Solution controladores lógicos programáveis, Exercícios de Controladores Lógicos Programáveis

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Respostas dos Exercícios 1

Respostas dos Exercícios

Controladores Lógicos Programáveis

Sistemas Discretos

a

Edição

2 Controladores Lógicos Programáveis

Capítulo 1

1. O Programmable Logic Controller (PLC) ou Controlador Lógico Programável (CLP) foi desenvolvido a partir de uma demanda existente na indústria automobilística norte- -americana. Suas primeiras aplicações foram na Hydronic Division da General Motors, em 1968, devido à grande dificuldade de mudar a lógica de controle de painéis de comando a cada mudança na linha de montagem. Tais mudanças implicavam altos gastos de tempo e de dinheiro. 2. O CLP foi elaborado inicialmente com uma especificação que refletia as necessidades de muitos usuários de circuitos a relés, não só da indústria automobilística, como de toda a indústria manufatureira. Para a aplicação industrial era necessário um controlador com as seguintes características: Š Facilidade de programação e reprogramação, preferivelmente na planta, para ser possível alterar a seqüência de operações na linha de montagem; Š Possibilidade de manutenção e reparo, com blocos de entrada e saída modulares; Š Confiabilidade, para ser utilizado em um ambiente industrial; Š Redução de tamanho em comparação com o sistema tradicional que utilizava relés; Š Ser competitivo em custo com relação a painéis de relés e eletrônicos equivalentes; Š Possibilitar entradas em 115 V e saídas com 115 V e com capacidade mínima de 2 A para operar com válvulas solenóides e contatores; Š Possibilitar expansões sem grandes alterações no sistema; Š Memória programável com no mínimo 4 kBytes e possibilidade de expansão; Š Estações de operação com interface mais amigável; Š Possibilidade de integração dos dados de processo do CLP em bancos de dados gerenciais, para tornar disponíveis informações sobre o chão de fábrica para os departamentos envolvidos com o planejamento da produção. 3. Sensores/transdutores: transdutor é um dispositivo que converte uma condição física do elemento sensor em um sinal elétrico para ser utilizado pelo CLP através da conexão às entradas do CLP. Um exemplo típico é um botão de pressão momentânea, em que um sinal elétrico é enviado do botão de pressão para o CLP, indicando sua condição atual (pressionado OU liberado). Atuadores: a função dos atuadores é converter o sinal elétrico oriundo do CLP em uma condição física, normalmente ligando ou desligando algum elemento. Os atuadores são conectados às saídas do CLP. Um exemplo típico é fazer o controle do acionamento de um motor através do CLP. Neste caso a saída do CLP vai ligar ou desligar a bobina do contator que o comanda. Controladores: de acordo com os estados das suas entradas, o controlador utiliza um programa de controle para calcular os estados das suas saídas. Os sinais elétricos

4 Controladores Lógicos Programáveis

Memória EEPROM ( Electrically Erasable PROM ): é não-volátil e oferece a mesma flexibilidade de programação que a RAM. A grande maioria dos controladores de médio e pequeno porte usa EEPROM como a única memória do sistema. Ela fornece armazenamento permanente para o programa e pode ser facilmente alterada com o uso de um dispositivo de programação (por exemplo, PC) ou uma unidade de programação manual. Estas duas características ajudam a reduzir o tempo para a alteração de programas. Uma das desvantagens da EEPROM é que um byte de memória só pode ser escrito depois que o conteúdo anterior tiver sido apagado, causando um atraso. Esse período de atraso é considerável quando mudanças on-line de programação forem feitas. Outra desvantagem da EEPROM é a limitação do número de vezes que pode ser executada a operação de escrever/apagar um único byte de memória (de 10.000 a 100.000 vezes).

