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CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS AULA 1 Profª Carla Eduarda Orlando de Moraes de Lara 2 CONVERSA INICIAL Neste estudo vamos abordar diversos assuntos relacionados a esses dispositivos tão versáteis e que podem ser aplicados em diferentes processos e indústrias Vamos começar falando sobre o histórico desses dispositivos suas definições e evolução Tópico 1 Em seguida abordaremos suas aplicações e discutiremos suas vantagens Tópico 2 No Tópico 3 analisaremos seu funcionamento e aprofundaremos o tema falando sobre métodos de processamento e modos de operação No Tópico 4 vamos nos dedicar à compreensão dos elementos que formam a estrutura interna do controlador lógico programável que chamamos de arquitetura Finalizaremos Tópico 5 verificando as possíveis classificações adotadas para esses dispositivos e analisando as implicações dessas classificações em sua especificação para as mais diversas aplicações TEMA 1 HISTÓRICO DEFINIÇÃO E EVOLUÇÃO Começaremos nossos estudos sobre o controlador lógico programável CLP entendendo o contexto histórico em que ele foi desenvolvido abordando suas definições e analisando seu processo de evolução Esses assuntos são relevantes para compreendermos as razões que levaram à criação de um dispositivo com as características do CLP que viria a se tornar um dos controladores mais utilizados na automação industrial Para compreendermos a criação dos controladores lógicos programáveis precisamos antes analisar as categorias da automação industrial pois por meio das particularidades de cada categoria podemos classificar os dispositivos Quando falamos em classificação da automação existem diferentes possibilidades porém aqui vamos adotar como critério de classificação o nível de flexibilidade dos sistemas Segundo Camargo 2014 a automação industrial pode ser classificada em fixa programável e flexível Além do grau de flexibilidade dos sistemas é comum analisarmos as categorias tendo em vista a variedade de produtos e a quantidade a ser produzida Assim na Figura 1 são apresentadas as relações entre esses elementos para as três categorias de automação industrial citadas 3 Analisando a Figura 1 podemos observar que quanto mais flexível o tipo de automação considerando que a flexibilidade cresce da automação fixa para a flexível menor é a quantidade produzida e maior a variedade de produtos Nesse cenário fica mais fácil compreender o processo de evolução dos sistemas automatizados Os primeiros sistemas automatizados desenvolvidos eram sistemas empregando automação fixa também chamada automação rígida ou cabeada Esses sistemas empregavam componentes eletromecânicos baseados em relés e contatores para o desenvolvimento de lógicas de funcionamento e controle dos processos Têm como vantagem os custos de implantação que são atrativos Entretanto quando analisados sob a questão de flexibilidade são praticamente inflexíveis quanto à reprogramação pois para alterações em sua lógica de funcionamento é necessário reconexão física de elementos É justamente nesse sentido que surge a necessidade da criação de tecnologias que permitam a reprogramação do sistema automatizado sem a necessidade de reconexão física Devido às situações mencionadas anteriormente surgiu a automação programável da qual podemos citar como exemplo de controlador empregado o CLP foco do nosso estudo Por fim temos a automação flexível que mistura elementos das outras categorias porém é o tipo mais ajustável a mudanças no processo Figura 1 Relação entre a quantidade produzida e a variedade de produtos conforme o tipo de automação Fonte Elaborada por Lara 2022 com base em Camargo 2014 4 Agora que compreendemos as categorias de automação vamos abordar o cenário em que surgiu o CLP e discutir suas definições e evolução 11 Histórico e definições O CLP também conhecido pela sigla de seu nome em inglês programmable logic controller PLC é um dispositivo físico eletrônico munido de memória interna com capacidade para armazenar sequências de instruções lógicas e outros comandos tendo como principal característica a possibilidade de reprogramação Rosário 2005 Conforme discutido por Rosário 2005 os primeiros modelos de CLP surgiram no ano de 1968 em virtude de uma necessidade de reprogramação dos processos industriais observada pela General Motors GM que foi responsável pela criação da primeira lista de especificações de um dispositivo que viria a se tornar o CLP Antes de discutirmos essas especificações precisamos entender como eram implementados os sistemas automatizados nessa época Como discutimos anteriormente os sistemas automatizados empregavam a automação fixa principalmente utilizando painéis eletromecânicos a relés portanto a reprogramação dos processos era trabalhosa pois requeria reconexão física e parada da produção gerando custos e diminuindo a produtividade Como a indústria automobilística estava aquecida a GM sentiu a necessidade de dispositivos que permitissem a reprogramação de uma forma facilitada