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Controladores Lógicos Programáveis PROFESSOR: LOURIVAL Página [7 tm [a lo SUMÁRIO REVISÃO DE CONCEITOS LÓGICO: 11 TEOREMAS DA ÁLGEBRA DE BOOLE 12 CIRCUITOS CONTATOS... 121 Exemplos de Circuitos a contatos. 122 Exercícios propostos......... mu INIRODUÇÃO AO CONTROLADOR PROGRAMÁVEL... COMPONENTES BÁSICOS .. CONTROLADOR PROGRAMÁVEL VERSUS PAINEL DE RELÉS. COMPUTADOR INDUSTRIAL VERSUS CONTROLADOR PROGRAMÁVEL... CPU E CICLO DE VARREDURA... PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO. : : e 2 ORGANIZAÇÃO DA MEMÓRIA Estrutura da memória... 6.2.1 6.22 Organização da memória. 6.23 Tabela de dados..... Memória da aplicação . SISTEMA DE ENTRADAS E SAÍDAS. I e. [o o 71 ENTRADAS E SAÍDAS DISCRETAS 29 Z1] Lógica positiva e Lógica negativa a .34 72 ENTRADAS E SAÍDAS DE DADOS NUMÉRICOS 40 13 MÓDULOS ESPECIAIS. 4 Módulo para termopa: Módulo PID....... mm Módulos de entradas/saidas remoto: LINGUAGEM DE PROGRAMAÇÃO BÁSIC: 81 ENDEREÇAMENTO. 82 CONTINUIDADE LÓGICA... 3 MODELO VIRTUAL DO CIP... 84 INSTRUÇÃO CONTATO NORMALMENTE ABERTO -NA 85 — INSTRUÇÃO CONTATO NORMALMENTE FECHADO - NF. INSTRUÇÃO DE ENERGIZAR BOBINA Exemplo de programação: Partida de um motor. «diteração do exemplo anterio: Proposta de Exercício... ” Exemplo de programação: Lâmpadas Segiienciais. n Implementação prática......... n INSTRUÇÃO DE ENERGIZAR BOBINA COM RETENÇÃO... INSTRUÇÃO DE DESENERGIZAR BOBINA COM RETENÇÃO. OUTROS TIPOS DE BOBINAS... DECHAVE NA E NF AO CLP INSTRUÇÃO TEMPORIZADOR. ul Exemplo de temporizador baseado em contatos de relé: 2 Bloco temporizador do controlador programável GE-FANUC 9030 .63 3 Exemplo de temporizador baseado em bloco funcional (IEC61131-3, .65 J14 Implementação de um desligamento temporizado no exemplo do motor... 06 115 Partida estrela-triangulo de motor-..... INSTRUÇÃO CONTADOR......... 12] Exemplo de instrução contador baseada em contatos de relés. Controlador Lógico Programável 2 acionada e se a temperatura estiver acima de 40 ºC, Neste caso atribuímos a uma variável M a representação do estado do Motor e escrevemos a seguinte expressão booleana: M=cHI.T onde: CHI =0 para chave aberta e CHI = 1 para chave fechada: T= 1 se temperatura acima de 40 “C e T=0 se menor 40 “C M=1 motor ligado e M = 0 motor desligado. 1.1 | TEOREMAS DA ÁLGEBRA DE BOOLE A seguir são apresentados alguns dos teoremas usuais da Álgebra de Boole que quando convenientemente utilizados facilitam a simplificação de uma expressão complicada. um Teorema 1 [oex=o 2 [rx=x 3 [xex=x 4 |xeX-0 5 Ixey=YeX 6 |XeVeZ=(XeV)eZ=Xe(YeZ) 7 8 9 XeYeZ=X+Y-Z Teorema de De Morgan F(X. Y..... Z,0,+)= (XY. XY +XZ=X(Y+2Z) 10 Exy+XY =X n |xexr=X 1 |Xx-XY=X+Y 13 [ZX + ZXY =Z2X+2Y 14 [xy +XZ=XY+KZ+ YZ 15 Ixv+xz=(x+z)x+Y) 1.2 CIRCUITOS A CONTATOS Examinaremos agora o relacionamento das expressões booleanas com circuitos a contatos. A partir das expressões booleanas podemos. através dos teoremas. simplificar os circuitos através da eliminação de redundâncias. Isto representa em termos de implementação menor custo, menos componentes, ete. PROFESSOR: LOURIVAL Controlador Lógico Programável 3 O contato aqui referenciado representa o estado de qualquer dispositivo do tipo liga/desliga utilizado em circuitos a relés. Um painel de relé, utilizado para controlar uma máquina ou um processo, pode ser visto como um conjunto de relés e um conjunto de dispositivos de entrada e saída, tais como, chaves, interruptores. válvulas. lâmpadas. contatores, etc. Por exemplo. para verificar se uma chave está ligada ou não, é preciso obter a informação de um contato do relé. ou para verificar se o motor está ligado é preciso, verificar se um contato auxiliar do contator do fechado (caso se use um contato NA - Normal Aberto). Nos circuitos eletrônicos digitais. as entradas e saídas só podem