS® ou Windows®, sendo este o mais comum. Além de proporcionar edição/alteração do Programa de aplicação em ambiente gráfico (Linguagem Ladder, por exemplo) - mesmo para as versões DOS permite visualização e controle total do sistema; documentação e impressão da aplicação desenvolvida; várias formas de armazenamento de backup (disquete, HD, CD, etc.); e recursos avançados para depuração e manutenção. O PC deve atender ás configurações de hardware (processador, quantidade de memória RAM, espaço livre em HD, portas seriais) e de software (Sistema Operacional) indicadas pelo fabricante do PLC.

Conforme o Software de Programação, são disponíveis dois modos de

operação: • Offline (Sem Conexão): permite o desenvolvimento do programa de

aplicação (edição, documentação, impressão) e configuração de parâmetros sem necessidade de conexão com a CPU do PLC.

• Online (Conectado): os recursos são disponíveis a partir da conexão

com a CPU do PLC. Alguns Softwares de Programação permitem operação apenas neste modo, ou seja, todo o desenvolvimento deve ser realizado com o PC conectado ao PLC.

A comunicação entre o PC e a CPU do PLC é feita por meio de cabo

apropriado, pela porta serial (RS-232) na maioria dos casos. Porém, algumas CPUs utilizam o padrão RS-422 e necessitam de conversor RS-232/RS-422 para conexão. Há ainda aquelas que utilizam padrão próprio e necessitam de interface dedicada instalada no PC.

Os recursos e facilidades que o Software de Programação oferece

variam conforme o fabricante. Por exemplo, o Software de Programacão DirectSOFT da Automationdirecr.com opera em ambiente Windows (com versões para 16 e 32 bits), proporcionando nos modos Offline e Online poderosos recursos de edição, documentação e depuração/manutenção. Por utilizar plataforma Windows , permite a visualização de várias janelas simultaneamente, possibilitando que dois ou mais programas de aplicação sejam criados/editados ao mesmo tempo, e recursos de ‘Marcar, Recortar, Colar’ sejam utilizados entre eles. A comunicação com a CPU do PLC pode ser feita por porta serial padrão RS-232, ou por Modem, com busca e configuração automáticas em ambos os casos. Para comunicação via Modem - que permite a manutenção, alteração e atualização de aplicações a distância, são necessários dois Modems: um instalado no PC (interno ou externo) e outro instalado no PLC (externo), ambos configurados adequadamente.

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Referências Bibliográficas

MANUAL TÉCNICO ALENN BRADLEY, 1785-6.8.2

GEORGINI, Marcelo, Automação Aplicada – Descrição e Implementação de Sistemas Seqüenciais com PLCs - 5ª Edição. São Paulo: editora Erica,2000

Edições FIEMG. CLP

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APOSTILA AUTOMAÇÃO

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