sem a necessidade de parada de produção e que ocupassem espaços menores para otimização do espaço no chão de fábrica Portanto a empresa lançou uma lista de especificações para um controlador que viria a ser conhecido como CLP Entre essas especificações estavam as seguintes Moraes 2015 facilidade de programação e reprogramação manutenção facilitada empregando o conceito plugin alta confiabilidade dimensões reduzidas quando comparadas aos painéis a relés envio de dados para processamento centralizado preço e custo de implantação competitivos sinais de entrada e saída de 115 VCA expansão em módulos 5 Seguindo as especificações da GM a fabricante Gould Modicon lançou o primeiro dispositivo que futuramente viria a ser considerado o primeiro CLP da história que sofreu alterações ao longo dos anos principalmente por conta dos avanços tecnológicos que enfrentamos Essas alterações marcam a evolução do CLP que abordaremos a seguir Além disso é importante ressaltar que os modelos disponíveis atualmente possuem diversas funções adicionais à lista desenvolvida pela GM anteriormente o que possibilitou a utilização desse dispositivo nos mais diversos processos e tipos de indústrias Atualmente a utilização do CLP ultrapassou os limites da automação industrial e ele é empregado em outras categorias de automação como residencial e predial 12 Evolução Quando falamos em evolução do CLP precisamos ter em mente que ela ocorreu principalmente pela evolução dos elementos que o formam como os microprocessadores De acordo com Rosário 2005 em 1971 o CLP começou a ser empregado em outros tipos de indústrias além da automobilística e em 1975 foi introduzido o controlador proporcional integral derivativo PID o que possibilitou uma maior gama de aplicação do dispositivo Ainda segundo esse mesmo autor até 1977 o CLP era constituído apenas de componentes eletrônicos discretos posteriormente substituídos por microprocessadores amplamente aceitos na automação industrial É comum dividir a evolução do CLP em cinco gerações as quais estão relacionadas aos sistemas de programação desse dispositivo Como discutido por Zancan 2011 a evolução dos CLPs pode ser classificada como indicado a seguir 1ª geração Esta geração tem como principal característica o emprego de uma linguagem de programação que se relaciona diretamente com o hardware do CLP no caso a linguagem Assembly Isso implicava no conhecimento do projeto completo do CLP por parte do programador isto é além de conhecer e dominar a linguagem de programação Assembly o programador também precisava ter conhecimento dos componentes eletrônicos que formavam o modelo de CLP com o qual ele iria trabalhar 2ª geração A partir desta geração surgem as primeiras linguagens de programação específicas para o CLP porém a complexidade dessas 6 linguagens ainda era de nível médio Nesta geração era possível desenvolver programas de instruções nessas linguagens que posteriormente eram convertidos pelo próprio CLP em linguagem de máquina o que de certa forma simplificou sua programação 3ª geração O grande marco desta geração é a criação de entradas de programação ou seja foi possível conectar dispositivos para a programação do CLP como teclados e programadores portáteis A grande vantagem do uso desses dispositivos de programação era realizar alterações gravar e apagar programas de instruções implementados anteriormente e ainda realizar testes 4ª geração Nesta geração surge a comunicação serial ou seja empregandose uma entrada destinada a esse tipo de comunicação era possível a conexão com outros dispositivos como os microcomputadores Desse modo passou a existir a possibilidade de programação do CLP por meio de um computador realizandose em seguida a transferência para o CLP do programa de instruções desenvolvido pelo usuário 5ª geração A última geração faz uso de protocolos de comunicação permitindo assim a comunicação com outros equipamentos tornando a aplicação dos CLPs ainda mais versátil Além disso como os protocolos de comunicação são padronizados existe a possibilidade de comunicação de dispositivos de diferentes fabricantes desde que utilizem um mesmo protocolo Outra vantagem da utilização dos protocolos de comunicação é a comunicação do CLP com os sistemas supervisórios fundamentais para o monitoramento e a supervisão das plantas industriais Assim podemos concluir que com as evoluções e transformações do CLP ao longo dos anos foi possível aplicálo em diferentes processos tornando esse dispositivo um dos mais senão o mais utilizados nos sistemas de automação em geral TEMA 2 APLICAÇÕES E VANTAGENS Conforme vimos no tópico anterior o controlador lógico programável teve boa aceitação na indústria e é o controlador mais utilizado tanto nesse ambiente quanto em outros setores da automação Além disso discutimos sobre seu 7 processo de evolução que resultou em um dispositivo com diferentes capacidades e aplicações Neste tópico vamos abordar as principais categorias de aplicações do CLP diferenciandoas principalmente pelo tipo de controle que exercem