Controladores Lógicos Programáveis parte-1

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Prof. Lázaro Anzolini 1 www.anzo.com.br

CLP – Controlador Lógico Programável

O primeiro controlador Lógico Programável nasceu na General Motors Americana em 1968, em função da dificuldade de se alterar a lógica dos circuitos em painéis de relés baseados em lógicas combinacionais. Primeira geração de controladores:

- hardware com relés montado numa back-plane (placa traseira) dotada de terminais;

- lógica feita conectando-se os terminais com cabos elétricos; - Transítores substituíram os relés - Com o surgimento dos CI’s (Circuitos Integrados), os controladores passaram

a ter mais velocidade e recursos: portas lógicas, flip-flops, contadores, etc.. - A capacidade de processamento ainda era limitada - Construção robusta para resistir ao ambiente industrial

Segunda Geração de controladores:

- Circuitos Microprocessados - Programação feita via software (EPROM*) - Linguagem utilizada: linguagem de máquina ou Assembly

* Erasable Programmable Read Only Memory (Chip de Memória programável que pode ser lido por inúmeras vezes e apagando somente por forte luz ultravioleta) Terceira Geração:

- Programação de alto nível - PC’s convencionais para programar o CLP

Nota: o termo PLC (Programmable Logic Control) também é bastante utilizado Vantagens dos CLP’s em relação aos Comandos Elétricos:

- versatilidade (programação) - ocupam pouco espaço - consomem menos energia elétrica - maior confiabilidade (a lógica de CLP não apresenta “mau contato”) - fácil manutenção (os CLP’s são modulares) - diagnose de defeitos mais simples, através de aplicativos de software que

rodam em PC’s (Personal Computers), on-line com o CLP; - possuem interface de comunicação com IHM’s (Interface Homem-Máquina) - conectividade (redes: ethernet, profibus, modbus, devicenet, etc...) - maior rapidez na elaboração de projetos; - menor custo - fácil utilização

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Variáveis de

Entrada

Variáveis de

Saída

Estrutura de um CLP: O processamento do programa é feito em tempo real, ou seja, as entradas são lidas e processadas e as saídas acionadas de forma simultânea ao processo.

sensoreschavesbotões

pressostatostermostatostermopares

tensõescorrentes

encoderes

MÓDULO

DE

ENTRADA

C P U

MÓDULO

DE

SAÍDA

Relés Contatores Solenóides

MÁQUINA

OU

PROCESSO

CONTROLADO

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DIAGRAMA DE BLOCOS DE UMA UNIDADE CENTRAL CONFIGURAÇÃO DOS CLP’s Principais Módulos:

1. Módulo CPU

2. Módulos de entradas e saídas digitais

3. Módulos de entradas e saídas analógicas

4. Módulo fonte de alimentação

5. Módulos especiais

UNIDADE CENTRAL

Memória

de

Dados

Unidade de Controle

U.L.A Unidade Lógica

e Aritmética

Módulos de Entrada

Memória

De

Programa

Módulos de Saída

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1. Módulo CPU

Pontos importantes: 1.1. Tempo de Varredura (Scan Rate)

È o tempo de execução completa do programa, que compreende a leitura das entradas, a execução da lógica programável e a atualização das saídas

O Scan Rate se torna crítico quando os programas são muito extensos ou quando as entradas são muito rápidas.

1.2. WDT (Watch Dog Timer)

o O WDT monitora,via hardware, o tempo de varredura do CLP e tem a função de aumentar a segurança do sistema; se o tempo de varredura de um programa for maior que o tempo estabelecido do WDT, a CPU será automaticamente resetada, um sinal de erro será ativado e todas as saídas serão desligadas.

o O alarme de WDT pode ser causado por uma falha de hardware ou então no programa do usuário (lógicas muito extensas, loops infinitos, etc..)

1.3. Canais de Comunicação Serial

Os canais seriais são utilizados para se conectar vários periféricos, entre eles:

o PC (Personal Computer, utilizado para transferência de programa, configuração do CLP, diagnose e backup)

o IHM (Interface Homem-Máquina, utilizada para incrementar os recursos de operação, preparação e manutenção).

o Impressoras

Padrões usuais: RS232 e RS485 (este último para se comunicar a distâncias maiores que 100m, limitado a 1000m)

Leitura das ENTRADAS

Execução da lógica

Atualização das SAÍDAS

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2. MÓDULOS DE ENTRADAS E SAÍDAS DIGITAIS

Os padrões adotados para o ambiente industrial são 24Vcc para corrente contínua e 110 ou 220Vca para corrente alternada.