8. Memórias voláteis: perdem seu conteúdo programado quando sua alimentação elétrica é removida. Memórias voláteis são facilmente alteradas e é recomendado para a grande maioria das aplicações que utilizem uma bateria que mantenha sua alimentação, mesmo na ausência de alimentação externa. As baterias são chamadas de bateria de backup. 9. Memória PROM e EPROM. 10. O funcionamento do CLP é baseado num sistema microprocessado em que há uma estrutura de software que realiza continuamente ciclos de leitura, chamados de scan. O scan é constituído de três processos: 1. Efetua a leitura dos dados através dos dispositivos via interface de entrada. 2. Executa o programa de controle armazenado na memória. 3. Escreve ou atualiza os dispositivos de saída via interface de saída. 11. Chama-se tempo de varredura ( scan time ) o tempo gasto para a execução de um ciclo completo. Esse valor muda conforme o controlador e depende de muitos fatores (tamanho da palavra, clock , arquitetura do processador etc.). 12. Modo de programação: no modo de programação ( Prog ) o CLP não executa nenhum programa, isto é, fica aguardando para ser configurado ou receber novos programas ou até receber modificações de programas já instalados. Esse tipo de programação é chamado de off-line (fora de operação). Modo de execução: no modo de execução ( Run ), o CLP passa a executar o programa do usuário. CLPs de maior porte podem sofrer alterações de programa mesmo durante a execução. Esse tipo de programação é chamado de on-line (em operação). 13. A operação de transferência de programas do microcomputador (ou terminal de programação) para o CLP denomina-se download. 14. A operação para fazer a coleta de um programa armazenado no CLP para o PC é chamada de upload.

Respostas dos Exercícios 5

15. Durante o processo de leitura dos pontos de entrada, a CPU endereça o sistema de E/S, coleta os estados atuais dos dispositivos que estão conectados e armazena as informações em forma de bits "1" ou "0". Uma entrada energizada equivale ao valor binário "1" e a entrada desenergizada equivale ao valor binário "0". Essas informações são armazenadas em uma região da memória chamada Tabela Imagem das Entradas (TIE). No processo de execução da lógica programada, a TIE é utilizada para obter os estados dos dispositivos. Os resultados das lógicas programadas que atuam em determinadas saídas são armazenados em uma área de memória que se chama Tabela Imagem das Saídas (TIS). As lógicas que possuem saídas internas (memórias internas) são armazenadas na área correspondente. No momento da execução da lógica programada, sendo necessária a referência a uma saída qualquer, dentro do mesmo ciclo de varredura, essa tabela é consultada. É importante verificar que durante esse processo não é feita nenhuma referência a pontos externos de entrada ou saída. A CPU trabalha somente com informações obtidas da memória. Na etapa de atualização de saídas, a CPU executa uma varredura na tabela TIS e atualiza as saídas externas através do endereçamento do sistema de E/S para atualizar o estado dos dispositivos de saída de acordo com o programa. Também é feita atualização de valores de outros operandos, como resultados aritméticos, contagens, temporizadores, entre outros. Ao final da atualização da tabela imagem, é feita a transferência dos valores da tabela imagem das saídas para os cartões de saída, encerrando o ciclo de varredura. A partir daí é iniciado um novo scan e a operação continua enquanto se mantém o controlador no modo de execução. 16. Para verificação de erros, é estipulado um tempo de processamento, ficando a cargo de um circuito chamado Watch Dog Timer supervisioná-lo. Se esse tempo máximo for ultrapassado, a execução do programa pela CPU será interrompida, sendo assumido um estado de falha ( fault ). 17. CLPs compactos: possuem incorporados em uma única unidade: a fonte de alimentação, a CPU e os módulos de E/S, ficando o usuário com acesso somente aos conectores do sistema E/S. Esse tipo de estrutura normalmente é empregado para CLPs de pequeno porte. Atualmente suportam uma grande variedade de módulos especiais (normalmente vendidos como opcionais), tais como entradas e saídas analógicas, contadores rápidos, módulos de comunicação, Interfaces Homem/ Máquina (IHM) e expansões de I/O. CLPs modulares: são compostos por uma estrutura modular, em que cada módulo executa uma determinada função. Podemos ter processador e memória em um único módulo com fonte separada ou então as três partes juntas em um único gabinete. O sistema de entrada/saída é decomposto em módulos de acordo com suas características. Eles são colocados em posições predefinidas ( racks ), formando uma configuração de médio e grande porte. Desta forma temos os seguintes elementos colocados para formar o CLP: rack , fonte de alimentação, CPU e módulos de E/S.