sobre os sistemas Trataremos ainda das vantagens que o uso do CLP traz tanto para a automação dos sistemas quanto para os demais setores da planta como a gestão da produção e a gestão da manutenção Assim dividiremos nossos estudos trabalhando primeiramente os conceitos relacionados às aplicações do CLP e na sequência discutindo suas vantagens 21 Aplicações Devido à presença das diferentes funções agregadas ao CLP com o passar dos anos ele hoje pode atuar em qualquer tipo de sistema de controle pois é um dos controladores mais robustos disponíveis no mercado Nesse contexto começaremos nossa discussão verificando um diagrama que representa a posição do CLP em um sistema de controle em malha fechada apresentado na Figura 2 Analisando a Figura 2 podemos perceber que o CLP atua recebendo informações sobre o processo por meio dos sensores o que caracteriza um sistema realimentado pois é possível medir e averiguar os parâmetros do sistema após o envio de um comando aos atuadores Com o processamento dos dados oriundos dos sensores o CLP executa um programa de instruções desenvolvido pelo usuário com a intenção de executar as lógicas de comandos finalizando sua ação enviando comandos a respeito de ações a serem executadas pelos atuadores Assim como os demais sistemas de controle em malha fechada o objetivo é manter os parâmetros do processo dentro de um set point Sobre o processo de obtenção de sinais oriundos dos sensores e envio de comandos aos atuadores vamos discutilo com mais detalhes mais adiante nesta etapa 8 Figura 2 Fluxo de sinais em um sistema de controle Para entendermos as aplicações dos controladores lógicos programáveis vamos analisar os possíveis tipos de controle que podemos ter nas aplicações Para isso assumiremos a classificação abordada por Camargo 2014 que divide os tipos de controle em binário digital e analógico 211 Controle binário O controle binário ainda pode ser subdividido em controle lógico e controle sequencial O controle lógico emprega a lógica binária para realizar a operação sendo comum ser denominado controle combinacional ou discreto Mas afinal o que é uma variável discreta Primeiramente precisamos dizer que vamos abordar esse assunto com mais detalhe em conteúdo posterior entretanto podemos definir uma variável discreta como aquela que pode assumir apenas determinados valores Existe ainda um tipo particular de variáveis discretas que pode assumir apenas dois valores a que chamamos variável binária Assim qualquer um dos elementos de um sistema de controle binário lógico poderá assumir apenas dois estados que também serão complementares como por exemplo um sensor que pode ser ativadodesativado um motor que 9 pode serestar ligadodesligado um contato que pode ser abertofechado Camargo 2014 O controle binário também pode ser sequencial Nesse tipo as operações acontecem de forma sequencial uma depois da outra Nesses sistemas a saída é uma função dos sistemas presentes nas entradas e depende do estado atual A próxima etapa está condicionada à ocorrência de algumas condições da etapa anterior Camargo 2014 212 Controle digital O controle digital é comum nos sistemas modernos que fazem uso de processamento distribuído Podemos dizer que esses sistemas utilizam redes de comunicação industrial para a conexão de sensores controladores e atuadores permitindo assim a comunicação digital entre eles 213 Controle analógico O controle analógico pode até mesmo ser considerado uma capacidade adicional do CLP conforme discutido em Groover 2011 Ele é empregado para o controle de processos contínuos principalmente quando falamos de sistemas que têm como objetivo manter uma variável dentro de uma faixa de valores 22 Vantagens A respeito das vantagens do uso dos CLPs já discutimos algumas delas quando falamos das especificações definidas inicialmente pela GM porém agora vamos discutir outras vantagens inclusive as que foram agregadas com o tempo Quando falamos em vantagens desses dispositivos precisamos ter em mente que a maioria delas são vantagens quando tais dispositivos são comparados com os antigos painéis a relés que foram substituídos pelo CLP em aplicações que necessitavam do uso de automação programável A principal vantagem do CLP foi a flexibilização da produção embora existam atualmente outros dispositivos considerados mais flexíveis como os sistemas flexíveis de manufatura Voltando ao conceito de flexibilidade do CLP podemos considerar que eles são mais versáteis quanto à programação quando comparados aos painéis a relés pois permitem a reprogramação de processos sem a necessidade de reconexões físicas nos elementos 10 Outro critério que deve ser considerando na análise das vantagens dos CLPs é o espaço ocupado por estes equipamentos no chão de fábrica pois eles possuem dimensões reduzidas portanto otimizam a utilização do leiaute da instalação Além disso o CLP também consome menos energia elétrica devido às características de seus componentes Ainda sobre a reprogramação essa característica permite que um mesmo CLP possa ser reutilizado