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Paulo Cesar de Carvalho
INTERTRAVAMENTO - A APLICA-
ÇÃO BÁSICA DE UM CLP
m máquinas e processos in- dustriais é muito comum a necessidade de aquisitar vá- rios sinais, por exemplo si- nais de botoeiras, fins de curso, sensores, ou mesmo realizar uma ló- gica entre eles para comandar equi- pamentos tais como motores, válvu- las, inversores, etc. Esta função, que denominamos de intertravamento, é uma das principais funções realizadas pelos CLPs. Eles substituem com muitas vantagens o intertravamento realizado com relés. Poderíamos citar muitos benefícios do CLP em relação a um intertravamento a relé, mas, lem- bramos como os principais : menor tamanho,
facilidade de manutenção, programa- ção e capacidade de comunicação com sistemas que gerenciam a pro- dução. Nas figuras 1 e 2 são mostra- dos exemplos de Módulo a Relé e CLP de médio porte.
ARQUITETURA BÁSICA DE UM CLP
Sob o ponto de vista funcional, podemos considerar as seguintes fun- ções que são executadas por um CLP:
Aquisição e comando
Esta função é realizada ciclica- mente pelos módulos
de Entrada e Saída que podem ser di- gitais ou analógicos. O tempo entre cada atualização dos pontos de E/S é chamado ciclo de varredura. Os módulos de Entrada aquisitam os sinais do campo e os módulos de Saída rea- lizam acionamentos em campo a cada ciclo de varredura. O ciclo de varredu- ra varia de 5 ms a 600 ms, dependen- do da rapidez da CPU e do tamanho do programa aplicativo, sendo o tem- po de ciclo típico de um CLP da ordem de 100 ms. O total de pontos de E/S (Entrada Digitais (ED), Entradas Analógicas (EA), Saídas Digitais (SD) e Saídas Analógicas (SA) é fator pre- ponderante para determinar o tipo de CLP a ser utilizado de modo a garantir a performance esperada do sistema. Numa divisão simples, podemos con- siderar como de pequeno porte um CLP de até 64 E/S, de médio porte até 500 E/S e de grande porte acima deste número.
No número anterior da revista Mecatrônica Atual, abordamos
os módulos de Entrada e Saída dos CLPs. Neste artigo, vamos
tratar de mais algumas características deles. A idéia é dar sub-
sídios para o leitor especificar um CLP em aplicações práticas
na indústria.
Barramento de dados
Em pequenos CLPs o barramento de dados é feito na própria placa da CPU, pois os módulos de aquisição de dados e módulos de saída estão integrados em um só conjunto. Em CLPs maiores o barramento de dados está na placa traseira do bastidor onde a CPU e os módulos de aquisição são encaixados. Outro sistema, mais eco- nômico, utiliza um cabo plano entre os módulos de E/S e a CPU denominado “flat-cable”. A desvantagem doflat-cable é que o usuário precisa se lembrar de desconectar o cabo antes de retirar o módulo, pois, do contrário, poderá da- nificar o barramento. A maioria dos CLPs tem diagnóstico na CPU para fa- lha neste barramento. Uma função adi- cional oferecida nos CLPs de maior porte é a troca a quente dos módulos de E/S. Esta função per mite ao usuário trocar um cartão de E/S sem interromper a comunicação no barramento de dados.
Memória imagem de operandos
A memória imagem é normalmen- te uma memória do tipo RAM alimen- tada por bateria que armazena o es- tado de todos os operandos do CLP. Assim, se um operando de entrada , por exemplo um sensor conectado a uma entrada digital, ligar, este estado será alterado na memória imagem para nível lógico “1 “. Cada operando digital ocupa 1 bit na memória ima- gem e os operandos analógicos ocu- pam 16 bits. Na memória imagem tam- bém são armazenados operandos in- ternos utilizados no programa ( abor- daremos estes operandos em outro artigo voltado para a programação de CLPs ). O tamanho desta memória limita o uso de operandos internos no programa aplicativo. Por este motivo é importante saber a limitação do nú- mero de operandos internos da CPU.