estar em dois níveis de tensão. por exemplo. O V e 5 V. Nos circuitos a contatos. utilizamos dois estados - aberto e fechado. para representar o estado do contato. O estado da bobina do relé ou do circuito a contato é denominado energizado ou desenergizado. Assim sendo, podemos relacionar uma expressão booleana (valor O e 1) ao circuito a contatos (lógica por fios) e a variável booleana ao contato ou estado de chaves, botoeiras, etc. Portanto teremos: Expressão Booleana Circuito a contatos > energizado o > desenergizado Variável Booleana Contato do reté > fechado o > aberto Contatores PROFESSOR: LOURIVAL Controlador Lógico Programável 5 3) A saída de um circuito deve ser energizada se o relé X está operado e o relé Y está inoperado. Solução: Observe que agora temos uma função E devido ao conectivo "e" na sentença de proposição do exemplo. A função E em circuitos a contatos pode ser obtida pela associação em série de contatos, como ilustrado abaixo. y | N = Circuito a contatos - 4) A saída de um circuito deve ser energizada se uma chave A for ligada e se o relé X ou o relé Y estiverem energizados. Soluçã L | A N N rd E DA L=A(X+Y) Circuito a contatos 1.22 Exercícios propostos 1) Desenhar os circuitos a contatos para realizar a lógica das seguintes expressões booleanas: a)L=AB+ACD+ DE+ ADF Controlador Lógico Programável 6 b L=(A+B) C+(C+ D+P(A+ F) 2) Simplificar os seguintes circuitos a contatos: a) A B c — A c HH — PROFESSOR: LOURIVAL Página 8 Controlador Lógico Programável 9 2 INTRODUÇÃO AO CONTROLADOR PROGRAMÁVEL O critério de projeto para o primeiro controlador programável foi especificado em 1968 por uma divisão da GENERAL MOTORS CORPORATION. O objetivo inicial era eliminar o alto custo associado com os sistemas controlados a relés. As especificações iniciais requeriam um sistema de estado sólido com a flexibilidade do computador, capaz de suportar o ambiente industrial, ser facilmente programado e reprogramado, manutenção fácil e por último facilmente expansível e utilizável. Devido ao intuito inicial de substituirem os painéis de relés no controle discreto, foram chamados de Controladores Lógicos Programáveis - CLP (Programmable Logie Controllers - PLC). Porém. atualmente, os controladores são bem mais complexos e não executam somente lógica do tipo E e OU. motivo pelo qual passaram a ser chamados apenas de Controladores Programáveis - CP. Os primeiros controladores tinham pouca capacidade de processamento e suas aplicações se limitavam à máquinas e pequenos processos que necessitavam de operações repetitivas. A partir de 1970, com o advento da tecnologia de microprocessadores, os controladores passaram ter uma grande capacidade de processamento e alta flexibilidade de programação e expansão. Entre outras características citamos: a capacidade de operar com números, realizar operações aritméticas com ponto decimal flutuante, manusear dados e se comunicar com computadores. Desta forma, os CP's atuais podem atuar tanto em controle discreto, tais como, automação da manufatura, onde as máquinas apresentam ações automáticas e discretizada no tempo, como em controle contínuo. tais como, processos químicos e siderúrgicos, com características primordialmente analógicas O sistema utilizado para programar o controlador era um dispositivo dedicado e acondicionado em um maleta portátil. chamada de maleta de programação. de forma que podia ser levada para "campo" afim de alterar dados e realizar pequenas modificações no programa. O sistema de memória do controlador não permitia facilidades de programação por utilizar memórias do tipo EPROM. Inovações no hardware e software entre 1975 e 1979 proporcionaram ao controlador maior flexibilidade e capacidade de processamento. isto significou aumento na capacidade de memória e de entradas/saídas. permitiu entradas/saídas