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Controlador Lógico Programado
(Victor Finkel)
Introdução
Até o início da década de 1960, a utilização de relés eletromecânicos era praticamente a única opção possível, em termos de controle lógico industrial, a não ser que se optasse pela utilização de alguns módulos lógicos a base de válvulas, que eram pouco confiáveis. Estes relés eram normalmente do tipo contator, para 300 ou 600 V, 10 A. Na verdade, o relé de controle industrial não é um elemento lógico ruim. Sua estrutura multipolar e seus contatos intercambiáveis fazem com que eles sejam flexíveis e econômicos, sua vida útil atinge centenas de milhares de operações e o pessoal de manutenção tem facilidade de entendê-los bem. Mas eles também apresentam desvantagens: eles são volumosos, tem a tendência de apresentar falhas intermitentes que são difíceis de localizar e, finalmente, sua vida útil é comprometida pelo fato de que eles se desgastam com o uso. Além disso, a interligação de relés em um sistema lógico completo é uma atividade lenta e trabalhosa, sendo que é difícil implementar modificações caso elas se tornem necessárias durante a fase de testes, ou mesmo mais tarde, caso as necessidades operacionais sejam modificadas. Ao longo dos anos, o uso de relés lógicos industriais não esteve restrito inteiramente aos relés tipo para controle de motores. Os relés tipo reed e os módulos lógicos tipo reed foram experimentados e postos de lado; relés encapsulados de baixa voltagem foram utilizados com algum sucesso e, mais recentemente, os fabricantes introduziram modificações nos relés tipo para controle de motores. Mas ainda hoje, o relé tipo controle de motor é o de mais larga utilização em lógica industrial por relés. Quando surgiram os primeiros módulos lógicos de estado sólido, na primeira metade da década de 1960, previu-se que eles tomariam conta rapidamente do mercado até então dominado pelos relés. Entre suas vantagens
sobre os relés, estavam sua alta confiabilidade, alta velocidade e a capacidade de executar operações complexas, e havia a esperança de se obter uma equivalência de custo no futuro. Mas os problemas se sobrepuseram às vantagens potenciais. Era preciso usar algum tipo de álgebra Booleana no projeto e a maior parte dos profissionais envolvidos com projetos de controle elétricos só tinha experiência com esquemas funcionais tipo Diagrama ladder. As primeiras unidades de estado sólido eram particularmente sensíveis a interferência e ruídos elétricos originários das próprias instalações industriais. O pessoal de manutenção não tinha experiência com componentes de estado sólido, o que tornava difícil executar reparos rápidos com a orientação dos diagramas lógicos. E, no início, os custos dos sistemas de estado sólido eram muito mais elevados que os de sistemas de relés equivalentes. Além disso, o baixo grau de confiabilidade dos dispositivos de entrada, especialmente das chaves de fim de curso, comprometia seriamente a confiabilidade global do sistema, ainda que o sistema lógico propriamente dito fosse bastante confiável. E, mais importante que tudo isso, esses sistemas de estado sólido ainda estavam presos às limitações das fiações, o que tornava difícil modificar a lógica, da mesma forma que nos sistemas de relés. Com os aperfeiçoamentos que foram surgindo, os sistemas de estado sólido com lógica fixa foram superados e, embora tenham encontrado algumas aplicações especificas (por exemplo, em sistemas complexos onde o uso de lógica de relés é difícil), afetaram pouco a posição dos relés no mercado de lógica. Mais recentemente, vários fabricantes lançaram módulos lógicos de estado sólido que usam lógica tipo Diagrama ladder, o que dá condições ao projetista de desenvolver sistemas de forma semelhante àqueles que usavam relés eletromecânicos. Foi isto, aliado a custos mais baixos e a uma maior imunidade a ruídos, graças ao uso de circuitos integrados, adequados que tornou a utilização desses sistemas mais atraentes.
= APOSTILA\CLPCURSO FinkelCLP.DOC10 JUN 98 (Substitui 31 JAN 92)
É interessante notar que o controlador lógico programável (CLP) foi, em parte, responsável por isso, na medida em que a aceitabilidade do CLP aumentou a aceitação de todos os tipos de sistemas de controle do estado sólido no ambiente industrial. Com o aperfeiçoamento dos minicomputadores, no final da década de 1960 e início da de 1970, alguns dos mais ousados projetistas de sistemas de controle começaram a testar o uso desses computadores como controladores lógicos. Embora tenha ficado claro que os computadores eram capazes de executar as funções necessárias sob condições ideais, apareceram muito problemas. Os computadores não haviam sido projetados para operar nos ambientes hostis de unidades industriais e, assim, houve a necessidade de se construir interfaces especiais de entrada/saída, já que as interfaces de controle industrial não faziam parte da linha de produtos normal dos fabricantes de computadores e, além disso, a programação (freqüentemente em linguagem de máquina) era difícil e demorada. Atualmente, embora ainda se usem computadores para controle lógico, isso geralmente ocorre em aplicações onde a lógica é pouco relevante e a manipulação de dados requer a utilização de computadores. Os problemas de controle lógico mencionados até aqui certamente ocorreram a David Emmet, a William Stone e a seus colaboradores na General Motors em l968, quando eles solicitaram aos fabricantes de instrumentos de controle que desenvolvessem um novo tipo de controlador lógico. Eles queriam um controlador lógico com as seguintes características:
- Este novo controlador deveria ser facilmente programável e reprogamável, ou seja, deveria permitir que sua seqüência de operações fosse mudada rapidamente, mesmo depois de instalada.
- (^) Deveria ser de fácil manutenção, sendo preferencialmente constituído de componentes encaixáveis (tipo plug-in).
- Deveria ter condições de funcionar em ambientes industriais com maior confiabilidade que os painéis de relés.
- Deveria ser fisicamente menor que os sistemas de relés, já que espaço é dinheiro.
- A unidade deveria ter condições de ser ligada a um sistema central de coleta de dados.
- A nova unidade deverá ter um preço que fosse competitivo com os sistemas de relés e de estado sólido que eram usados até então.
Além dos seis objetivos acima, o sistema deveria ser capaz de atender a algumas outras especificações, quais sejam:
- Aceitar todas as entradas em 115 V CA.
- Todas as saídas deveriam ser em 115 V CA com uma capacidade mínima de 2 amperes, para operar com válvulas solenóides, contatores.
- A unidade básica deveria permitir expansões com alterações mínimas no sistema como um todo.