Armazenamento do programa aplicativo
Ao contrário de programas de com- putador, os programas aplicativos de CLPs emlinguagem ladder, são pe- quenos, e para aplicação de cerca de
500 pontos de Entrada e Saída podem ser menores que 64 kbytes. O progra- ma aplicativo fica guardado na memó- ria de programa, que pode ser uma EPROM , RAM alimentada com bate- ria ou FLASH. O sistema de armaze- namento em memória RAM alimenta- da por bateria é muito susceptível a perda de programa, uma vez que a bateria pode perder a carga e, nesse caso, se o CLP for desligado o pro- grama é perdido. A memória RAM é utilizada somente como local provisó- rio de armazenamento do programa durante ostart-up do sistema, uma vez que sua gravação é muito rápida. A memória EPROM é bastante segura quanto a perda de programas, sendo utilizada para gravar a versão final do programa. Devido à dificuldade de gra- vação da EPROM que necessita de gravador especial e à dificuldade de
reaproveitamento , visto que é neces- sário apagar a memória com luz ultravioleta para uma nova gravação, este tipo de memória de programa dei- xou de ser empregada para esta fina- lidade. Atualmente, a memória mais utilizada é a memória FLASH, que per- mite gravar e apagar elétricamente, não perde os dados sem energia e permite até 1000 regravações , além de ter ca- pacidade bem superior chegando a ar- mazenar programas de até 1000 kbytes ou 1 Mbyte. O processo de transferir o programa aplicativo da memória RAM para a FLASH é bastante simples, basta um comando no software de programa- ção do CLP.
Processamento
O processamento do programa aplicativo do CLP é executado pela
Figura 1 – Módulo de saída digital a Relé da Série Ponto, da Altus, com 32 saídas. A borneira no módulo diminui gastos com bornes do painel elétrico.
tante amplo e trataremos em um arti- go específico.
h) Redundância A redundância de CPU é utilizada somente em sistemas de grande porte devido ao seu alto custo. A redundân- cia de CPU é aplicada em sistemas que controlam áreas muito críticas, onde o tempo de parada para a troca de uma CPU não é aceitável como, por exem- plo, em plataformas de petróleo e em alguns processos industriais.
i) Sincronismo Esta é uma função exclusiva de automação para a área elétrica e está disponível normalmente em CPUs de grande porte e dedicadas para este tipo de automação. Nesse caso, a CPU deve ter uma entrada específica para receber o sinal de GPS ( aparelho que realiza a leitura de 3 satélites (no míni- mo) e informa a hora com precisão melhor que 1 ms ). Esta função permi- te que os relógios de todas as CPUs estejam com a mesma hora com defa- sagem menor que 1 ms. Quando ocor- re uma entrada digital de falha, a CPU data e armazena a informação. Depois, através do sistema de supervisão é possível saber qual foi o evento que originou a falha. Esta é uma exigência do setor elétrico face à necessidade do Operador Nacional do Sistema ( ONS ) de saber a causa de problemas que originamblecautes, por exemplo.
EXEMPLO DE ESPECIFICAÇÃO DO CLP
Existem muitos fabricantes de CLPs no mercado e os modelos diferem bas- tante em relação às características téc- nicas. Por este motivo vamos especifi- car um CLP genérico, que iremos de- nominar de CLP-15, pois ele controla- rá a área 15, responsável pela transfe- rência de suco concentrado de uma planta genérica de fabricação de suco.
Características básicas da área 15
O sistema é formado por válvulas que direcionam o suco produzido para armazenamento em câmaras frias. O posicionamento incorreto de uma vál-
vula pode resultar em destino errado do suco ou mesmo de mistura de 2 sucos diferentes que estão sendo trans- feridos. Sendo assim, cada válvula pos- sui fins de curso para confirmar se está fechada ou aberta. A transferência é feita por bomba positiva e a pressão deve ser controlada para evitar que haja danos à tubulação. A temperatura do suco deve ser medida antes da trans- ferência, pois o suco não pode chegar “quente” na câmara fria.
Características do CLP - 15
O CLP deverá ser instalado em lo- cal com alimentação em 127 VAC +/- 10%, 60 Hz, temperatura ambiente máxima de 40 o^ C e 90% de umidade máxima sem condensação. O sistema deverá controlar 100 vál- vulas pneumáticas com acionamento individual para abrir e fechar. Cada vál-
vula possui 2 fins de curso, um para indicar válvula aberta e outro para in- dicar válvula fechada. Cada bobina da válvula solenóide , quando acionada, consome 100 mA em 24 VCC. O siste- ma possui uma bomba do tipo “positi- va” que impulsiona o suco pela tubula- ção. Esta bomba é acionada por inver- sor de freqüência. O CLP deverá vari- ar a rotação da bomba aplicando um sinal 4 a 20 mA ao inversor. O inversor já foi dimensionado para trabalhar com folga no meio da faixa de rotação. Pre- ver um sinal de comando tipo contato seco, para habilitar o inversor, e retor- no tipo contato seco, para inversor com defeito e alarme no motor. A pressão na linha deve ser no má- ximo 4 bar para evitar que a tubulação seja danificada. O CLP deverá contro- lar a rotação da bomba de forma a im- pulsionar o suco com a máxima veloci- dade possível sem que a pressão ul-
Figura 3 – CPU de um CLP de última geração. Note a miniaturização dos componentes.
