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LICOP - Laboratório de Instrumentação e Controle de Processos

SENAI / CETEL – Centro de Eletroeletrônica “César Rodrigues”

Controladores Lógicos Programáveis

Automação é o conjunto de técnicas através das

quais se constroem sistemas ativos capazes de

atuarem com uma eficiência ótima, pelo uso de

informações recebidas do meio sobre o qual atuam.

Leitura de Informação

Processamento

Atuação no Processo

Automação




• Por que automatizar?Aumento da produtividade (produção x tempo)

Aumento da qualidade do produto

Redução dos custos em manutenção

Aumento do poder de decisão

Redução das perdas e retrabalhos

Minimização de consumo de energia e matérias-primas

Economia de mão de obra

Aumento de segurança de pessoal e da planta

Aumento da flexibilidade do sistema para modificações e

expansões

Redução de Estoque




• Histórico dos CLPs

1968 - Especificação feita pela GM que refletia o pensamento de

vários usuários de comandos a relé.




• tempos dilatados para o projeto e implementação;

• falta de flexibilidade e expansibilidade ;

• grandes tempos de parada de máquina por

dificuldades de manutenção ;

• grandes espaços físicos para a instalação dos

painéis com os elementos de controle .




Especificação Técnica GM para sistemas de

controle industriais - 1968

•simplicidade de programação e reprogramação

•facilidade de manutenção e expansão

•maior confiabilidade operacional

•dimensões reduzidas

•capacidade de envio de informações para um sistema central

•baixo custo

•capacidade de excitar diretamente cargas como válvulas

solenóides e pequenos motores




O CLP foi idealizado pela necessidade de poder se alterar umalinha de montagem sem que tenha de fazer grandesmodificações mecânicas e elétricas.

O CLP nasceu praticamente dentro da industria automobilística,especificamente na Hydronic Division da General Motors,em 1968, sob o comando do engenheiro Richard Morley eseguindo uma especificação que refletia as necessidades demuitas indústrias manufatureiras.

A idéia inicial do CLP foi de um equipamento com as seguintescaracterísticas resumidas:




• 1. Facilidade de programação;

• 2. Facilidade de manutenção com conceito plug-in;

• 3. Alta confiabilidade;

• 4. Dimensões menores que painéis de Relês, para redução de custos;

• 5. Envio de dados para processamento centralizado;

• 6. Preço competitivo;

• 7. Expansão em módulos;

• 8. Mínimo de 4000 palavras na memória.




• Podemos didaticamente dividir os CLP's

historicamente de acordo com o sistema de

programação por ele utilizado:




• 1ª Geração: Os CLP's de primeira geração se

caracterizam pela programação intimamente ligada ao

hardware do equipamento. A linguagem utilizada era

o Assembly que variava de acordo com o processador

utilizado no projeto do CLP, ou seja, para poder

programar era necessário conhecer a eletrônica do

projeto do CLP. Assim a tarefa de programação era

desenvolvida por uma equipe técnica altamente

qualificada, gravando-se o programa em

memória EPROM, sendo realizada normalmente no

laboratório junto com a construção do CLP.




• 2ª Geração: Aparecem as primeiras “Linguagens de

Programação” não tão dependentes do hardware do

equipamento, possíveis pela inclusão de um

“Programa Monitor “ no CLP, o qual converte (no

jargão técnico, “compila”), as instruções do

programa, verifica o estado das entradas, compara

com as instruções do programa do usuário e altera o

estados das saídas. Os Terminais de Programação (ou

maletas, como eram conhecidas) eram na verdade

Programadores de Memória EPROM. As memórias

depois de programadas eram colocadas no CLP para

que o programa do usuário fosse executado.




• 3ª Geração: Os CLP's passam a ter uma

Entrada de Programação, onde um Teclado ou

Programador Portátil é conectado, podendo

alterar, apagar, gravar o programa do usuário,

além de realizar testes (Debug) no

equipamento e no programa. A estrutura física

também sofre alterações sendo a tendência

para os Sistemas Modulares com Bastidores ou

Racks.