Respostas dos Exercícios 7

6. Uma saída digital pode estar na condição ligada ou desligada. Válvulas solenóides, contatores, alarmes, relés, sirenes e lâmpadas são exemplos de atuadores conectados em saídas digitais. 7. Na saída de um sensor PNP ou fonte, o nível da sua saída lógica vai comutar entre o fornecimento de uma tensão equivalente à da alimentação das saídas e um circuito aberto. No caso de um sensor NPN, quando o sensor de proximidade detectar algum objeto, vai enviar um sinal para o transistor NPN comutar, que envia um sinal Gnd (negativo) para a entrada do CLP.

8.

Sensor PNP conectado a uma entrada do tipo dreno.

Sensor NPN conectado a uma entrada do tipo fonte.

9. Os módulos ou interfaces de saída analógica convertem valores numéricos em sinais de saída em tensão ou corrente. No caso de tensão normalmente de 0 a 10 Vcc ou 0 a 5 Vcc, e no caso de corrente de 0 a 20 mA ou 4 a 20 mA. Por exemplo: se o cartão de saída analógica enviar 0 Vcc, esse valor vai corresponder a 0%, e se o cartão enviar 10 Vcc, vai corresponder a 100%, se utilizarmos uma saída em tensão.

8 Controladores Lógicos Programáveis

As saídas analógicas são utilizadas para controlar dispositivos atuadores como válvulas proporcionais, motores, inversores de freqüência, resistências elétricas, entre outros.

10. Saída digital a relé: aciona cargas alimentadas por tensão tanto contínua quanto alternada. Uma grande vantagem de utilizar essa configuração de saída é o fato de se ter uma saída praticamente imune a qualquer tipo de transiente da rede. Entretanto, esse tipo de saída possui uma pequena vida útil dos contatos se comparado com os outros tipos, e permite um número total de acionamentos aproximado de 150.000 a 300.000. Saída a transistor: para esse tipo de módulo, o elemento que efetua o acionamento pode ser um transistor típico ou um transistor de efeito de campo (FET), o que promove comutações com alta velocidade. O módulo com saída a transistor é recomendado quando são utilizadas fontes de corrente contínua. Essa saída tem uma capacidade de 10 × 106 acionamentos ao longo de sua vida útil e pode suportar uma corrente de aproximadamente 1,0 A. Para a saída a transistor, optoisoladores são usados para isolar a carga a ser acionada do cartão do CLP. Saída a TRIAC: tem maior vida útil do que a saída a relé. Nesse tipo de saída o elemento acionador é um dispositivo de estado sólido (TRIAC), sendo recomendado seu uso para corrente alternada. Tem uma vida útil de 10x10 6 e pode suportar uma corrente de até, aproximadamente, 1,0 A.

Capítulo 3

1. Chave botoeira e chave fim de curso. 2. As chaves fim de curso têm basicamente as seguintes finalidades:

Controle: sinaliza os pontos de início ou de parada de um determinado processo. Segurança: desliga equipamentos quando há abertura de porta ou equipamento e alarme. Quanto ao número de contatos, as chaves fim de curso podem ter a seguinte configuração: Š SPDT ( Single Pole Double Throw ): um conjunto de contatos NA e NF. Nessa configuração, quando um contato é aberto o outro se fecha. Š SPST ( Single Pole Single Throw ): relé com um único contato que pode ser normalmente aberto ou normalmente fechado. Š DPDT relay ( Double-Pole Double-Throw ): relé com dois conjuntos de contatos NA e NF que operam simultaneamente por uma simples ação.