- Cada unidade deveria ser dotada de uma memória programável com capacidade mínima de 4.000 palavras, e que pudesse ser expandida. Dessa forma, a partir da imaginação fértil de umas poucas pessoas, surgiu um novo ramo da indústria já que, a menos de algumas exceções, os requisitos acima descrevem os controladores programáveis que são comercializados atualmente. Os primeiros CLPs eram equipamentos grandes e relativamente caros, de forma que só eram considerados competitivos para aplicações que eqüivalessem a pelo menos 150 relés. Mas com melhorias de projeto e o uso de circuito integrados, pode-se atualmente usar CLPs para circuitos equivalentes a até 15 relés. O Controlador Lógico Programável típico aceita entradas de dispositivos como chaves de fim de curso, botoeiras, pressostatos, chaves de proximidade e termostatos, e suas saídas podem ir para atuadores como válvulas solenóide, contatores e lâmpadas indicadoras. As interfaces de um CLP típico são em 115 V CA, 60 Hz, enquanto que a lógica interna funciona com 5 V CC. Um programa ou conjunto de instruções representando, por exemplo, uma configuração tipo Diagrama ladder é armazenado de forma seqüencial na memória do controlador. Essas instruções sofrem então uma varredura, o que leva o controlador a executar ações tais como examinar o estado ligado ou desligado de uma determinada entrada ou saída de acordo com as instruções, energizar ou desenergizar um determinado dispositivo de saída, de acordo com as instruções, e reconhecer o início ou o fim de uma derivação em paralelo. O controlador procederá à varredura do conjunto de instruções de forma repetitiva em alta velocidade, modificando a cada vez o estado energizado ou desenergizado de cada saída com base no estado detectado das entradas e na lógica do programa de controle. O elemento mais importante e discutido de um controlador e, provavelmente, sua memória,
Além do tempo de varredura da memória, o controlador também gasta tempo para sentir uma entrada e ocasionar uma saída resultante. Alguns controladores são fornecidos com um filtro de ruídos em cada módulo de entrada, o que acarreta um retardo de 15 a 20 ms entre uma variação na entrada e seu conhecimento pelo controlador. Em alguns módulos especiais, esse retardo pode ser de apenas 1 ou 2 ms. Assim, a resposta a uma mudança lógica interna pode sofrer um retardo que varia de 1 a 10 ms. Dessa forma, o período de tempo decorrido entre uma alteração na entrada externa e seu reflexo na saída pode ser expresso como a soma do retardo da entrada, do tempo de varredura do controlador e do retardo da saída. Este período pode variar entre 5 e 37 ms para 1.000 palavras de memória. Todos os controladores programáveis são construídos com saídas e entradas isoladas, para impedir a entrada de ruídos elétricos externos. Os fornecedores oferecem uma ampla gama de opções de entrada e saída, que aceitam diversos níveis de tensão CA ou CC. A capacidade de entradas e saídas varia enormemente com os diversos modelos de controladores programáveis, desde 32 entradas e saídas em qualquer combinação até 5 000 entradas e 5 000 saídas. Já que todos são modulares, é possível especificar o número desejado de entradas e saídas. A modularidade básica varia desde 1 entrada ou saída por módulo até 8 entradas e saídas ou mais. Há ainda módulos de entrada/saída de alta densidade para 16 ou 32 E/S. A capacidade básica de E/S de um controlador pode ser expandida através de entradas/saídas adicionais. Existe também a possibilidade de se incluir módulos opcionais de entrada e saída para desempenharem funções especiais, tais como sinais analógicos, contadores alta velocidade, controle PID. No Diagrama ladder normal, as cargas externas que serão energizadas ou desenergizadas por apenas algumas das bobinas. As saídas são comandadas apenas pela lógica interna. É por este motivo que, em muitos controladores, existem saídas internas que se limitam a mudar o estado de uma posição de memória em vez de fazer uma conexão externa, como aconteceria no caso de cargas externas. Além da isolação e dos filtros que impedem a entrada de interferências no sistema, os CLPs são construídos para suportar flutuações da tensão de alimentação, campos elétricos espúrios e outros tipos de interferência. OS CLPs
geralmente não precisam de refrigeração externa e são montados em gabinetes tipo NEMA 4. Até mesmo os primeiros controladores programáveis podiam executar outras funções além das funções simples discutidas até aqui como, por exemplo, as funções de contador, temporizador, deslocamento de registros operacionais, e retenção de estado. à medida que o CLP evoluiu e suas aplicações se diversificaram, tornou-se obvio que seria aconselhável aumentar suas capacidades. Entre as novas funções, estão incluídas as seguintes: computação aritmética, E/S analógicas, E/S remotas, comunicação entre unidades ou entre um CLP e um computador, além de outras funções especializadas como impressoras locais de dados de testes ou de produção. As funções de contador, temporizador e retenção são geralmente mecanizadas de dois modos distintos, dependendo do controlador. Nos modelos mais baratos, que são próprios para aplicações mais simples, essas funções são feitas através de módulos discretos dedicados conectados ao rack de E/S; nos modelos mais apurados, estas funções são feitas por software, e portanto estão incluídos na parte interna das unidades básicas. Alguns fabricantes dotaram seus controladores de capacidade computacional, para que eles possam processar números reais em controle de processos. Isto pode ser feito de dois modos: a) de forma sincronizada com o ciclo de varredura; b) de forma assíncrona e independente do ciclo de varredura; Praticamente a única vantagem da aritmética síncrona é que ela é facilmente programável através de uma maleta comum de programação. As operações são especificadas nume base degrau por degrau, como nos diagramas ladder e, às vezes, é necessário acrescentar degraus adicionais, caso o tempo de execução aritmética ultrapasse o ciclo de varredura. Isto aumenta o ciclo de varredura o que, essencialmente, significa que o restante do processo fica sem controle enquanto as computações estiverem sendo executadas. As funções de soma, subtração, multiplicação e divisão podem ser executadas normalmente, mas sua complexidade terá que ser limitada devido ao problema de timing. As operações aritméticas assíncronas, por outro lado, são realizadas de forma independente do ciclo de varredura. Isto significa que, caso seja preciso executar cálculos longos e complexos, eles serão feitos off line enquanto o
controlador central continua funcionando normalmente. Os resultados das operações aritméticas serão recolhidos pelo controlador após sua conclusão, quando necessário. A dificuldade apresentada por este método é que, freqüentemente, a programação não pode ser feita através da maleta normal de programação. A utilização cada vez maior de controladores programáveis em processos industriais, onde aparecem variáveis continuas como temperatura, pressão e vazão, criou a necessidade de dotar os controladores condições de trabalhar com entradas/saídas analógicas. Embora existam outras alternativas, isso pode ser conseguido através de módulos E/S especiais que recebem sinais de tensão e ou corrente na entrada ( por ex.: 4 a 20 mA, 10 a 50 mA, 1 a 5 V CC) e os convertem em números decimais codificados binários de três dígitos (BCD) ou, então, pegam um valor BCD interno de três dígitos para converte-lo numa tensão (ou corrente) analógica de saída. Em situações onde um controlador programável central recebe entradas e controla atuadores localizados a alguma distancia do CLP, as conexões podem ficar complexas e caras, se cada sensor e atuador tiver que ser ligado individualmente ao controlador. Com o objetivo de contornar este problema, pode-se usar racks remotos de E/S, que podem ser montados próximos aos pontos a serem controlados, e conectados ao CLP através de um cabo adequado. Além disso, às vezes é necessário se interligar dois ou mais CLPs entre si ou a computadores, caso em que se usa normalmente portas tipo RS-232C ou similares. Existem também as chamadas vias de dados (Data Highways), com as quais é possível interligar um grande número de CLPs, computadores e outros equipamentos digitais, entre os quais pode haver um fluxo de dados relativamente elevado. As vias de dados usam normalmente cabos coaxiais, podem operar em velocidades de centenas de kilobauds, e percorrer poucos quilômetros. Atualmente estão sendo feito esforços para padronizar estas vias entre os vários fabricantes. As impressoras para uso industrial surgiram da necessidade de se registrar dados de teste e produção junto aos controladores programáveis. As própria impressoras podem ser programáveis, de forma que podem registrar informações tais como as causas de falhas de processo ou de defeitos em máquinas, tempo de parada para manutenção e variáveis fora da faixa de controle.