• 4ª Geração: Com a popularização e a diminuição dos

preços dos microcomputadores (normalmente clones

do IBM PC), os CLP's passaram a incluir uma entrada

para a comunicação serial. Com o auxílio dos

microcomputadores a tarefa de programação passou a

ser realizada nestes. As vantagens eram a utilização

de várias representações das linguagens, possibilidade

de simulações e testes, treinamento e ajuda por parte

do software de programação, possibilidade de

armazenamento de vários programas no micro, etc.




• 5ª Geração: Atualmente existe uma preocupação em

padronizar protocolos de comunicação para os CLP's, de

modo a proporcionar que o equipamento de um fabricante

“converse” com o equipamento outro fabricante, não só

CLP's, como Controladores de Processos, Sistemas

Supervisórios, Redes Internas de Comunicação e etc.,

proporcionando uma integração a fim de facilitar a

automação, gerenciamento e desenvolvimento de plantas

industriais mais flexíveis e normalizadas, fruto da

chamada Globalização. Existem Fundações Mundiais

para o estabelecimento de normas e protocolos de

comunicação. A grande dificuldade tem sido uma

padronização por parte dos fabricantes.




Aplicações para CLPs

• Indústria de alimentos - dosagem, mistura, embalagem,etc;

• Indústria de plástico - injeção, sopro, tratamento térmico,

etc;

• Indústria siderúrgica - injeção, forja, fornos, acabamento de

peças, controle de qualidade, pontes rolantes, etc;

• Indústria automobilística - montagem, teste, pintura,

transporte de itens etc;

• Construção civil - elevadores, sistemas de climatização,

ventilação, iluminação




CLP é um equipamento eletrônico digital, dedicado

ao controle de máquinas e/ou processos em

ambiente industrial, que recebe informações através

de módulos de entrada, realiza com elas

processamentos compostos de operações lógicas,

aritméticas, de seqüenciamento, temporização e

contagem, determinados pelo programa do usuário

armazenado em memória, e envia resultados

através de módulos de saída




Além de interagir com o sistema a ser controlado, o CLP

pode também trocar informações com um operador,

recebendo dele comandos, que poderão interferir no

controle, e enviando para ele informações que lhe

servirão para monitorar a evolução do sistema.

Para realizar controle, o CLP deverá executar os

seguintes procedimentos :




• receber informações do sistema a ser controlado;

• processar essas informações com base em um conjunto de instruções, denominado programa, previamente armazenado em memória;

• enviar informações para atuar no sistema, de forma a fazê-lo aproximar do objetivo desejado.




ESTRUTURA DO PLC

TERMINAL DE

PROGRAMAÇÃO

CPU MEMÓRIAFONTE DE

ALIMENTAÇÃO

INTERFACE

DE I/O

MÓDULO DE

ENTRADA

MÓDULO DE

SAÍDA




Fonte de alimentaçãoA fonte de alimentação é um módulo cuja função é converter a tensão

AC aplicada em sua entrada em níveis de tensão DC, necessários ao

funcionamento dos demais elementos do CLP.

Um barramento de alimentação conduz as diversas tensões de saída da

fonte de alimentação a todos os módulos que façam parte arquitetura do

CLP.

Em alguns CLPs, a bateria que preserva as informações das memórias

RAM da CPU fica acondicionada na fonte de alimentação.




Módulo CPU

O módulo CPU contém a inteligência do CLP. Ele

é composto por elementos responsáveis por

armazenar e executar os programas de

aplicação dos usuários. Local do processador.




Seletor de modo de operação

• STOP = Modo Stop; o programa não é executado.

• TERM = Execução do Programa, é possível escrita/leitura pelo PG.

• RUN = Execução do Programa, é possível somente leitura pelo PG

LEDs de Status

• SF = Erro interno da CPU; vermelho

• RUN = Modo Run; verde

• STOP = Modo Stop; amarelo

• DP = I/O Distribuído (somente CPU 215)




Cartão de Memória

Slot para cartão de memória. O cartão de memória salva o conteúdo do

programa no caso de desergenização da CPU sem a necessidade de

bateria.