3. Na seleção da chave, é preciso levar em conta muitos fatores, como os relacionados em seguida: Š O número de pólos e terminais; Š A tensão a ser chaveada e o tipo de corrente (CA ou CC); Š O valor da corrente a ser chaveada e a corrente a ser percorrida após o chaveamento; Š A freqüência de atuações;

10 Controladores Lógicos Programáveis

9. Bobinas: a bobina e a montagem em núcleo de ferrite geram um campo eletro- magnético a partir da energia do oscilador. Oscilador: fornece a energia necessária para a geração do campo magnético nas bobinas. Circuito de disparo: detecta mudanças na amplitude de oscilação. As mudanças ocorrem quando um alvo de metal se aproxima do campo magnético irradiado pelo sensor. Circuito de saída: quando uma mudança suficiente no campo magnético é detectada, a saída em estado sólido fornece um sinal a uma interface para um CLP ou máquina. O sinal indica a presença ou ausência de um alvo de metal na distância do sensor. 10. O alvo-padrão é uma plaqueta quadrada de aço doce, com 1 mm de espessura e com- primentos dos lados iguais ao diâmetro da face ativa. Fator de redução: é preciso considerar ainda que metais distintos têm valores diferentes de resistividade (que limita as correntes parasitas); assim o tipo de metal afeta a distância sensora. De acordo com o tipo de material a ser utilizado, é necessário um fator de correção da distância sensora, como para o aço doce 1,0, aço inoxidável 0,9, alumínio 0,45, bronze 0,50 e cobre 0,40. 11. Para os sensores blindados há um campo magnético mais direcionado, o que contribui para o aumento da precisão, da direcionalidade e da distância de operação do sensor. 12. Vantagens

Š Não é afetado por poeira ou ambientes que contenham sujeira; Š Não é prejudicado pela umidade; Š Não possui partes móveis nem contatos mecânicos; Š Não é dependente da cor do objeto-alvo. Desvantagens Š Somente detecta objetos metálicos; Š A distância sensora é menor que em outras tecnologias de sensores de pro- ximidade; Š Pode ser afetado por fortes campos eletromagnéticos.

13. O princípio de funcionamento baseia-se em dois circuitos eletrônicos: um emissor do feixe de luz e outro receptor dele. O emissor envia um feixe de luz de forma pulsada através de um LED de modo a evitar que o receptor o confunda com a luz ambiente. O receptor possui um fototransistor sensível à luz e um circuito que reconhece somente a luz vinda do emissor. 14. Os LEDs são largamente utilizados em sensores ópticos, pois são componentes resistentes e confiáveis. Operam em uma larga faixa de temperatura e são muito resistentes a danos decorrentes de vibração e choques mecânicos.

Respostas dos Exercícios 11

15. Os LEDs geralmente emitem luz e os fotodetectores são sensíveis à luz em uma grande área. Lentes são usadas para os fotodetectores e LEDs para estreitar e dar forma a essa área. À medida que a área é estreitada, o alcance aumenta. Como resultado, as lentes ampliam a distância sensora dos sensores fotoelétricos. 16. Faz-se uma comutação em uma freqüência elevada na ordem de 5 kHz para evitar o aquecimento excessivo do LED. 17. Tem-se uma unidade, o emissor, que é a fonte luminosa que produz um feixe de luz focado. Considerando que, quando o receptor não recebe sinal do sensor comuta a sua saída, se um objeto passar entre o emissor e o receptor, o feixe de luz é bloqueado e o receptor comuta a sua saída. 18. Vantagens

Š Podem detectar pequenos objetos a longas distâncias; Š Os objetos podem ser opacos ou pouco translúcidos; Š Devido à sua habilidade de detectar através de ambientes sujos, com pó, óleo, entre outros, esses sensores fornecem grande confiabilidade e necessitam de pouca manutenção. Desvantagens Š Mais caro, devido à exigência de emissor e receptor em separado; Š Necessita de duas conexões elétricas separadas; Š O alinhamento do feixe de luz emissor-receptor torna-se muito importante; Š Não detecta objetos completamente transparentes.

