Baixe Controlador Lógico Programável: Conceito, Características e Funcionamento e outras Notas de estudo em PDF para Cultura, somente na Docsity!
1. CLP
1.1 Introdução
O Controlador Lógico Programável é um equipamento comandado por um processador dedicado que tem como finalidade monitorar entradas e atualizar saídas a partir de um programa pré-definido. O CLP é utilizado pelas indústrias com a finalidade de automatizar processos, permitindo controle rápido e preciso com mínima possibilidade de erros. Com a implementação de CLP’s a limitação do sistema deixa de ser espaço físico e passa a ser o espaço de memória da CPU e o número de entradas e saídas disponíveis.
1.2 Histórico
O Controlador Lógico Programável nasceu dentro da General Motors, em 1968, devido a grande dificuldade de mudar a lógica de controle dos painéis de comando a cada mudança na linha de montagem. Tais mudanças implicavam em altos gastos de tempo e dinheiro. Desde o seu aparecimento, até hoje, muita coisa evoluiu nos controladores lógicos, tais como:
- Tipos de entrada e saída;
- Velocidade de processamento;
- Modo de programação;
- Interface com o usuário.
1.3 Características técnicas
Podemos ressaltar que com a popularização dos microcomputadores e a redução dos custos de desenvolvimento e produção, houve uma avalanche de ofertas de tipos e modelos de CLP’s, os quais podemos dividir em: Nano e Micro CLP’s - São CLP’s de pouca capacidade de E/S (máximo 16 Entradas e 16 Saídas), normalmente digitais, compostos de um único módulo (ou placa), baixo custo e reduzida capacidade de memória. CLP’s de Médio Porte – São CLP’s com capacidade de E/S de até 256 pontos, digitais e analógicas, compostos por um módulo básico e módulos de expansão. Costumam permitir até 2048 passos de memória e na grande maioria são totalmente modulares.
CLP’s de Grande Porte - se caracterizam por uma construção modular constituída por fonte de alimentação, CPU principal, CPU’s auxiliares, módulos de E/S digitais e analógicos, módulos de E/S especializados, módulos de redes locais ou remotas, etc., que são agrupados de acordo com a necessidade e complexidade da planta de automação. Permitem a utilização de até 4096 pontos de E/S.
1.4 Processamento
A lógica de operação de qualquer CLP é dividida em três etapas: entrada, processamento e saída.
Figura 1.1 – Processamento
Basicamente os sinais dos sensores são aplicados às entradas do controlador e a cada ciclo (varredura) são lidos e transferidos para a unidade de memória interna denominada memória imagem de entrada. Estes sinais são processados pelo programa do usuário e ao término do ciclo de varredura, os resultados são transferidos à memória imagem de saída e então aplicados aos terminais de saída.
Figura 1.2 – Rotina de processamento
- maior flexibilidade;
- interfaces de comunicação com outros CLPs e computadores;
- maior vida útil;
- manutenção mais fácil e rápida.
2. Introdução ao hardware
Para proporcionar o controle automático de uma malha de controle o CLP possui alguns elementos básicos, que podem ser classificados da seguinte forma:
2.1 Fonte de alimentação – elemento cujas principais funções são:
- Converter a tensão da rede elétrica (110 ou 220 VCA) para a tensão de alimentação dos circuitos eletrônicos;
- Manter a carga da bateria, nos sistemas que utilizam relógio em tempo real e memória do tipo RAM;
- Fornecer tensão para alimentação das entradas e saídas (12 ou 24 VCC).
2.2 Unidade de processamento
Também chamada de CPU, é responsável pelo funcionamento lógico de todos os circuitos. Nos CLPs modulares a CPU está em uma placa (ou módulo) separada das demais, podendo-se achar combinações de CPU e fonte de alimentação. Nos CLPs de menor porte a CPU e os demais circuitos estão todos em único módulo. As características mais comuns são:
- Microprocessadores ou Microcontroladores de 8 ou 16 bits;
- Endereçamento de memória de até 1 Mega Byte;
- Velocidades de CLOCK variando de 4 a 30 MHZ;
- Manipulação de dados decimais, octais e hexadecimais.