remotas, controle analógico, controle de posicionamento, comunicações. ete. A expansão de memória permitiu um programa de aplicação maior e uma maior quantidade de dados de forma que os programas de controle não ficassem restritos à lógica e segiienciamento. mas também realizassem aquisição e manipulação de dados. Com o desenvolvimento PROFESSOR: LOURIVAL Página 10 Controlador Lógico Programável 10 do controle analógico. o controlador programável preencheu o "gap" entre controle discreto e controle contínuo. Os custos com fiação foram reduzidos significativamente com a capacidade do controlador de comunicar-se com subsistemas de entrada/saída localizados em pontos remotos. distante da unidade central de processamento e perto do equipamento a ser controlado. Ao invés de trazer centenas de fios para o armário do CP, os sinais dos subsistemas podem ser multiplexados e transmitidos por um único par de fios trançados. Esta técnica permitiu a decomposição de grandes sistemas em pequenos subsistemas melhorando a confiabilidade, manutenção e partida gradual dos subsistemas principais. Em 1979 foi desenvolvida a rede de comunicação de alta velocidade (Data Highways - no jargão dos fabricantes da época) permitindo um controle sincronizado entre vários controladores. comunicação com microcomputadores e outros sistemas situados em um nível funcional superior. Com isto foi possível combinar o desempenho do controlador programável com a capacidade de controle distribuído de alta velocidade e interface com computadores resultando em uma grande potencialidade de controle e supervisão. Atualmente, existem vários tipos de controladores, desde pequena capacidade até os mais sofisticados realizando operações que antes eram consideradas específicas para computadores. A evolução do hardware, conduziu a melhoras significativas nas características do controlador. entre outras citamos: * Redução no tempo de varredura; * Interfaces de E/S microprocessadas. Ex.: módulo PID. módulo ASCII. módulo de posicionamento: * Uma Interface Homem Máquina (IHM) mais poderosa e amigável No software também surgiram novas características, tais como: + Linguagem em blocos funcionais e estruturação de programa: * Linguagens de programação de alto nível. baseadas em BASIC: * Diagnósticos e detecção de falhas; * Operações matemáticas em ponto flutuante através de coprocessadores matemáticos. etc. PROFESSOR: LOURIVAL Página 11 Controlador Lógico Programável 12 OD Sistema de entradas/saídas: O Fonte de alimentação: a Terminal de programação. A três partes principais (processador, memória e fonte de alimentação) formam o que chamamos de CPU - Unidade Central de Processamento. O Processador lê dados de entrada de vários dispositivos. executa o programa do usuário armazenado na memória e envia dados de saída para comandar os dispositivos de controle. Este processo de leitura das entradas. execução do programa e controle das saída é feito de uma forma contínua e é chamado de ciclo de varredura. O sistema de entrada/saída forma a interface pelo qual os dispositivos de campo são conectados ao controlador. O propósito desta interface é condicionar os vários sinais recebidos ou enviados ao mundo extemo. Sinais provenientes de sensores tais como push-buttons, chaves limites, sensores analógicos. chaves seletoras e chaves tipo tambor (thumbwheel). são conectados aos terminais dos módulos de entrada. Dispositivos que devem ser controlados. como válvulas solenóides, lâmpadas pilotos e outros, sãos conectados aos terminais dos módulos de saída. A fonte de alimentação fornece todas as tensões necessárias para a devida operação do CP e da interface dos módulos de entrada e saída. Dependendo de como estas partes estão fisicamente organizadas podemos ter dois tipos de estrutura. A primeira é do tipo compacta, onde todos os componentes