19. O sensor opera similarmente ao sensor de barreira, no qual um objeto passa em frente a ele e bloqueia o feixe de luz enviado. Entretanto, neste caso a luz que está sendo bloqueada é a mesma que retorna de um refletor. Desta forma, esse sensor não necessita de cabeamento adicional, pois o emissor e o receptor estão alocados no mesmo sensor. 20. Vantagens

Š Maior facilidade de instalação que o do tipo barreira, pois tem corpo único e é de fácil alinhamento; Š Mais barato que o feixe transmitido, porque a fiação é mais simples (corpo único); Š Possibilidade de detecção de objetos transparentes, para os quais sempre há uma atenuação, permitindo ajustes no potenciômetro de sensibilidade do sensor de forma a detectar esse objeto; Š Os objetos podem ser opacos, translúcidos e até transparentes. Desvantagens Š Uma possível falha no emissor é avaliada como detecção de um objeto; Š O espelho prismático ou fitas refletoras podem se sujar, provocando falhas no funcionamento;

Respostas dos Exercícios 13

Capítulo 4

1. Define-se instrução como um comando que permite a um sistema com capacidade computacional realizar determinada operação. Linguagem de programação é um conjunto padronizado de instruções que o sistema computacional é capaz de reconhecer. 2. Norma que procura estabelecer um padrão aberto para os CLPs, visando a uniformização de procedimentos dos diversos fabricantes. Foi criado um grupo de trabalho no IEC ( International Electrotechnical Commission) para estabelecer normas a todo o ciclo de desenvolvimento dos CLPs, incluindo o projeto de hardware , instalação, testes, documentação, programação e comunicação. É dividida usualmente em três seções: generalidades, elementos comuns e linguagens de programação. 3. O programa de um CLP é dividido em unidades individuais, chamadas de Unidades Organizacionais de Programas (POU - Program Organization Units ), que podem ser dos seguintes tipos: programas, blocos de funções (ou blocos funcionais) e funções. 4. De acordo com a norma IEC 61131-3, somente entradas, saídas e a memória interna do controlador podem ser acessadas diretamente pelo programa de controle. Endereçar diretamente significa escrever ou ler diretamente na entrada, saída ou memória sem utilizar um identificador simbólico. A localização das suas posições físicas ou lógicas no sistema de controle é definida pelo respectivo fabricante do controlador. O endereçamento direto é reconhecido pela utilização do símbolo "%" precedendo sua designação. 5. BOOL ( Boolean ), SINT ( Short Integer ), INT ( Integer ), DINT ( Double Integer ), UINT ( Unsigned Integer ), REAL ( Floating point ), TIME (Tempo de duração), STRING ( string ), BYTE (8 bits), WORD (16 bits). 6. Variáveis internas: freqüentemente é necessário armazenar resultados interme- diários que não necessitam ser conhecidos externamente. Variáveis de entrada: são alimentadas externamente por uma unidade organizacional, por exemplo, um bloco funcional. Variáveis de saída: são as variáveis de saída de uma Unidade Organizacional e fornecem valores que serão transferidos para um dispositivo externo. São utilizadas por programas e blocos de funções. 7. Inspirada na linguagem assembly e de característica puramente seqüencial, é caracterizada por instruções que possuem um operador e, dependendo do tipo de operação, podem incluir um ou mais operandos, separados por vírgulas. É indicada para pequenos CLPs ou para controle de processos simples. 8. É uma das linguagens gráficas de programação, muito popular na Europa, cujos elementos são expressos por blocos interligados, semelhantes aos utilizados em eletrônica digital. Essa linguagem permite um desenvolvimento hierárquico e modular do software , uma vez que podem ser construídos blocos de funções mais complexos a partir de outros menores e mais simples. Normalmente os blocos são construídos utilizando a linguagem de texto estruturado.