Esses valores apresentam boa relação sinal/ruído para o ambiente industrial , sendo o padrão 110V ou 22V mais adequado para comandos a longas distâncias , como é o caso de usinas hidrelétricas, por exemplo, onde a distância entre sensores e módulos de entrada é grande (até 500m)

Entenda-se por entrada/saída digital como sendo aquela que pode ter dois estados possíveis: ligado ou desligado.

Se estivermos falando de comando a 24Vcc, “ligado” significa a presença de 24V na entrada correspondente do módulo de entrada ou saída, enquanto que “desligado” significa a ausência deste.

Em 110 ou 220Vca, “ligado” significa a presença da tensão alternada na entrada/saída correspondente do módulo de entrada ou saída, enquanto que “desligado” significa a ausência desta tensão.

Costuma-se atribuir à condição “ligado” o nível lógico “1” e à condição “desligado” o nível lógico “0”.

IMPORTANTE: NÃO CONFUNDIR módulos de entradas/saídas DIGITAIS em CA (Corrente Alternada) com módulos de entradas/saídas ANALÓGICOS. 2.1. MÓDULOS DE ENTRADAS DIGITAIS Convertem os níveis de tensão presentes nas entradas em sinais com níveis lógicos compatíveis com o Bus de dados do CLP

2.1.1. MÓDULOS DE ENTRADAS DIGITAIS EM CORRENTE CONTÍNUA

Esses módulos detectam a presença de 24Vcc em sua entrada; isto pode ser feito de duas formas:

o Chaveando-se o negativo (0Vcc) e adotando o positivo (+24Vcc) como comum – módulo tipo N

o Chaveando-se o positivo (+24Vcc) e adotando o negativo (0Vcc) como comum – módulo tipo P

o Toda entrada digital tem um Led indicador de status (entrada chaveada = nível lógico “1” = LED aceso)

o O acoplador óptico isola eletricamente o sinal de entrada do circuito lógico do CLP; isto é feito por dois motivos:

proteger os circuitos e componentes internos do CLP no caso de se aplicar níveis elevados de tensão na entrada, por exemplo; neste caso, a entrada correspondente será danificada

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(provavelmente o LED do acoplador óptico será danificado), mas o restante do CLP será poupado.

Aumentar a imunidade a ruídos: também conhecido como interferência, o ruído elétrico pode prejudicar o funcionamento de qualquer sistema microprocessado; o fato de separar o 0V das entradas externas do 0V lógico interno do CLP contribui para aumentar a imunidade a ruídos.

o A função dos resistores R3 e R4 e do capacitor C é formar um filtro passa-baixas, evitando que eventuais ruídos presentes na alimentação do sinal de entrada façam com que a entrada seja acionada indevidamente; é comum que este filtro seja dimensionado de forma que as entradas digitais não respondam à freqüências superiores a 1KHz, com exceção de entradas especiais (exemplo: entradas rápidas, muito ulitilizadas para leitura de encoderes, por exemplo).

2.1.1.1. MÓDULOS DE ENTRADAS DIGITAIS EM CORRENTE CONTÍNUA, TIPO N

o Os sensores de entrada devem chavear 0Vcc; se estivermos falando de

sensores de proximidade, por exemplo, estes deverão ser do tipo NPN

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2.1.1.2. MÓDULOS DE ENTRADAS DIGITAIS EM CORRENTE CONTÍNUA, TIPO P

o Os sensores de entrada devem chavear +24Vcc; se estivermos falando de sensores de proximidade, por exemplo, estes deverão ser do tipo PNP.

2.1.2. MÓDULOS DE E NTRADAS DIGITAIS EM CORRENTE ALTERNADA

o A presença de tensão alternada (entrada externa) será detectada pela porta de entrada e lida pela CPU do CLP

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2.2. MÓDULOS DE SAÍDAS DIGITAIS Têm a função de converter os sinais lógicos presente no BUS de dados do CLP em sinais capazes de acionar atuadores, como por exemplo: contatores, solenóides, lâmpadas.

Os módulos de saída podem ser do tipo cc (corrente contínua), ca (corrente alternada) ou a relé.