são colocados em uma única estrutura física, isto é. o processador, a memória. a fonte e o sistema de entrada/saída são colocados em um gabinete ficando o usuário com acesso somente aos conectores do sistema E/S. Este tipo de estrutura é normalmente empregada para CP*s de pequeno porte. A segunda estrutura apresenta um abordagem modular onde cada componente ou um conjunto deles é colocado em um módulo. Podemos ter processador e memória em um único módulo com fonte separada ou então estas três partes juntas em um único gabinete. O sistema de entrada/saída é decomposto em módulos de acordo com suas características. Estes módulos são então colocados em tacks formando uma configuração de médio e grande porte. A Figura 2 ilustra as estruturas descritas. PROFESSOR: LOURIVAL Página 13 Controlador Lógico Programável 13 Outro componente de controlador programável é o dispositivo de programação. Embora seja considerado como parte do controlador. o terminal de programação. como era chamado antes. é requerido apenas para entrar com o programa de aplicação na memória do controlador. Uma vez carregado o programa o terminal pode ser desconectado do controlador. Atualmente se usa o microcomputador para programar o CP e devido à capacidade de processamento do mesmo, este também é utilizado para monitoração e depuração do programa Figura 2 — Estruturas compacta e modular (Cortesia GE-Fanuc) 4 CONTROLADOR PROGRAMÁVEL VERSUS PAINEL DE RELÉS Controladores Programáveis ou painéis de relés? Esta foi provavelmente uma pergunta muito comum entre os engenheiros de sistemas. controle, projetistas. etc. Não se pode generalizar, mas é certo que alta qualidade e produtividade não podem ser obtidas, de maneira econômica, sem equipamento de controle eletrônico. Com o rápido desenvolvimento e crescimento da competição, o custo do controlador programável tem caído significativamente a ponto de que o estudo de CP versus telés, no ponto de vista de custo não ser mais válido. As aplicações com controladores programáveis podem. agora, serem avaliadas por seus próprios méritos. Requisitos tais como indicados abaixo seguramente levam à opção pelo CP ao invés de relés Controlador Lógico Programável 15 Figura 3 — Comparação entre os quadros de relés e CP's PROFESSOR: LOURIVAL Controlador Lógico Programável 16 5 COMPUTADOR INDUSTRIAL VERSUS CONTROLADOR PROGRAMAVEL A arquitetura de um controlador programável é basicamente a mesma que um computador de propósito geral. Entretanto existem algumas características importantes que diferem o CP dos computadores. Podemos dizer que todos os CP“s são computadores por definição. mas nem todos os computadores são CP's. A diferença está nos métodos de programação, operação. considerações ambientais e manutenção. A Figura 4 ilustra uma comparação entre computadores industriais e CP onde podem ser vistos os pontos fortes e os pontos fracos dos computadores industriais. Pontos fortes Pontos fracos Interface Gráfica Confiabilidade do Sistema Operacional Tempo de Programação Confiabilidade do Microcomputador Não utilizar Hardware Proprietário Velocidade de Atualização de E/O (Rack) Arquitetura Aberta Eventuais Bugs de Software Rede de comunicação TCP/IP Simulação do Programa Várias Linguagens de Programação Comunicação com Supervisorio Utilização de vários Hardwares de E/O Facilidade de efetuar calculos complexos Figura 4 — Comparação do Microcomputador Industrial com CP”s Controlador Lógico Programável 18 vc2000 PR wc4004 Em Aros — Série Modular Atos — Micro CLP Altus - Série Piccolo GE-FANUC - Série 9070 GE-FANUC — Série 9030 PROFESSOR: LOURIVAL Página 19 Controlador Lógico Programável 19 Rockwell Rockwell - MicroLogix uy Rockwell - PLC 5 VME Bus Siemens - Série 85 — 05U Siemens - Série 57 Série S5— 1]5U Figura 5 — CPU's de vários fabricantes PROFESSOR: LOURIVAL 