Interface PPI

Nesta interface pode ser conectado o terminal de programação, equipamentos SIMATIC HMI (TDs / OPs), outra CPU, modems ou outros tipos de equipamentos.




• MEMÓRIAResponsável pelo armazenamento do programa do usuário

e dados do sistema. Existem 3 tipos básicos:

• RAM (Random Access Memory) Volátil

• EPROM (Erasable and Programmable) Não volátil,

apagável com Ultra Violeta.

• EEPROM (Electrical Erasable and Programmable)

Não volátil, apagável eletricamente.




Tipo de memória Descrição Observações

RAM

Dinâmica estática

Memória de acesso randômico Volátil

Gravada pelo usuário

ROM Memória somente para leitura não volátil, não permite apagamento,

gravada pelo fabricante

PROM Memória programável somente de

leitura

não volátil, não permite apagamento,

gravada pelo usuário

EPROM Memória programável/ apagável

somente de leitura

não volátil, apagamento por ultra

violeta, gravada pelo usuário.

EEPROM

E2PROM

FLASH-EPROM

Memória programável/ apagável

somente de leitura

não volátil, apagável eletricamente,

gravada pelo usuário




TIPOS DE MEMÓRIA (no clp)

MEMÓRIA EXECUTIVA

É formadas por memórias do tipo ROM ou PROM, foi

desenvolvida pelo fabricante do CLP não deverá ser alterada pelo

usuário.

Armazena o sistema operacional, o qual é responsável por todas as

funções e operações que podem ser executadas pelo CLP.




MEMÓRIA DO SISTEMA

É formadas por memórias do tipo RAM, pois terá seu conteúdo

alterado constantemente pelo sistema operacional.

Armazenar resultados e/ou informações intermediários, gerados

pelo sistema operacional quando necessário.




MEMÓRIA STATUS DE I/O

Memórias do tipo RAM. A CPU, após ter efetuado a leitura dos

estados de todas as entradas, armazenará essas informações na área

status das entradas.

Após o processamento dessas informações os resultados lógicos

serão armazenados na área status das saídas antes de serem

enviados para as respectivas saídas.




MEMÓRIA DE DADOS

Memórias do tipo RAM. Funções de temporização, contagem ou

aritméticas necessitam de uma área de memória para

armazenamento de dados, como: valores pré-selecionados ou

acumulados de contagem ou temporização.

Armazena dados referentes ao programa do usuário.




MEMÓRIA DO USUÁRIO

A CPU efetuará a leitura das instruções contidas nesta área a fim de

executar o programa do usuário,de acordo com os procedimentos

predeterminados pelo sistema operacional, que se encontra gravado

na memória executiva.

Armazena o programa de controle desenvolvido pelo usuário.




Processador

o processador é o “cérebro” do CLP e trabalha, tendo seu tempo

dividido entre a execução do sistema operacional e o programa

do usuário.




Módulos de entrada Os módulos de entradas digitais são aplicados para receber

informações de dispositivos cuja operação se resume em apenas dois

estados possíveis : ligado / desligado ou tem tensão (corrente) / não

tem tensão (corrente). Alguns exemplos de dispositivos mais comuns

conectados a módulos de entradas digitais :

• Contatos de chaves seletoras;

• Contatos de botões;

• Contatos auxilares de contatores e relés;

• Sensores de proximidade indutivos, capacitivos e

fotoelétricos;

• Fins-de-curso;

• Chaves de nível.




Os módulos de entradas analógicas são empregados para

receber informações na forma de tensão ou corrente que

variam dentro de um faixa de valores como 0 ~20 mA ou 0

~ 5V, por exemplo. Alguns elementos sensores e

transdutores que necessitam de módulos de entrada

analógicas são :

•termopares;

•transdutores de pressão;

•sensores potenciométricos, etc;




Assim como ocorre como os módulos de entrada, os

módulos de saída podem ser :

• digitais ou analógicos;

• tensão ou corrente;

• DC ou AC.