em outros processos após deixar de ser empregado no processo anterior Além disso essa reprogramação é facilitada pelos dispositivos de programação que permitem inclusive a realização de testes antes da transferência do programa de instruções para o dispositivo Por fim conforme discutimos no tópico referente à evolução do CLP a partir da quinta geração ocorreu a possibilidade de comunicação com outros equipamentos portanto a comunicação entre o CLP e outros dispositivos foi facilitada Quando avaliamos as possibilidades que a indústria 40 traz para as plantas industriais constatamos que essa possibilidade de comunicação é fundamental para o uso do CLP atualmente Além disso a gestão da manutenção teve seu trabalho otimizado com o emprego do CLP e a gestão da produção pode obter mais dados a respeito dos processos TEMA 3 FUNCIONAMENTO Neste tópico conversaremos a respeito do funcionamento do CLP que possui algumas particularidades principalmente quando consideramos os métodos de processamento e os modos de operação que veremos adiante Segundo Rosário 2005 o CLP possui como princípio de funcionamento fundamental a execução de um programa desenvolvido pelo fabricante que ocorre na sua central de processamento Esse programa tem uma rotina cíclica sequencial que consiste em leitura das variáveis de entrada por meio do módulo de entrada do CLP Em seguida ocorre a execução de um outro programa desenvolvido pelo usuário e denominado programa de instruções seguida da última etapa em que as variáveis de saída são atualizadas conforme os resultados das lógicas e operações realizadas na etapa anterior O processo cíclico descrito anteriormente é designado ciclo de varredura ou ciclo de scan que é ilustrado por meio do fluxograma apresentado na Figura 3 Esse ciclo pode ser dividido basicamente em três etapas de varreduras por isso o nome ciclo de varredura A primeira é a varredura das entradas Nessa 11 etapa o CLP realiza a verificação dos sinais que estão sendo recebidos em seu módulo de entrada a fim de constatar se ocorreu alguma alteração em relação ao ciclo anterior A próxima é a varredura do programa que consiste na execução do programa desenvolvido pelo usuário os valores de entrada armazenados na memória na etapa anterior são empregados em cálculos da lógica de controle com a intenção de determinaremse os valores e condições das saídas Finalmente na última etapa ocorre a varredura das saídas na qual são atualizados os valores das variáveis de saídas com base nos cálculos da etapa anterior Groover 2011 Figura 3 Funcionamento de um CLP O tempo de execução do ciclo das varreduras é denominado tempo de varredura e depende de vários fatores quantidade de entradas e saídas complexidade das lógicas contidas no programa de instruções e velocidade do clock do processador Normalmente a execução de cada ciclo de varredura é rápida o suficiente para identificar variáveis nas variáveis de entrada e interferir a tempo na atualização das saídas Entretanto dependendo do programa 12 desenvolvido pelo usuário e da velocidade do processo podem ocorrer alguns problemas quanto ao tempo de varredura o que todavia não costuma ser comum A seguir vamos discutir outros métodos de processamento destinados a condições específicas e diferentes do cenário em que ocorre a execução do ciclo de varredura Além disso também abordaremos os modos de operação relacionados com o modo de operação da unidade central do CLP 31 Métodos de processamento Além da rotina cíclica de processamento descrita anteriormente existem outros métodos de processamento que possibilitam ao CLP realizar o processamento do programa de instruções Esses métodos estão relacionados a condições em que é necessário processar o programa de instruções de maneiras diferentes a saber processamento por interrupção processamento comandado por tempo processamento por evento O processamento por interrupção acontece em situações nas quais ocorre alguma circunstância em que não se pode esperar a execução completa do ciclo de varredura sendo necessário parar esse ciclo e tratar a ocorrência Nesse caso a unidade central de processamento para a execução do ciclo de varredura salvando o ponto de parada desse ciclo e executa um outro programa denominado programa de interrupção que vai lidar com a anomalia Na sequência o ciclo de varredura é retomado do ponto em que foi interrompido É importante ressaltar que podem ser definidos diferentes programas de interrupção destinados às possíveis condições que podem ocorrer durante o processo Outra possibilidade de processamento é o comandado por tempo Nesse caso o princípio é semelhante ao processamento por interrupção porém as situações que envolvem o acionamento desse método estão relacionas com intervalos de tempo regulares Além dos métodos discutidos anteriormente temos o processamento por evento Esse método está condicionado à ocorrência de eventos específicos 13 que caso venham a ocorrer deverá ser acionado Alguns exemplos de eventos que podem ser tratados por esse método são problemas com