2.2.1. MÓDULOS DE SAÍDAS DIGITAIS EM CORRENTE CONTÍNUA

As saídas digitais em cc pode ser de dois tipos:

o Tipo N: chaveia-se o negativo (0Vcc) e adota-se o positivo (+24Vcc) como comum da carga.

o Tipo P: chaveia-se o positivo (+24Vcc) e adota-se o negativo (0Vcc) como comum da carga.

o Toda saída digital tem um LED indicador de status (saída chaveada = nível lógico “1” = LED aceso)

o O acoplador óptico isola eletricamente o sinal do circuito lógico do CLP da saída externa.

2.2.1.1. MÓDULOS DE SAÍDAS DIGITAIS EM CORRENTE CONTÍNUA TIPO N

o O comum da carga é ligado a +24Vcc, enquanto o módulo de saída chaveia 0Vcc

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2.2.1.2. MÓDULOS DE SAÍDAS DIGITAIS EM CORRENTE CONTÍNUA TIPO P

o O comum da carga é ligado a +0Vcc, enquanto o módulo de saída chaveia 24Vcc

2.2.2. MÓDULOS DE SAÍDAS DIGITAIS EM CORRENTE ALTERNADA

o O componente que chaveia a saída é um TRIAC o A função do varistor V1 é proteger a saída contra um surto de tensão o O circuito R4,C tem a função de evitar disparos indevidos

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2.2.3. MÓDULOS DE SAÍDAS DIGITAIS A RELÉ

o Esta saída pode acionar tanto cargas em cc quanto em ca o A carga é ligada em série com o contato do relé o Quando os dois pólos do contato do relé estão disponíveis ao usuário, a saída

é chamada de saída a “contato seco” o Quando várias saídas são agrupadas, apenas um dos pólos do contato do relé

está individualmente disponível ao usuário; o outro pólo de cada contato está interligado internamente ao módulo de saída, podendo o usuário decidir se vai chavear o positivo ou negativo, bastando para isso conectar o comum dos contatos à massa ou ao pólo positivo da fonte de alimentação externa.

3. MÓDULOS DE ENTRADAS E SAÍDAS ANALÓGICAS

Os módulos de entrada/saída analógicos são projetados para tratar sinais que assumem infinitos valores ao longo do tempo; como todo sistema microprocessado, o CLP trata internamente esses sinais como palavras binárias.

A interface entre o CLP e as entradas analógicas são conversores A/D (Analógico/Digital), ao passo que a interface entre o CLP e as saídas analógicas são conversores D/A (Digital/ Analógico).

A resolução dos valores tratados pelo CLP depende, portanto, do número de bits que os conversores A/D ou D/A utilizam; por exemplo, um conversor de 12 bits pode apresentar 4096 valores distintos (212 = 4096).

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Os sinais analógicos tratados por esses módulos são sinais elétricos de tensão ou corrente, sendo adotado o padrão de 0 a 10Vcc para tensão e 4 a 20mA para corrente; também é possível encontrar módulos para tratar sinais de tensão de –10Vcc a +10Vcc , ou então corrente de 0 a 20mA , por exemplo.

Para um sinal de tensão de 0 a 10Vcc tratado por um conversor de 12 bits,

teríamos:

Sinal elétrico

Valor no CLP

0 V 0000 5 V 2048 10 V 4095

Assim, para um conversor com resolução de 12 bits e um sinal elétrico

variando de 0 a 10Vcc, a sensibilidade é de 2,5mV (10V / 4095) Dessa forma é possível ler diversas grandezas físicas (inclusive elétricas)

através de transdutores, que convertem essas diversas grandezas no padrão 0 a 10Vcc ou 4 a 20mA.

Dentre essas grandezas, podemos ter: transdutores de pressão (não

confundir com o pressostato que só tem dois estados possíveis, ligado ou desligado e é lido por uma entrada digital), vazão, força, potência elétrica, corrente elétrica, rotação, velocidade, aceleração, entre outros.

Também é possível através das saídas analógicas exercer o controle sobre

sistemas como: acionamentos CA/CC, inversores de freqüência, válvulas proporcionais, entre outros.

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3.1. MÓDULOS DE ENTRADAS ANALÓGICAS

3.2. MÓDULOS DE SAÍDAS ANALÓGICAS

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MÓDULO FONTE DE ALIMENTAÇÃO

As fontes de alimentação dos CLP’s normalmente são do tipo chaveadas e fornecem as tensões de trabalho da CPU e dos módulos de entrada/saída.