Módulos de saída




Barramentos internos

O barramento de entrada / saída é formado por um grupo

de condutores na forma de trilhas de uma placa de circuito

impresso ou veias de um “flat cable”, por onde fluem

sinais de dados e controle relacionados aos módulos de

entrada e saída do CLP.




IHM - Interface Homem Máquina

IHM é a denominação que se dá a todo equipamento

externo ao CLP cuja função é permitir a interação do

operador com o processador para troca de informações.

Através da IHM o operador pode monitorar condições do

sistema controlado ou nele interferir, indiretamente, através

de comandos enviados para o processador.




Algumas operações que podem ser realizadas com

IHMs:

• Monitorar uma determinada variável do processo;

• Ajustar um valor de tempo;

• Ler o número de peças produzidas em uma

determinada linha de produção;

• Atuar manualmente ligando ou desligando elementos

do sistema controlado;




“touch screen “.




Outros módulos

• posicionamento;

• funções de controle em malha fechada;

• contadores rápidos;

• distribuição de funções de entrada / saída;

• distribuição de inteligência;

• etc.




Juntando as partes




Principio de funcionamento do PLC

• O programa é colocado na memória do PLC utilizando-se do

software.

• O programa lógico é baseado na linguagem de programação

utilizada.

• O conteúdo deste programa são instruções que controlam sua

aplicação no momento em que o controlador é passado para o

modo de operação (modo run).

• Um ciclo de operação é iniciado (ciclo de scan).




Ciclo de Scan

• Tempo requerido pelo processador para scanear e ler todas as

entradas.

• Tempo requerido pelo processador para executar todas as

instruções presentes no programa, este tempo depende das

instruções utilizadas.

• Tempo requerido pelo processador pra scanear e escrever em

todas as saídas.

• Parte do ciclo de operação em que a comunicação troca dados

com outros dispositivos como o computador pessoal.

• Housekeeping é o tempo gasto com atualização de registros

internos do controlador.




Configuração Centralizada




Configuração com I/O remoto ou distribuído




Rede

de CLP’s




MEIOS FÍSICOS PARA COMUNICAÇÃO

EM REDE

• Ethernet

• FieldBus / Profibus:

• ASI (Rede de Sensores e Atuadores)

• Par trançado

• Cabo coaxial

• Fibra ótica

• Radiodifusão

• Etc.

EXEMPLOS DE REDES




Endereçamento de módulos de entrada / saída de

CLPs Os módulos de um CLP são instalados lado a lado em racks, bastidores ou

trilhos

A fonte de alimentação e o módulo de CPU possuem posições fixas,

na maioria dos casos as duas mais à esquerda, sendo as demais

ocupadas por módulos de entrada e/ou saída (E/S). Na maioria dos

CLPs, módulos de E/S digitais não possuem posição definida,

podendo ser instalados em qualquer uma que esteja livre. Esses

módulos, geralmente, acomodam quatro, oito ou dezesseis pontos

que devem ser referenciados individualmente no programa de

aplicação e para tal devem possuir um endereço único e distinto.




O endereço de cada ponto de E/S digital é formado por uma letra

que informa se o ponto é de entrada ou saída e uma seqüência

numérica que informa a posição física do ponto a ser acessado. Os

elementos que formam os endereços de pontos de E/S digitais

dependem das convenções estabelecidas pelo fabricante do CLP,

uma vez que ainda não existe nenhum tipo de padronização.

O endereço de cada ponto de E/S é obtido da seguinte forma :

•a letra E identifica um ponto de entrada e a letra S identifica um

ponto de saída;

•as letras E ou S são seguidas por um número que indica o número

do byte;

•na seqüência temos um ponto e logo a seguir um outro número

que se refere à posição do bit dentro do byte em questão.




E0.0

E1.0

E2.0

E3.0

E0.7

E1.7

E2.7

E3.7

S8.0

S8.7

S9.0

S9.7

S4.0

S5.0

S6.0

S7.0

S4.7

S5.7

S6.7

S7.7

Fonte dealimentação

CPU

Módulo de saídacom 16 bitsMódulo de saídacom 32 bitsMódulo de entradacom 32 bits

Posição0

Posição2

Posição1




PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO DE CLPS

D

CL

C




+ 24V L

D

E 1.1

E 1.0

CS 4.0CPU

Módulo de saídaMódulo de entrada

•o acionamento do botão L levará a

entrada E 1.0 a estado lógico 1;

•o acionamento do botão D levará a

entrada E 1.1 a estado lógico 0;

•o relé só será energizado quando a

saída S 4.0 for levada a estado

lógico 1.