14 Controladores Lógicos Programáveis

9. SFC é uma linguagem gráfica que permite a descrição de ações seqüenciais, paralelas e alternativas existentes numa aplicação de controle. Como é descendente direto do Grafcet , o SFC fornece os meios para estruturar uma unidade de organização de um programa num conjunto de etapas separadas por transições. A cada etapa está associado um conjunto de ações. A cada transição está associada uma receptividade que terá de ser satisfeita para que a transposição da transição ocorra, e assim o sistema evolua para a etapa seguinte. 10. É uma linguagem gráfica baseada na lógica de relés e contatos elétricos para a realização de circuitos de comandos de acionamentos. Por ser a primeira linguagem utilizada pelos fabricantes, é a mais difundida e encontrada em quase todos os CLPs da atual geração. Bobinas e contatos são símbolos utilizados nessa linguagem. Os símbolos de contatos programados em uma linha representam as condições que serão avaliadas de acordo com a lógica. Como resultado determinam o controle de uma saída, que normalmente é representado pelo símbolo de uma bobina. 11. É uma linguagem textual de alto nível e muito poderosa, inspirada na linguagem Pascal, que contém todos os elementos essenciais de uma linguagem de programação moderna, incluindo as instruções condicionais (IF-THEN-ELSE e CASE OF) e instruções de iterações (FOR, WHILE e REPEAT). Como o seu nome sugere, encoraja o desenvolvimento de programação estruturada, sendo excelente para a definição de blocos funcionais complexos, os quais podem ser utilizados em qualquer outra linguagem IEC. Das linguagens textuais é a mais potente, portanto a mais recomendada para aplicações complexas que envolvam a descrição de comportamento seqüencial.

Capítulo 5

1. Vantagens

Š Possibilidade de uma rápida adaptação do pessoal técnico (semelhança com diagramas elétricos convencionais com lógica a relés); Š Possibilidade de aproveitamento do raciocínio lógico na elaboração de um comando feito com relés; Š Fácil recomposição do diagrama original a partir do programa de aplicação; Š Fácil visualização dos estados das variáveis sobre o diagrama Ladder , permitindo uma rápida depuração e manutenção do software ; Š Documentação fácil e clara; Š Símbolos padronizados e mundialmente aceitos pelos fabricantes e usuários; Š Técnica de programação mais difundida e aceita industrialmente. Desvantagens Š Sua utilização em programas extensos ou com lógicas mais complexas é bastante difícil;

16 Controladores Lógicos Programáveis

12. Para detecção de eventos, normalmente é utilizada uma técnica conhecida como detecção de borda, ou seja, detectar o instante em que houve uma transição de um estado para outro. Assim, se o estado inicial era desligado e passou para ligado, a detecção desse evento é chamada de "detecção de borda de subida". No caso contrário, ou seja, a transição do estado ligado para o desligado, a detecção desse evento é chamada de "detecção de borda de descida". Por exemplo, o comportamento de um portão eletrônico é comandado por um único botão que tem a função de abrir, fechar, parar, reverter etc. Portanto, para realizar a ação necessária devemos saber duas coisas: em que estado está atualmente (fechado, fechando, abrindo, aberto etc.) e também se o botão foi pressionado ou não. Dependendo da combinação dessas duas informações, será tomada.

Capítulo 6

1. OR

2. NAND

3. AND

4. NOR

5. AND

6. OR

7. NAND

8. NOR

a) L =A⋅B+C

Ladder (^) FBD

Respostas dos Exercícios 17

b) L =A⋅(B+C)

Ladder (^) FBD

c) Q 2 =A⋅B+C

Ladder FBD

d) L =(A +B) ⋅C

Ladder FBD

e) Y =(A +B) ⋅(C +D)

Ladder FBD

Respostas dos Exercícios 19

14. Q =A⋅B

15. S( A)=BT 1 ⋅B

16. S( A)=BT 1 ⋅B

17. L =A⋅B+C

18. L =A⋅B⋅C+A⋅B⋅C

19. Q =A⋅B

20. L =A⋅B

20 Controladores Lógicos Programáveis

21. Q = (B + Q) A

22. Saída = (A + B) C 23. Saída = (A + B) (C + D) E

Capítulo 7

1. a) A ⋅C+A⋅B

b) A ⋅B⋅C+B⋅C+A⋅C+A⋅B

c) A ⋅B d) A ⋅D e) A ⋅B⋅C⋅D+A⋅B⋅C⋅D+A⋅B⋅C⋅D+A⋅B⋅C⋅D

2. a) A

b) A. C + A. B + C. B

3.

CA CF S 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0

S =CA⋅CF+CA⋅CF