A linguagem de programação mais popular e, sem duvida, a notação tipo Diagrama ladder, idêntica aos esquemas com simbologia americana que se utilizam em projetos de sistemas com relés. Todos os controladores tem certas regras que devem ser seguidas na elaboração do Diagrama ladder (por exemplo, a corrente não pode ter dois sentidos em um contato). Tais regras podem fazer com que o Diagrama ladder sofra algumas modificações em relação ao que seria feito para uso com relés, mas normalmente, as modificações são pequenas e não afetam o sentido do diagrama. Um problema mais serio ocorre quando o número de contatos permitidos em cada linha do programa é pequeno; para ilustrar, digamos que haja quatro contatos. Neste caso, o Diagrama ladder terá' que ser completamente refeito, com um arranjo diagramático incomum que será motivo para uma maior dificuldade para o instrumentista na hora de consertar um defeito. Alguns controladores também podem ser programados usando-se declarações em álgebra booleana ou formato de diagramas lógicos. Isto economiza o trabalho de fazer a conversão para Diagrama ladder se o projetista preferir usar técnicas de álgebra booleana para minimizar a lógica ou por outro motivo qualquer. Com os controladores programáveis, a minimização lógica perdeu a importância que tinha nos sistemas de relés, já que, nos CLP , as operações lógicas são mais baratas, consumindo apenas espaço de memória. Alguns controladores também usam linguagem de máquina (assembler) ou computadores especiais em linguagem de alto nível para lidarem com situações mais complexas (Fortran, Basic). Com a utilização sempre maior de CLPs em processos industriais e para o controle continuo de máquinas-ferramenta, existe uma tendência de se desenvolverem compiladores (freqüentemente do tipo preencher os brancos em formulários) que permitem uma programação fácil de funções continuas de controle digital direto por realimentação. O modo físico de programação de um controlador depende primeiramente do tipo de memória usado. Nos CLPs que usam EPROM 's fusíveis e na maior parte dos que usam EPROM 's apagáveis por ultravioleta, a unidade de memória a ser programada deve ser plugada em soquetes. Nos casos onde se usam memorais para ler/escrever ou ROM 's alteráveis eletricamente, a unidade de programação se interliga com o controlador.
e checksum , medição de níveis dos pulsos de tensão e verificação de sincronização dos sinais. Um dos problemas mais difíceis é a localização de defeitos intermitentes que podem se manifestar em períodos de tempo variáveis e aleatórios que podem durar até alguns dias. Alguns fabricantes recomendam a utilização do terminal de CRT em seus equipamentos para a localização de tais falhas, mas isso não é eficiente, já que implica em amarrar o uso de um equipamento caro por períodos de tempo que podem ser longos, enquanto seu uso pode ser necessário em outra unidade da fabrica. Assim sendo, a principal razão da popularidade dos CLPs é a facilidade e rapidez com que se pode programá-los, o que permite que o sistema lógico possa ser configurado no final do projeto, quando os procedimentos operacionais do processo estiverem bem definidos. Da mesma forma, é fácil modificar a programação durante a fase de testes ou mesmo alterar inteiramente o procedimento operacional a qualquer tempo, se for preciso. Nem os sistemas de relés nem os controladores lógicos de estado sólido apresentam este tipo de flexibilidade. Os CLPs são muito versáteis, encontrando grande aplicação em controle de processos por batelada, partida e parada de equipamentos sofisticados, sistemas de pesagem e, de um modo geral, em qualquer aplicação onde se necessite de uma quantidade razoável de lógica de controle combinacional e seqüencial.
Aplicações
A titulo de ilustração, talvez seja interessante mencionar que um dos maiores sistemas de controladores já instalados no mundo, usa 80 CLPs para o controle de lavagem, moagem, separação e manuseio de sólidos em uma indústria de mineração. Estima-se que cerca de 60% das aplicações de CLPs seja em controle de máquinas operatrizes e o restante no controle de processos industriais. Na medida em que o uso de CLPs se alastra, pressões de ambos os lados da interface cliente/fabricante exigem expansão na habilitação de performance dos CLPs. Assim, para processos em bateladas, tipicamente de controle lógico seqüencial, existem sempre algumas variáveis analógicas tais como nível, temperatura e outras que devem ser mantidas constantes em algumas fases, modificadas ou incrementadas/decrementadas em rampa durante outras fases. Quando se utilizava lógica fixa, estas malhas eram entregues a
controladores analógicos independentes. Com o advento dos CLPs os clientes solicitaram que estas modestas necessidades de controle de variáveis analógicas fossem incorporadas aos CLPs. Assim surgiram os algoritmos de controle PID, os módulos de entrada e saída analógicos, e mais recentemente os módulos inteligentes de controle PID, contendo seus próprios microprocessadores em configuração quase autônomos da CPU do CLP. Em outra aplicação, um ciclo de mistura para polimerização estava bastante errado. Em 20 minutos foi elaborado um programa novo, corrigido. Esta alteração levaria vários dias com lógica fixa ou lógica à relés. Os CLPs, contudo, não podem ser utilizados em algumas aplicações especificas. A mais importante dessas limitações é a incapacidade que os CLPs tem de executar operações lógicas de velocidade muito alta. Isto se deve à sua operação em varredura seqüencial em oposição à operação simultânea da lógica fixa. Como já foi mencionado anteriormente, o ciclo de varredura leva tempo (chegando a ultrapassar 100 milissegundos, em alguns casos) e, se o ciclo seqüencial de operação precisar de um tempo menor que o período de varredura de um determinado CLP, este só poderá ser usado com artifícios de programação, se disponíveis para o módulo de CLP considerado. Nesse caso, pode- se optar pela lógica fixa de estado sólido, por ser de alta velocidade, com sistema complementar ou em substituição ao CLP. Outro fator importante que deve ser lembrado é que os CLPs não são computadores de uso geral e não são feitos para funcionares como tal. A capacidade de computação dos CLPs é limitada e não deve esperar que eles possam lidar com operações matemáticas complexas como, por exemplo, a solução de algoritmos de otimização. Os CLPs tem também limitações de memória, de forma que não se deve deixar só por conta deles a aquisição e armazenagem de dados em grande escala ou a geração de base de dados. Em alguns casos, essas aplicações podem ser feitas com a utilização de um CLP em cascata com um microcomputador. Em outros casos, é melhor partir logo para um computador de controle. Outro ponto importante a ser considerado é quanto a capacidade total do sistema. Enquanto na lógica fixa-se bem projetada, uma única falha só afeta parte do sistema (algumas das entradas ou algumas saídas associadas), no CLP é possível ter falhas gerais (da CPU, módulos de comunicação, fontes) que desabilitem todo o sistema (ou partes significativas do mesmo)