O passo seguinte é escrevermos um programa de aplicação que

realize a mesma função da lógica implementada através do

arranjo dos elementos no diagrama elétrico de comando

original.




Existem algumas linguagens de programação de CLPs mas talvez a

mais simples e preferida no meio industrial seja a linguagem de

diagrama de contatos ou linguagem ladder, como é mais conhecida.

Na linguagem ladder, o programa de aplicação é representado

empregando-se símbolos similares àqueles utilizados em diagramas

elétricos e, por esse motivo, a sua compreensão e assimilação é

extremamente fácil por profissionais que já tenham experiência em

equipamentos e sistemas industriais.




( )

E 1.1E 1.0

S 4.0

S 4.0

A programação é feita em um ambiente de desenvolvimento de

aplicações fornecido pelo próprio fabricante do CLP.

A próxima etapa é enviar o programa para a memória da CPU do CLP

e colocá-la em modo de execução.

D

CL

C




Ao executar um programa de aplicação a CPU realiza essencialmente

três operações :

varre todas as entradas digitais, armazenando seus estados na área de

memória de sistema dedicada para imagem de entradas;

varre seqüencialmente todo o programa, executando, com os estados

imagem das entradas, as operações definidas no programa e atualiza os

estados dos bits correspondentes às saídas, na área de memória de

sistema dedicada para imagem de saídas;

copia para as saídas, os estados presentes nos respectivos bits da área de

memória relativa à imagem das mesmas.

As três operações são realizadas ciclicamente e ininterruptamente

controlando o sistema para o qual foi desenvolvida a aplicação.

Cada ciclo formado pelas três operações é denominado scan.




Além do modo de execução, alguns outros modos de operação

comuns para CPUs de CLPs são :

•inicialização;

•programação;

•inativo por falha;

•inativo por ausência de aplicação;

•ciclo a ciclo.




Além do modo de execução, alguns outros

modos de operação comuns para CPUs de

CLPs são :

• inicialização;

• programação;

• inativo por falha;

• inativo por ausência de aplicação;

• ciclo a ciclo.




SOFTWARE

• Utilização de linguagem de alto nível, permitindo grande flexibilidade de programação quando da utilização de periféricos.

• Utilização de microcomputadores compatíveis como ferramentas de programação.

• Diagnósticos e detecção de falhas na monitoração de máquinas e processos.

• Representação do programa em diagramas de contato, diagrama de blocos funcionais e lista de instrução.




Área de memória Siemens




Classificação das áreas de memórias




Byte 00 Byte 01 Byte 02 Byte 03

Word 00 Word 02

Byte 04 Byte 05 Byte 06 Byte 07

Word 04 Word 06

Double Word 00

Double Word 04




VB 0 VB 01 VB 02 VB 03

VW 00 VW 02

VB 04 VB 05 VB 06 VB 07

VW 04 VW 06

VD 00

VD 04




Tipos de Áreas

• ( I ) – Memória de entrada.

• ( Q ) – Memória de Saída

• ( V ) – Memória principal

• ( M ) – Memória auxiliar

• ( S ) – Memória de controle

• ( L ) – Memória local

• ( T ) – Área de memória para temporizador

• ( C ) – Área de memória para contador

• ( AC ) – Área de memória para acumulador

• ( HC ) – Área de memória para contador de alta velocidade




Temporizador




Interrupção: Associar um evento a uma interrupção

• Attach interrupção (anexar

uma interrupção)

• Detach interrupção (desligar

uma interrupção).




INT: constante do tamanho de um byte que se refere ao nome

da interrupção que se deseja chamar

• Retorno condicional de uma interrupção

• Habilita / desabilita interrupção

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