trapasse o máximo de 4 bar. Note que a velocidade varia à medida que o suco está mais ou menos concentrado. Para medir a pressão na tubulação será uti- lizado um transmissor de pressão que mede de 0 a 12 bar e fornece um sinal proporcional de 4 a 20 mA. Deverá ser medida a temperatura antes da bomba para evitar que seja transferido suco quente para as câma- ras frias. O transmissor de temperatu- ra fornece saída de 4 a 20 mA para a faixa de –20 o^ a + 10 o^ C.
Especificação do CLP
A primeira coisa que precisamos fazer é contar os sinais de Entrada e Saída e separar os sinais pelo tipo e características elétricas.
a) Número de entradas digitais (ED) Válvulas : São 100 válvulas, cada uma com 2 fins de curso que são con- tatos secos = 200 pontos. Inversor : O inversor possui retor- no de 2 sinais tipo contato seco p/ o CLP, indicando falha no acionamento, sobrecorrente ou alarme no motor. Total de ED = 202 pontos conta- to seco. Como todos os acionamentos serão em 24 VCC, é interessante “mo- lhar” os contatos secos das entradas digitais com 24 VCC. Sendo assim, serão 202 pontos de entrada 24 VCC. Como os módulos de entrada são nor-
malmente múltiplos de 16 pontos, pre- cisaremos de 13 módulos e teremos 6 pontos reservas.
b) Número de saídas digitais (SD) Válvulas : São 100 válvulas, cada uma com 2 comandos de acionamento em 24 VCC= 200 pontos. Inversor : O inversor possuI 1 co- mando para habilitar o inversor que deve ser um contato seco Total de SD = 201. Para este caso é possível utilizar saída contato seco ou saída a transistor. A opção pode ser feita em termos de custo. O módulo contato seco é mais caro. Uma outra opção é colocar módulo a transistor e colocar relés de interposição para fa- cilitar manutenções futuras. Como os módulos de saída são normalmente múltiplos de 16 pontos, precisaremos de 13 módulos e teremos 7 pontos reservas.
c) Número de entradas analó- gicas (EA) Temos os seguintes sinais de en- trada analógicos : Temperatura e pressão = 2 sinais, ambos de 4 a 20 mA. Supondo a utilização de módulo com 8 pontos, um módulo será sufici- ente e a especificação do mesmo é : 1 módulo de EA 4-20 mA e resolu- ção de 12 bits e este módulo terá 6 pontos reservas.
d) Número de saídas analógicas (SA) Temos somente o sinal de varia- ção de velocidade do inversor em 4 a 20 mA. Supondo a utilização de módulo com 4 pontos, um módulo será sufi- ciente e a especificação do mesmo é : 1 módulo de EA 4-20 mA e re- solução de 12 bits com 3 pontos reserva.
e) Total de módulos de E/S Nesta aplicação o total é de 28 módulos.
f) Fonte de alimentação de E/S Para acionamento de 200 pontos de saída de 100 mA cada , teremos um fon- te de 20 A. Como os pontos não ficam todos constantemente ligados, uma fon- te de 20 A em 24 VCC é suficiente.
g) Arquitetura típica do CLP Tendo em vista que cada barra- mento de CLP abriga em média 16 mó- dulos, serão necessários 2 barramentos de módulos. A figura 4 apresenta a configuração típica deste CLP, onde: ED : Módulo de Entrada Digital 16 pontos 24 VCC EA : Módulo de Entrada Analógica de 8 pontos, 4 a 20 mA , 12 bits de resolução SD : Módulo de Saída Digital de 16 pontos contato seco ou a transis- tor 24 VCC SA : Módulo de Saída Analógica 4 pontos, 4 a 20 mA, 12 bits de resolu- ção. FS : Fonte suplementar.
Até o próximo número, onde conti- nuaremos nosso treinamento em CLPs.
Figura 4 – Arquitetura típica do CPL.
CONTATOS COM
FABRICANTES DE CLPs
Allen-Bradley - www.ab.com Altus - www.altus.com.br Festo - www.festo.com.br GEFanuc - www.gefanuc. com.br Siemens - www.siemens. com.br l