2.3 Memória do programa monitor
Armazena o Programa Monitor, responsável pelo funcionamento geral do CLP e gerenciamento de todas as atividades do mesmo. O programa monitor funciona de maneira similar ao Sistema Operacional dos microcomputadores, não pode ser alterado pelo usuário e fica armazenado em memórias do tipo PROM, EPROM ou EEPROM.
Power down - impede que o conteúdo das memórias seja perdido quando o equipamento é subitamente desenergizado. Watch dog timer – impede que o programa entre em “loop”.
2.9 Módulos ou interfaces de entrada
Para que as CPU’s possam realizar suas funções de comando e controle elas precisam receber informações do campo. Para que estas informações cheguem até a CPU, existem módulos de entrada e saída, ou seja, módulos que servirão de interface entre a CPU e os sinais provenientes do campo. Existem dois tipos básicos de entrada: as digitais e as analógicas.
a) Entradas digitais – São aquelas que possuem apenas dois estados possíveis:
- ligado (nível lógico 1);
- desligado (nível lógico 0).
Figura 2.1 – Entrada digital
Tais entradas podem ser construídas para operarem em:
- Corrente contínua (24 VCC);
- Corrente alternada (110 ou 220 VCA). As entradas em corrente contínua 24 VCC são utilizadas quando as distâncias entre os dispositivos de entrada e o CLP não excedam 50 m. Caso contrário, o nível de ruído poderá provocar disparos acidentais.
b) Entradas analógicas - são aquelas que podem assumir no decorrer do tempo, qualquer valor entre dois limites determinados.
Figura 2.2 – Entrada analógica
As grandezas elétricas tratadas por estes módulos são normalmente tensão ou corrente:
- 0 ⇒ 10 VCC / 0 ⇒ 5 VCC;
- 0 ⇒ 20 mA / 4 ⇒ 20 mA. Os principais dispositivos utilizados como entradas analógicas são:
- Sensores de pressão manométrica;
- Sensores de pressão mecânica (strain gages - utilizados em células de carga);
- Transmissores de temperatura;
- Etc.
c) Módulos especiais de entrada - Existem módulos especiais de entrada com funções bastante especializadas. Alguns exemplos são:
- Módulos para encoder;
- Módulos para termopares (Tipo J, K, L, S, etc.);
- Módulos para termoresistências (PT-100, Ni-100, Cu-25, etc.);
2.10 Módulos ou interfaces de saída
Os módulos ou interfaces de saída adequam eletricamente os sinais vindos do microprocessador para que possamos atuar nos circuitos controlados. Existem dois tipos básicos de interfaces de saída: as digitais e as analógicas.
3. Definições e características
Existem dois padrões básicos de nomenclatura das entradas e saídas de um CLP: Padrão IEC
I ⇒ quer dizer Entrada. Q ⇒ quer dizer Saída. Padrão Alemão
E ⇒ quer dizer Entrada. A ⇒ quer dizer Saída. Em ambos, a numeração das entradas e saídas utilizadas em um programa, deve coincidir com as entradas e saídas disponíveis fisicamente. Por exemplo, em determinado CLP o primeiro borne de entrada corresponde à entrada I 0.0 no programa. O segundo borne de entrada será o I 0.1, o terceiro o I 0.2 e assim por diante. As saídas seguem o mesmo critério, sendo utilizada neste caso a letra "Q".
Figura 3.1 – Nomenclatura de entradas e saídas
3.1 Endereçamento analógico
Cada canal de um módulo analógico ocupa 1 word (2 bytes).
Figura 3.2 – Endereçamento analógico
As I/O’s analógicas não possuem uma tabela imagem atualizada a cada ciclo. Ao invés disto, o programador define quando os dados serão atualizados (lidos / escritos) manipulando o endereço analógico correspondente ao I/O. O endereço identificador para uma entrada analógica é AIW e para a saída analógica é AQW.
4. CLP Siemens
4.1 Introdução
A linha de CLP’s Simatic S7 da Siemens é extremamente versátil e dividida basicamente em três categorias. S7-200 – micro PLC’s S7-300 – PLC’s de pequeno e médio porte S7-400 – PLC’s de médio e grande porte
A escolha do CLP deverá ser realizada após um estudo detalhado das características e necessidades da malha de controle a ser implementada.
4.2 Software
Para implementação de malhas utilizando CLP’s a Siemens desenvolveu um conjunto de programas denominado SIMATIC Software, um projeto modular que consiste do software básico STEP 7 e pacotes opcionais para diagnósticos, simulações, documentação, etc.