simultaneamente. Quando o sistema é usado para segurança operacional ou segurança da vida humana é preciso levar este fato em conta, e eventualmente complementar o sistema com redundâncias em lógica fixa, ou com outros CLPs associados às entradas e saídas mais criticas. Será interessante observar o confronto entre controladores lógicos programáveis e controladores digitais de processo tipo multiloop baseados em microprocessadores. De um lado, o CLP com capacidade aritmética e E/S analógicas está sendo cada vez mais utilizado para controle digital de malhas e para funções lógicas e, de outro lado, o controlador digital de processo, que vem incorporando compiladores lógicos, para poder ligar com operações lógicas e controle digital direto ao mesmo tempo. Esses dois tipos de equipamento, que surgiram originalmente para aplicações totalmente distintas, podem acabar concorrendo diretamente um com o outro. É bem provável que a maior modificação a ser introduzida nos CLPs no futuro seja na forma de comercializa-los e não nos equipamentos propriamente ditos. A prática habitual tem sido a de se vender os CLPs como hardware , com um mínimo de assistência de engenharia. Se o cliente não dispuser de pessoal técnico próprio ele tem que recorrer à assistência de firmas de consultoria. Mas o número de usuários de CLPs que vem exigindo maior apoio dos fabricantes vem aumentando cada vez mais. Alguns clientes fornecerão o projeto do sistema, mas os fabricantes de CLPs devem ter condições de fornecer sistemas completos, incluindo gabinetes, centros de controle de motores (CCM) e os acessórios prontos para instalação. Alguns clientes querem que, além disso, os fabricantes de CLPs se responsabilizem também por todo o projeto de engenharia de sistemas, incluindo a configuração e programação. Assim sendo, os fabricantes que tiverem condições de fornecer serviços completos desde a analise inicial até a instalação pronta a entrar em operação deverão ser os mais bem sucedidos no mercado. As técnicas de programação e a linguagem familiar de projeto eliminam equívocos e cursos caros de treinamento de operadores. A facilidade de implementar programas e verificar o sistema através de CRT e teclado contribuiu para a melhoria e simplificação do controle de processos. É relativamente fácil usar um CLP como elemento principal de controle. Sua versatilidade parece ser, à primeira vista, a solução para o
controle de virtualmente todo tipo de aplicação que se possa imaginar. Contudo, caso não observe alguns critérios básicos de projeto, o usuário corre o risco de se perder em um labirinto de simplicidade. As questões abaixo devem ser consideradas, antes de se decidir pela adoção de um sistema baseado em CLPs para um determinado tipo de processo:
1. O processo que se vai controlar é realmente bem conhecido? (A palavra-chave aqui é definição). a) O processo é por batelada? b) O processo é continuo? c) Há necessidade de controle analógico? 2. Deve-se definir o processo a ser controlado. a) Será totalmente automático? b) Será semi-automático? 3. O hardware **de campo selecionado ou existente na unidade é compatível com controle por CLP?
- O modelo de CLP selecionado é realmente adequado para a aplicação especifica?** a) Precisa-se de uma pequena unidade para substituição de relés? b) Precisa-se de um CLP de uso genérico de pote médio? c) Precisa-se de um CLP supervisório de grande porte? d) Precisa-se de uma combinação dos tipos acima? Uma vez que essas quatro questões básicas tenham sido respondidas, tem-se uma base solida para o início de um projeto. Será analisada, em seguida, cada uma dessas questões. Usaremos a palavra Processo tanto para controle de máquinas quanto para controle de processos químicos. Os itens em comum são o CLP e os dispositivos de controle elétrico associados a ele, não importando qual seja a aplicação especifica.
Caracteristicas do CLP
Linguagens da programação
A linguagem da programação é usada para passar instruções ao CLP sobre como executar o plano de controle, e ela também permite que o usuário se comunique com o CLP através de um dispositivo de programação. Existem quatro tipos de linguagem de programação, que são as seguintes:
- Diagrama ladder conhecida também como diagrama de contatos. Esta é, sem duvida, a mais popular de todas. Ela usa símbolos de contatos NA e NF e de bobinas, relés que já são conhecidos por engenheiros, técnicos e pessoall de manutenção há muito tempo.
- Álgebra Boolena. Esta linguagem é disponível em muitos CLPs, mas não é muito popular. Este tipo de programação usa os mesmos endereços do ladder , mas o programa é escrito com comandos em álgebra booleana com E, OU e NÃO (exemplo: A = BCD + DE + GHI). A maioria do pessoal de manutenção não é familiarizado com álgebra booleana.
- Linguagem de Computador. Esta linguagem é similar à programação em linguagem de máquina, com a diferença que aqui o conjunto de instruções é muito menor que um conjunto de instruções típico de linguagem de máquina. Embora trate-se de uma linguagem eficiente que pode desempenhar muitas funções, ela é mais fácil de ser usada por engenheiros de controle. Ela usa comandos como AND, OR, STD e LDA.
- Linguagem corrente. Esta é similar a linguagem de computador de alto nível. Comandos típicos podem ser Fechar Válvula A ou Desligar Bomba B. Alguns CLPs também podem ser programados em BASIC. à medida em que os CLPs incorporam novas funções como programas matriciais, maior capacidade aritmética, uso de subrotinas, torna-se necessário utilizar linguagem de programação mais sofisticadas. É difícil tirar pleno proveito dessas vantagens quando se é obrigado a usar o formato diagrama ladder. Algumas das vantagens das linguagens de alto nível são: a) melhor utilização da memória; b) habilidade para usar funções aritméticas e analógicas, geralmente processadas em outro hardware; c) maior nível de diagnostico, para redução do MTTR (tempo médio para conserto);
d) aumenta a necessidade de treinamento do pessoal de programação, quando estes não são oriundos da área de informática;
Detecção de falhas e confiabilidade
Em um sistema de relés, a falha de um relé geralmente afeta só uma parte do sistema. A falha de um CLP pode causar a parada total de um sistema de segurança. Além disso, os relés falham de um modo conhecido, ao passo que os CLPs são imprevisíveis. Assim, é muito importante que a falha de um CLP possa ser detectada e que a seqüência apropriada de parada possa ser executada. A maioria dos fabricantes inclui sistemas de diagnostico de falha em seus CLPs, particularmente nos novos modelos à base de microprocessadores. Alguns desses métodos são os seguintes:
- Temporizador tipo cão de guarda (watch dog timer).Este dispositivo serva basicamente para verificar se o CLP está cumprindo o seu ciclo normal de varredura. Ele fica normalmente no final do programa. Se o ciclo de varredura não passar por ele, o CLP irá parar de acordo com um programa pré- determinado.
- Verificações de Paridade. Acrescentam-se bits de paridade a cada palavra e eles são verificados constantemente para ver se alguma memória falhou ou se houve algum erro no programa. As verificações de paridade não detectam erros que envolvam um número par de bits.