Deve-se observar que a fonte do CLP não deve ser utilizada para alimentar as cargas conectadas aos módulos de saída, já que a mesma não foi dimensionada para isso; nesse caso uma fonte externa deve ser utilizada (os módulos de saída possuem bornes para ligação de uma fonte externa).

Alguns CLP’s de baixo custo possuem a fonte incorporada ao módulo CPU.

4. MÓDULOS ESPECIAIS Os CLP´s permitem acoplar diversos módulos especiais de entrada ou saída, como por exemplo:

o Módulo de entrada para medição de temperatura através da leitura do sinal elétrico fornecido por termopares (sinais da ordem de milivolts e que obedecem a uma curva característica)

o Módulo de entrada para medição de temperatura através de termoresistências, como por exemplo do tipo PT100 (apresenta 100OHM a 0ºC e também tem uma curva característica de variação da resistência em função da temperatura); os valores de variação da resistência são tão baixos, que são utilizados sistemas a 3 ou 4 fios para se compensar a resistência dos próprios cabos utilizados na interligação da termoresistência;

o Módulos de entradas rápidas, utilizadas normalmente para leitura de sinais enviados por encoderes, por exemplo; são entradas digitais tratadas especialmente por hardware e têm prioridade de leitura em relação às entradas digitais normais;

o Módulos de saída para controle de motor de passo; são saídas que têm resposta rápida, uma vez que uma saída digital normal não atenderia esse quesito;

o Módulos para medição de grandezas elétricas (tensão, corrente, potência ativa, potência reativa)

o Módulos para comunicação com rede (ethernet, profibus, ASI, MPI, etc..)

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Comandos elétricos x CLP’s

o a linha pontilhada no comando elétrico acima (à esquerda) separa os componentes de entrada/saída dos componentes utilizados para intertravamento (ou “interlock”);

o á direita temos um circuito equivalente utilizando CLP; observe que apenas os componentes de entrada (botões) e saída (contator principal K1, lâmpada sinalizadora e solenóide da válvula Y1) são representados no esquema elétrico; o intertravamento será feito pela lógica programável, também conhecida como programa CLP

o Obviamente estamos falando de entradas/saídas digitais (apenas dois estados possíveis: ligadas ou desligadas)

NOTA: O exemplo acima é apenas ilustrativo, pois é apenas parte de um circuito maior; entender seu funcionamento não é relevante, pois faltam informações como por exemplo de que K1 é um contator principal (trifásico, no caso); falta também informação sobre o contato K5 – essas informações estariam no restante do esquema elétrico -

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TEMPO DE RESPOSTA DO CLP É o tempo decorrido entre a leitura das entradas, execução do programa e atualização das saídas; cada uma dessas atividades leva um tempo para ser executada, como segue: Efeitos do Tempo de Resposta sobre a Leitura das Entradas:

Suponha três entradas (1), (2) e (3) acionadas em três instantes diferentes, conforme diagrama acima; neste caso teremos a seguinte situação:

o A entrada (1) não será lida no primeiro ciclo de varredura (Scan1), visto que quando vai a “1” (ON) a leitura das entradas já havia sido feita; esta entrada somente será lida no segundo ciclo de varredura (Scan2), pois ainda está em nível lógico 1 durante a leitura das entradas do Scan2;

o A entrada (2) só é lida no terceiro ciclo de varredura (scan3)

o A entrada 3 não é lida; para o CLP é como se não tivesse sido acionada Se montarmos uma tabela identificando com um “X” em qual ciclo de varredura cada entrada é lida, teremos o seguinte:

Entrada 1 2 3

Scan 1

Scan 2

X

Scan 3

X

Input Response Time + Program Execution Time + Output Response Time

= Total Response Time

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Para assegurar a leitura de uma entrada, recomenda-se que a mesma esteja acionada por pelo menos 1 tempo de leitura + 1 tempo de varredura: Entradas rápidas: são entradas especiais, que são lidas por rotinas executadas por interrupção da varredura normal do programa: Quando a entrada é acionada, o CLP interrompe a execução normal do programa, executa uma rotina própria para leitura de entradas rápidas e em seguida volta a executar o processo normal de varredura. Tempo de resposta da saída: Admitindo-se que a entrada não tivesse sido lida no primeiro ciclo de varredura, teríamos a saída atualizada somente no segundo ciclo; o atraso máximo é, portanto, de dois ciclos de varredura.

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