4.3 CLP S7-
Micro CLP da família SIMATIC S7, totalmente compacto, incorporando fonte de alimentação, CPU, entradas e saídas em um único dispositivo.
Figura 4.1 – CLP S7-200 Siemens
Figura 4.2 – Módulos de expansão.
Módulo de comunicação CP Permite a ligação do equipamento em redes industriais Profibus, Ethernet, AS-Interface, etc.
4.3.4 Indicadores de status e chave seletora Os indicadores de status refletem o modo de operação do CLP, definido pela posição da chave seletora. A chave seletora localizada sob a tampa do CLP possui três posições distintas:
- • STOP – a CPU interrompe o processamento do programa do usuário
- • TERM – nesta posição, o modo de operação é determinado pelo programador através do PC.
- RUN – a CPU executa o programa do usuário
Entradas (I) Saídas (Q) STOP / TERM / RUN
I0.0 a I0.7 e I1.0 a I1.5 Q0.0 a Q0.7 e Q1.0 e Q1.1 Chave Seletora Verde = ligada Verde = ativada
Indicadores de Status da CPU SF – Erro interno RUN – CLP executando o programa do usuário. STOP – Programa não está sendo executado.
4.3.5 Alimentação O S7-200 pode ser conectado a uma fonte 24 VDC ou a rede alternada 127 / 220 V dependendo da CPU utilizada.
FB (Bloco de Função) : são utilizados quando uma parte da tarefa exige operações avançadas ou suplementares ou quando uma determinada tarefa se torne repetitiva no programa. Podem ser numerados de 0 a 255 – FB0 a FB255. Existem FB’s que são padronizados para determinadas tarefas. (PID, posicionamento, conversão numérica, etc.) DB (Bloco de Dados) : são áreas de memória destinadas ao armazenamento de dados.
5.3 Memória de dados
a) Memória de dados – região da memória que armazena:
- Variáveis de memória (V0 – V511, V512 – V4095);
- Registrador de imagem das entradas; (I 0.0 – I 7.7)
- Registrador de imagem das saídas; (Q 0.0 – Q 7.7)
- Bits de memória; (M0.0 – M31.7)
- Bits de memória especiais. (SM0.0 – SM29.7, SM30.0 – SM85.7) b) Dados de Objetos – região da memória que armazena dados referentes aos:
- Temporizadores (T0 – T127);
- Contadores (C0 – C127);
- Entradas analógicas (AIW0 – AIW30);
- Saídas analógicas (AQW0 – AQW30);
- Acumuladores (AC0 – AC3). Para criar o programa, independente da linguagem utilizada, o usuário deverá manipular variáveis, registradores, temporizadores, contadores e acumuladores conforme as necessidades da planta a ser implementada. A análise da memória de dados é fundamental no momento da escolha do CLP a ser utilizado. Uma aplicação que necessite de cento e vinte e nove blocos diferentes de temporização torna-se inviável se estivermos utilizando um CLP Siemens S7-200.
5.3.1 Acesso à memória de dados As cinco regiões da memória de dados podem ser acessadas em forma de bit, byte, word ou double word. Para que uma instrução de acesso à memória de dados seja válida ela deve conter:
- Código de identificação de área (I, Q, M, SM, V)
- Forma de acesso ( Bit, Byte, Word, Double word);
- Endereço.
Exemplo: Para acessar o byte 2 da região de variáveis de memória devemos utilizar a seguinte notação: V B 2 V – identificador da área de variáveis de memória; B – modo de acesso = byte; 2 – endereço do byte Acessando a mesma região de memória, mas agora na forma de word, estaremos manipulando os dados armazenados nos bytes 2 e 3 , pois 1 word corresponde a 2 bytes. V W 2 V – identificador da área de variáveis de memória; W – modo de acesso = word; 2 – endereço do primeiro byte acessado
Figura 5.1 – Acesso à memória de dados
Para acessar dados dos objetos, tais como temporizadores, contadores e I/O´s analógicos utiliza-se o código de área e o endereço do objeto. Exemplo: Para acessar o contador 10 devemos utilizar a seguinte notação: T 10 T – identificador de área destinada a temporizadores; 10 – endereço do temporizador