- Verificação de Soma. Com esta técnica, os bits correspondentes em varias palavras são somados digitalmente de coluna a coluna. Daí resulta uma palavra única que representa aquela determinada seqüência de palavras. A mudança de um bit em qualquer palavra irá alterar o resultado da soma. O CLP computa constantemente o resultado da soma e o das verificações de paridade para procurar erros. Os sistemas de verificação de soma são mais eficientes que os de simples verificação de paridade. Ainda com todos estes dispositivos de diagnostico, é possível ter problemas não detectados, especialmente o mesmo hardware. Uma alternativa típica é fazer o watch dog timer independente, com componentes discretos. Tempo Médio entre Falhas (MTBF) é um termo usado para indicar a vida útil prevista para um CLP antes que ocorra uma falha. A experiência atual mostra que um MTBF de 8000
horas é realístico. Nas indústrias de processo, a disponibilidade de sistema é ainda mais importante, e pode ser expressa por:
O Tempo Médio de Conserto (MTTR) é fortemente influenciado pela habilidade do pessoal de manutenção em localizar e consertar um defeito. O MTTR pode ser minimizado através de treinamento adequado e boas práticas de manutenção. A melhor forma de aumentar o MTBF é usar pecas da mais alta qualidade na montagem do CLP. Um segundo modo de aumentar o MTBF é com um sistema redundante. Isso pode ser feito com processadores redundantes, E/S redundantes ou com CLPs redundantes. Um sistema CLP redundante é o mais caro dos três, mas é o que proporciona o maior MTBF. Atualmente tem-se dado muita ênfase a CLPs tolerantes a falhas. Os sistemas tolerantes a falhas continuam funcionando mesmo que ocorra uma falha. Um desses sistemas tem três microprocessadores idênticos. Se uma unidade falha, as outras duas continuam em funcionamento. Cada módulo do sistema executa funções criticas simultaneamente e os resultados são comparados com os resultados das outras unidades através de um sistema de votação. Em condições normais, as três saídas serão idênticas. Se uma unidade falhar, os resultados serão determinados pelas outras duas, porque elas ganharão na votação da unidade que falhou. Isto implica, naturalmente, no aumento de custo do CLP. As técnicas de tolerância à falha e redundância são usadas quando:
- A disponibilidade do sistema é critica;
- (^) Não se pode aceitar comandos errados;
- É necessário garantir a continuidade da operação;
- O sistema é instalado em local remoto, de manutenção problemática;
- Do funcionamento do sistema depende a vida humana; Ter CLPs redundantes pode ser inútil, a menos que eles possuam excelentes diagnósticos de falhas. Cada sistema deve no mínimo:
- Detectar e alarmar falhas de hardware, desligando ordeiramente o sistema;
- Detectar e alarmar falhas não criticas para permitir intervenção da operação ou manutenção;
- Manter comunicação confiável com as E/S e alarmar as falhas de E/S de comunicações.
Equipamentos auxiliares
Os sistemas de CLPs podem dispor de uma ampla variedade de equipamentos auxiliares. Alguns deles são os seguintes:
- Dispositivos de Programação. Os dispositivos de programação vão desde os microprogramadores de bolso, até os terminais de CRT. Os terminais de CRT são muito úteis em manutenção, especialmente nos modelos que permitem a monitoração on line de diversas linhas da lógica. Os terminais de CRT podem ser usados como interface para o operador como anunciador, para troca de informações.
- Capacidade de manuseio de dados. CLPs com esta capacidade, quando são usadas junto com uma impressora, servem para imprimir mensagens de alarme/parada e relatórios de produção.
- Gravador/Monitor. Este dispositivo permite gravar o programa em fita cassete. O recarregamento ou a troca de um programa pode ser feito bem rapidamente.
- E/S Remota. Permite que a interface de E/ S seja localizada longe do CLP propriamente dito.
- Interface para telefone. É usada geralmente para ligar um CLP a uma central de serviços.
- Interface de computador. Permite que um CLP se comunique com um computador, uma impressora, ou um monitor de vídeo.
- Telas Gráficas Coloridas. Permite mostrar na tela gráficos coloridos do processo, constituindo-se em uma interface muito útil com o operador.
- Vias de dados (data highways). Estes sistemas permitem a comunicação entre diversos CLPs diretamente, sem a necessidade de E/S discretas ou interfaces de computador.
- Controle PID. Muitos fabricantes incluem controle PID em seus CLPs para que eles possam desempenhar algumas funções de controle.
- Diagnostico de Processo. O diagnostico de processo permite a detecção de erros de processo como, por exemplo, a falha de uma chave fim de curso. Sua aplicação usual é em processos repetitivos, pois as falhas são detectadas através da comparação entre o processo corrente e um padrão conhecido. Trata-se basicamente de
CLP com dois processadores: um deles cuidará da lógica e das entradas e digitais normais, e o outro cuidará das operações que normalmente tornam o CLP mais lento, tais como aritmética, manipulação de dados e entradas e saída analógicas. Como o CLP é um dispositivo de varredura, ele pode não ser suficientemente rápido para lidar com processos de alta velocidade como, por exemplo, alguns sistemas de manuseio de sólidos. Nesses casos pode-se precisar de um CLP com capacidade de interrupção , que pare o processo de varredura e vá diretamente a um subrotina especial. Algumas vezes as entradas podem ser ligadas a diversos pontos de entrada, de modo que uma mesma entrada será lida mais de uma vez em cada ciclo de varredura. Isso dá ao CLP condições de trabalhar com entradas (por exemplo: contadores) que seriam, de outra forma, lentas demais. Esse método não pode ser utilizado em todos os CLPs; isso irá depender da forma que o CLP varre as entradas e saídas e executa a lógica propriamente dita. Apresentamos a seguir algumas formas de funcionamento da varredura dos CLPs:
- O CLP varre o programa na mesma ordem em que ele entrou na máquina. Ele verifica o estado de cada entrada e saída todas as vezes que estas aparecem no programa. Este tipo de varredura não permite que uma entrada seja ligada a diversos pontos de entrada, para que o CLP passe por aquela entrada mais de uma vez durante a varredura.
- (^) Todas as entradas e saídas são lidas antes da varredura e armazenados em uma tabela de estados de E/S. Não é possível perceber a mudança de estado de entradas e saídas durante a varredura. Quando a varredura for completada, as saídas são atualizadas com base nas entradas existentes antes da varredura. As entradas duplas serão, evidentemente, inúteis nesse caso.
- Cada linha da lógica é avaliada. Quando uma saída se modificar por causa da lógica, esta alteração se reflete imediatamente no cartão de saída. Mas essa mudança na saída não se reflete no resto do programa até o próximo ciclo de varredura. Este tipo de varredura permite que entradas duplas modifiquem imediatamente as saídas, desde que a lógica necessária esteja incluída em cada linha. 4. As entradas são atualizadas no início da varredura. As saídas são atualizadas à medida em que as instruções são executadas. Entradas duplas são inúteis, neste caso. A maioria dos processadores utiliza atualmente microprocessadores de 8-bit ou 16- bit, o que lhes dá condições de executarem algumas funções de computador. Algumas dessas funções são as seguintes:
- Movimentar grupos de dados dentro do programa;
- Operar com matrizes com E lógico e OU lógico;
- Funções matemáticas ampliadas, como o ponto aritmético flutuante;
- Subrotinas;
Dispositivos de Entrada/Saída
(E/S
Em um sistema de CLP de grande porte, o custo dos dispositivos de E/S será provavelmente bem mais elevado que o do processador básico. As interfaces de entrada convertem sinais de chaves fim de curso, chaves de processo, entradas de pulsos de alta velocidade, entradas TTL compatíveis e entradas de corrente ou tensão em sinais de nível lógico. As interfaces de saída convertem os sinais de nível lógico em sinais de nível alto, como os sinais em 24 V CC, 115 V CA ou 4 a 20 mA CC. Os módulos de saída devem ser fornecidos com fusíveis individuais preferencialmente com acesso frontal. Deve-se também dispor de indicadores de fusível queimado. É necessário que haja isolação entre a tensão usada externamente ao CLP e as tensões de nível lógico usadas internamente. Todas as entradas e saídas devem dispor de lâmpadas que indiquem quando uma entrada está ativa ou quando uma saída está ligada. Infelizmente, a maioria das lâmpadas em módulos de entrada serve apenas para indicar que existe tensão do campo aplicada ao CLP e as lâmpadas em módulos de saída geralmente indicam apenas que existe tensão sendo aplicada aos dispositivos de campo.
Tipos de E/S
Uma única aplicação pode precisar de muitos tipos de E/S. Interfaces de 120 V CA, 240 V CA ou 10-48 V CC podem ser utilizadas para botoeiras, chaves seletoras, controle de motores, solenóides e lâmpadas piloto. Interfaces de 5 V CC do tipo TTL (lógica transistor/transistor) podem ser necessárias para LEDs e
instrumentação eletrônica. Interfaces para conversão analógica/digital/analógica e digital/ analógica serão usadas no caso de instrumentação de processo (para medição ou controle de vazão, temperatura ou pressão) ou sistemas posicionadores de malha fechada (usando tacômetros analógicos ou servomotores) As interfaces entre tais dispositivos e um CLP podem ser feitas através de caixas pretas externas que condicionem os sinais de entrada e saída. Isso já foi muito comum no início da evolução dos CLPs, quando as E/S disponíveis eram digitais, de 120 V CA e 24 V CC. As interfaces de E/S são mais inteligentes atualmente. As interfaces de conversão analógica/digital e digital/analógica, contadores de alta velocidade, entrada de termopares e saídas de pulsos são apenas alguns dos muitos módulos de E/S hoje existentes. Com a utilização de uma interface de E/S adequada (por exemplo, um módulo de entrada analógico), pode-se ligar o instrumento de campo diretamente ao CLP sem a necessidade de caixas pretas externas.
Sistemas de E/S Remotas
É importante que se leve em conta a localização dos dispositivos de campo (botoeiras, chaves, solenóides) entre si e em relação ao processador central. No caso, por exemplo, em qual a sala de controle central de uma planta de processo estiver localizada longe dos dispositivos de campo, é melhor selecionar um sistema de CLP que disponha de E/S remotas, o que tornará possível a existência de racks de E/S a até 3 km de distancia da CPU. E a conexão entre os racks de E/S e a CPU pode ser feita simplesmente por um (ou dois) par(es) de fios trancados ou por um cabo de fibra óptica.
Quantidade de E/S
A definição sobre a quantidade de E/S é o número de dispositivos de campo que serão conectados ao CLP. Cada modelo de controlador programável tem suas próprias limitações com relação ao número máximo de dispositivos de entrada e saída que pode ser controlado ou monitorado. Esse número máximo é a capacidade do CLP. As capacidades dos sistemas de CLP podem variar entre 32 e 4096 E/S, subdivididas em três categorias. Os CLPs de pequeno porte se situam na faixa entre 32 e 256 E/S, os de porte médio ocupam a faixa que vai de 256 a 1024 E/S, enquanto que os CLPs de maior porte dispõem de 1024 a 4096 E/S. Para se determinar a categoria de CLP necessária a um determinado caso, basta que se proceda ao
levantamento dos dispositivos de campo que serão interfaceados e enquadrar o total resultante em uma das três categorias aqui descritas. Deve-se, em seguida, definir o número de entradas e saídas separadamente, já que alguns CLPs tem limitações quanto à mistura de entradas e saídas que podem ser interfaceadas ao mesmo tempo. No caso de sistemas remotos, deve-se levantar o número de entradas e saídas para cada locação remota, já que os racks ou módulos não podem ser subdivididos. de posse do número de entradas e saídas, é possível determinar o número de módulos de E/ S que serão necessários. Cada módulo só pode interfacear um determinado número de entradas saídas. Para determinar o número de módulos (de entrada ou saída) necessários, deve-se dividir o número de entradas ou saídas (em cada local) pelo número de pontos de E/S de cada módulo, arredondado para cima. Caso seja preciso usar de um tipo de E/S em um determinado local (por exemplo: 120 V CA e 4 V CC), então os totais de entradas e saídas deve ser tabulado para cada tipo de E/S, assim como para cada locação. Após definir o número necessário de E/S, não se deve esquecer de considerar pontos de reserva para ampliações futuras. A experiência de muitos usuários de CLP tem demonstrado que 10 a 20% de pontos reserva geralmente são suficientes para cobrir a ampliação normal dos sistemas. As interfaces de E/S são os olhos, ouvidos e voz dos circuitos eletrônicos sofisticados que formam a CPU. Para desempenhar suas funções, o CLP deve ter meios de detectar e medir quantidades físicas, tais como movimento, posição, quantidade de material. Assim, através da visão de uma máquina ou processo o CLP poderá exercer seu controle sobre esta mesma máquina ou processo, através do acionamento de válvulas, motores ou até mesmo de outros CLPs. As interfaces de E/S são fundamentais para a flexibilidade que deu tanta reputação aos CLPs. Em termos genéricos, todas as informações que os CLPs recebem do campo ou de outros sistemas externos, passam por algum tipo de interface de E/S. O grande número de aplicações de CLPs fez com que surgissem interfaces de E/S de muitos tipos. Os CLPs podem ser adaptados para uma grande quantidade de aplicações especificas pela simples modificação de seu software (programa) e com uso de interfaces especiais de E/S.
saídas. Esse tipo de módulo pode ser centenas de vezes mais rápido que o tempo de ciclo de um CLP. As interfaces inteligentes só interrompem o CPU quando é necessário indicar que a ação foi concluída ou para solicitar novos dados.
E/S remotas multiplexadas
Os CPU's modernos que são utilizados nos CLPs podem lidar com enormes quantidades de informações em sistemas de controle de grande porte. Assim, o uso de multicabos para conexão de sinais de E/S entre gabinetes é comum em muitos sistemas. Com o sistema de E/S sendo basicamente um multiplexador entre os conversores de sinais e o CPU, os fabricantes de CLP costumam tornar este elo de comunicação bem robusto, de modo a permitir a localização de dispositivos de E/S a grande distancia do CPU. Grupos de até 256 pontos de E/S podem ser locados remotamente. É possível haver distancias superiores a 11500 metros em aplicações remotas. (E/S remotas não podem ser consideradas como controle distribuído, por estarem sob o controle direto do CPU). As E/S remotas são um meio bastante econômico de reduzir os custos de fiação em sistemas de grande porte. Os racks de E/S são conectados à unidade central do CLP através de um ou dois pares de fios torcidos, de cabos coaxiais ou mais recentemente, através de cabos de fibra óptica. Esses racks de E/S remotas contem fontes de alimentação próprias e podem ser monitorados pelo CPU para a obtenção de informações de diagnostico, do mesmo modo que é feito no caso E/S locais do sistema. As E/S remotas fizeram com que os fabricantes de CLPs cuidassem de melhorar seus diagnósticos. Com as interfaces de E/S localizadas a centenas de metros do gabinete de controle principal, torna-se fundamental sobre a situação exata de cada ponto de E/S remoto, incluindo o estado do fusível de saída, fonte de alimentação. Na maioria dos CLPs com capacidade para E/S remotas, os dados de diagnostico e, interfaces remotas pode ser monitorado a partir da unidade central.
TABELA 1: LISTA DE E/S DISCRETAS
Limiar de Tensão para Atuação da Entrada Lógica com Isolação de Tensão Significado dos Indicadores de Estado Potência de Entrada Retardo Entrada/Saída
Corrente Mínima de Saída Tipo de Terminais de Campo Saídas com Fusíveis Indicador de Fusível Queimado Corrente de Fuga da Saída Queda de Tensão na Saída Diagnostico Central de Defeito de E/S/ e Estado dos Fusíveis Corrente de Saída versus Temperatura Ambiente
Vias de dados (data highways)
Existe um outro tipo de interface de E/S que permite comunicar-se com outros dispositivos inteligentes tais como carregadores de programas, impressoras, terminais de CRT, displays gráficos coloridos, ou computadores. Essas interfaces são um modo de carregar um programa ou monitorar o estado de um CLP através de sua maleta de programação ou diagnostico. Alguns CLPs dispõem de adaptadores ou interfaces para conexão permanente entre CLPs ou entre grupos de CLPs e computadores supervisórios. Isto é necessário para que o CLP possa ser usado em relés de controle distribuído. Esse elo de comunicação entre diversos CLPs e talvez um computador é conhecido como via de dados. Em grandes processos industriais, todos os CLPs de uma planta podem ser conectados a um computador supervisório através da via de dados. Dessa forma, é possível transferir-se dados entre CLPs ou entre estes e o sistema supervisório. Um computador supervisório ou mesmo um CLP de grande porte pode monitorar dados de todos os diversos processos ou máquinas de uma planta industrial para obter dados sobre controle de qualidade, informações sobre taxas de produção. Uma via de dados normalmente não passa grandes quantidades de dados em tempo real através da rede, como pode ser o caso em elos de comunicação de E/S remotas. Cada um dos CLPs em uma via de dados é mais ou menos autônomo e pode executar suas funções de controle independentemente da rede de controle distribuído. Só vai existir comunicação entre um determinado CLP e o computador supervisório caso haja necessidade de troca de informações entre eles. As vias de dados apresentam duas características importantes: implementação física de protocolos. Devido à grande quantidade de protocolos e a atual falta de padrões, o usuário de vias de dados terá que se basear em informações dos fabricantes de CLPs com
respeito e aplicações. Para se fazer isso hoje em dia, é preciso construir interfaces especiais. Muitos já caíram nessa armadilha em áreas bem mais simples como, por exemplo, ao conectarem uma impressora a um CLP. Mesmo com a norma RS-232c da EIA sendo largamente utilizada, existem opções que a norma deixa por conta do fabricante. Existem algumas normas e padrões em elaboração para as vias de dados, tais como: PROWAY-LAN, MAP e outras. As vias de dados usam cabos coaxiais e pares torcidos com blindagem. Algumas vias de dados em paralelo ( como o IEEE - 488, por exemplo) foram padronizados, mas não são adequados para aplicações de faixa larga a longas distancias. As fibras ópticas também já passaram a ser usadas como um meio de comunicação de faixa larga entre CLPs ou entre estes e computadores. O custo de instalação de fibras ópticas é ainda mais alto que o de cabos coaxiais ou pares torcidos, mas não é mais alto que barramentos paralelos especiais. A Tabela 2 mostra uma comparação entre esses métodos distintos para a implementação de vias de dados e comunicação com E/S remotas.
TABELA 2: CONSIDERAÇÕES SOBRE
COMUNICAÇÕES A LONGA DISTANCIA
Par trançado
Cabo blindado
Cabo Coaxial
Fibra Óptica Custo Atual Baixo Médi o
Alto
Custo Futuro
Baixo Médi o
Baixo
Fac.p/ manut.
Boa Médi a
Média
Fac.A Ruídos
Boa Médi a
Média
Imun.Aruíd os
Baixa Boa Excelent e Largura de Faixa
Baixa Boa Excelent e Seg.Intrinseca Baixa Baix a
Excelent e
Ao examinar as aplicações de vias de dados de CLPs, o usuário deve levar em conta suas necessidades presentes e futuras. Este cuidado será a garantia de que a configuração do CLP proporcionará as condições de expansão e a flexibilidade necessária em sistemas distribuídos de CLPs.
Facilidade de diagnostico
Um dos dispositivos de manutenção mais utilizados é a lâmpada de indicação, usualmente os LEDs. Todos os fabricantes de CLPs usam LEDs para indicação rápida do estado de funcionamento do CLP. Os LEDs são tipicamente usados nos módulos de E/S, nas fontes de alimentação e nas unidades de processamento central (UPC). Os LEDs também podem ser usados em cartões de memória, cartões de indicação de erro, maletas de programação e simuladores. Já foi dito aqui que acerca de 80% do tempo de manutenção é gasto para localizar o defeito e que apenas 20% para solucionar o problema propriamente dito. Assim, tudo que puder ser útil na localização do problema ajudará a reduzir o tempo total de parada para manutenção. As lâmpadas de indicação se constituem em um meio rápido de se localizar defeitos, a ponto de determinarem se o problema ocorreu dentro ou fora do CLP. Por causa do alto grau de confiabilidade dos CLPs, a maioria dos problemas tende a ser de origem externa. Uma rápida verificação das lâmpadas indicadoras de E/S dirão se os sinais estão saindo e entrando normalmente no CLP. Como cada ponto de E/S tem sua própria lâmpada de indicação, os defeitos externos são facilmente detectáveis. Outros tipos de problema internos ao CLP que podem ser indicador por LEDs são: Falta de alimentação CA Falta de alimentação CC Bateria descarregada Erro de paridade na memória Defeitos na CPU Falhas no programa Fusíveis queimados Defeitos na comunicação de E/S remotas Os procedimentos de manutenção dependem bastante destas indicações luminosas para localizar problemas. O terminal de programação de um controlador programável e, provavelmente, a ferramenta mais poderosa para sua manutenção. Mesmo nos menores modelos de CLP existentes no mercado, é possível se interrogar o CLP através do terminal de programação, para que se possa determinar o estado de UCP, da memória e das E/S. Nos CLPs de grande porte, geralmente se pode dispor de terminais de CRT para programação, que permitem a visualização das operações do CLP. O método mais comum de se localizar um defeito em um CLP através do terminal de programação consiste em seguir o sinal da
devem ser agrupadas, para simplificar as conexões elétricas. As interfaces de E/S de um CLP tem normalmente um terminal comum para cada grupo de entradas ou saídas, a menos que haja a necessidade de saídas isoladas, que são necessárias para ligação entre dispositivos cujos terras são diferentes. Como exemplo, para a ligação entre dois CLPs através de E/S de 110 V CA. A ligação dos dispositivos de saída é feita de modo a que sejam comutados a partir do lado de fase da linha. As saídas dos transistores para cargas de corrente continua devem ter +V cc conectado ao emissor ou ao coletor, de acordo com as especificações do fabricante do CLP. A corrente de fuga na saída dos triacs para cargas CA pode ser de 10 mA, quando eles estão supostamente desligados, de forma que uma resistência de carga em paralelo torna-se necessária para cargas de baixa potência de até 20 mA. O triac geralmente necessita de uma carga mínima para ser ligado e para permanecer assim, sendo que num caso típico a carga é de 10 kΩ; maiores detalhes devem ser obtidos de catálogos do fabricante. Deve-se instalar snubbers (RC) em paralelo aos triacs em todos os casos em que houver contato mecânico, como por exemplo, em um relé principal ligado em serie ou em paralelo com a carga. Isto elimina o transiente de tensão indutiva que poderia destruir o triac. O snubber pode ser um MOV ou um supressor RC. O MOV pode ser de 150V, 30 J, no mínimo (serie L, no.V150LA10A da GE ou equivalente; para 220V, o modelo no. V250LA15A ou equivalente). A malha RC pode ser de 100 Ω, 0,1 μF (no. 1691- N2 da Allen Bradley, ou similar); para aplicações em 220V, pode-se usar um capacitor de 0,05F 0 6 DF e um resistor de 100 F 0 5 7, 0,5 W. Sob outras circunstancias que não as acima descritas, os snubbers não são necessários, chegando mesmo a serem considerados prejudiciais por alguns fabricantes e usuários. A alimentação de um CLP e as saídas em CA devem ter proteção contra um fenômeno conhecido como transitório de desligamento ( outrush ). Os transitórios de desligamento ocorrem quando os triacs são desligados através da chave geral; nesse caso, toda a energia armazenada nas cargas indutivas procura se dissipar em forma de tensão e essa tensão aparece no triac já desligado. Como forma de prevenção para esse tipo de problema, deve-se conectar um capacitor em paralelo na saída da chave geral que alimenta as cargas. Os danos causados pelos transitórios de desligamento
geralmente dão a impressão de terem ocorrido quando o CLP estava ligado, de modo que os usuários muitas vezes não se dão conta do que ocorreu. Os transitórios de desligamento ocorrem porque a corrente das cargas indutivas pode ser cortada durante um pico de tensão; se a corrente transitória de ligação (inrush) típica dor de 5A e houverem 20 cargas indutivas, o transitório de desligamento será de 100A, e essa energia tem que ser dissipada de alguma forma. A alimentação fornecida a um CLP não deve ultrapassar as flutuações pelo fabricante (geralmente F 0 B 115% da tensão terminal). Se a alimentação não for confiável, deve-se usar um transformador-estabilizador adequado. A localização e correção de falhas intermitentes em CLPs pode ser uma etapa difícil. Problemas de aquecimento, por exemplo, podem ter sintomas semelhantes com problemas de ruídos, o que dificulta o diagnostico. Após certificar-se que o problema não foi causado por aquecimento localizado em pontos específicos do gabinete do CLP, existem varias possibilidades a investigar: pode ser que ruídos estejam sendo induzidos através da linha de alimentação, das entradas ou das saídas. Os ruídos ocorrem por muitas razoes, mas há poucos tratamentos preventivos realmente eficiente. Caso haja soldadores ou equipamentos de indução térmica ligados na mesma linha de alimentação do CLP, deve-se instalar filtros de RF nos transformadores de controle. Para algumas cargas mais ruidosas (com comutação indutiva por exemplo pode ser necessário usar módulos especiais com capacidade aumentada de absorção de transitórios ou dispositivos externos adicionais, tais como snubbers (RC em serie), varistores. Ruído pode ser auto-alimentado. Por exemplo, um triac com pouca carga pode ficar no limiar em que consegue ligar porem não se mantém ligado por falta de corrente. Neste caso ele oscila intermitentemente ligando e desligando necessariamente. Finalmente, separando os cabos de alimentação das linhas de entradas e saídas e usando capacitores em paralelo com cargas indutivas pode reduzir a ocorrência de problemas induzidas nas entradas pelas saídas.
Historia do CLP
O projeto de CLPs foi desenvolvido pela General Motors para substituírem os sistemas de relés e reduzir os custos de modificação/sucateamento de controles de linhas de produção devido a alteração nos modelos dos carros. 19 69
OS primeiros CLPs foram fabricados para a indústria automobilística como equivalentes eletrônicos dos controles à relés. 19 71
Os CLPs começaram a encontrar aplicações fora da indústria automobilística. 19 73
Apareceram os CLPs inteligentes com funções aritmética, controle de impressora, transferência de dados, operações matriciais e interfaces com CRT. 19 75
Introdução do controle PID analógico, o que permitiu a utilização dos CLPs com termopares e sensores de pressão. 19 76
Primeira utilização de CLPs em configurações hierárquicas, integrando sistemas de fabricação. 19 77
Diminuição do tamanho físico dos CLPs com a utilização de técnicas avançadas de microprocessadores. 19 78
Os CLPs ganharam popularidade. As vendas ultrapassaram 80 milhões de dólares. 19 79
Integração das operações industriais com o uso de sistemas de comunicação interligando CLPs. 19 80
Introdução de módulos inteligentes de E/S que proporcionam alta velocidade e controle mais preciso em aplicações envolvendo posicionamento. 19 81
Desenvolvimento dos CLPs de grande porte com funções de computador e capacidade de gerar relatórios. 19 82
CLPs de pequeno porte competitivos para substituírem relés em aplicações de 4 a 6 relés. 19 83
Difusão do uso de microcomputadores ditos de uso pessoal como maleta de programação e interface CLP/operador.
Capacidades do CLP
- Substituir sistemas lógicos de controle por relés
- Substituir temporizadores e contadores eletromecânicos
- Executar operações aritméticas
- Servir de interface entre processo e computador
- Substituir controladores analógicos
- Executar controle PID, cascata e feedforward
- Executar funções de monitoração e alarme de processo
- Executar funções de monitoração e diagnostico de defeitos
- Monitoração e controle total do sistema
- Fornecer informações de gerenciamento
Funções do CLP de Uso Geral
- Lógica
- Retenção
- Temporização
- Shift Register
- Funções Aritméticas , LOGS
- BCD/Binário
- Analógico - PID
- Manipulação de dados
- Interface com computadores
- Impressora/CRT
- Matriz
- Interface ASCII
- Controle Distribuído
- Sistema de Comunicações
E/S Típicas Disponíveis
• E/S 115 V CA & 115 V CC
• E/S 220 V CA
• E/S 24-48 V CC
• E/S 5 V CC - TTL
- E/S Analógica 1 a 5 V CC 4 a 20 mA CC
- Contador de alta velocidade
- ASCII
- Relé de laminas reed
- Proximidade
- Entradas de Termopares
- RTD
- Saídas com segurança intrinseca
- Entradas com retenção
- Codificador de posição
- Motor a passos
Instalação em ambiente industrial
- Alta temperatura: 60 o^ C