o sistema de baterias retorno à operação após queda de energia elétrica estouro do tempo de execução do ciclo de varredura Conforme pudemos observar cada método de processamento é destinado a uma condição com a qual a execução do ciclo de varredura não é capaz de lidar 32 Modos de operação Os modos de operação estão associados com a operação da unidade central de processamento que pode assumir diferentes modos de operação baseados na situação em que o CLP se encontra Esses modos de operação são divididos em modo de programação modo run modo stop e modo reset A seguir examinaremos as características e funções de cada um desses modos verificando as condições em que cada um deles deve ser acionado 321 Modo de programação O modo de programação como o próprio nome sugere é destinado à programação do dispositivo Nesse modo é possível fazer a transferência de programas de instruções desenvolvidos pelo usuário na unidade de programação para o CLP assim como o download de programas que estejam armazenados no CLP Em termos gerais somente nesse modo é possível fazer o upload de programas implementados Entretanto existem modelos desenvolvidos recentemente que permitem a implementação online de alterações nos programas de instruções enquanto o CLP se encontra no modo run Todavia a literatura nos fala que o modo de programação é o destinado a tal função inclusive alguns modelos emitem avisos solicitando a alteração do modo de operação quando tentamos realizar uploaddownload de programas enquanto o CLP se encontra em outros modos 14 322 Modo run Quando o CLP se encontra no modo run ocorre a execução do programa de instruções com o emprego do método de processamento cíclico que discutimos anteriormente o ciclo de varredura Nesse caso todas as ações desenvolvidas pelo CLP estão condicionadas às lógicas contidas no programa de instruções que está ativo Assim após realizar o envio do programa de instruções é necessário trocar o modo de operação de programação para o modo run Nesse modo o CLP também pode se comunicar com outros dispositivos como outros CLPs e interfaces homemmáquina IHMs 323 Modo stop O modo stop é acionado quando é necessário parar o CLP que nesse modo se encontra literalmente parado Esse modo é indicado para situações em que se deseja verificar as condições das entradas do CLP permitindo que sejam detectados possíveis problemas com o módulo Além disso nesse modo não ocorre a atualização das saídas Não é possível realizar o uploaddownload de programas nem executar programas que estejam armazenados em sua memória 324 Modo reset Além dos modos já explicados pode ser necessário ativar o modo reset Nesse modo ocorre a restauração das condições originais de fábrica do controlador Quando esse modo é acionado todas as ações definidas pelo usuário ou por programas de instruções desenvolvidos por ele são resetadas e o CLP passa a assumir as condições definidas pelo fabricante TEMA 4 ESTRUTURA INTERNA DE UM CLP Agora que já discutimos as aplicações vantagens e funcionamento do CLP vamos aprofundar nossos conhecimentos sobre sua estrutura interna Portanto neste tópico apresentaremos os elementos que compõem o CLP Segundo Groover 2011 um CLP é formado por alguns elementos básicos microprocessador unidade de memória módulo ES e dispositivo de 15 programação O microprocessador é a unidade central de processamento UCP ou como é conhecido CPU central processing unit O conjunto formado pelos elementos internos do CLP é comumente denominado arquitetura do CLP A Figura 4 ilustra essa arquitetura relacionando os componentes entre si Figura 4 Arquitetura do CLP Fonte Elaborado por Lara 2022 com base em Moraes 2015 Como cada elemento da arquitetura é fundamental para o funcionamento do CLP dividimos nossos estudos em tópicos nos quais serão abordados cada um dos elementos A seguir encontraremos detalhes das funções de cada componente da arquitetura do CLP 41 Fonte de alimentação A fonte de alimentação é responsável por fornecer energia elétrica à UCP e aos módulos de entrada e saída Além disso ela é responsável por realizar a conversão da alimentação de corrente alternada proveniente da rede que alimenta o CLP para corrente contínua em níveis de tensão adequados para a alimentação dos componentes 16 Ademais existe também um sistema de baterias responsável pela alimentação de sistemas vitais como as memórias Esse sistema pode ser acionado caso ocorra uma falta de energia na rede ou quando o CLP é desligado Segundo Moraes 2015 as fontes podem ser divididas em source fonte de energia interna ao controlador sink fonte de energia externa ao controlador Ainda sobre o nível de tensão normalmente um CLP costuma ser acionado por uma fonte de alimentação de 115 VAC sendo necessário converter essa tensão para 5 VCC Essas tensões são utilizadas para acionar equipamentos cuja tensão e potência podem ser até mesmo superiores às do CLP Groover 2011 42 Módulos de entradasaída Quando falamos dos módulos de entradasaída estamos nos referindo aos componentes que realizam o interfaceamento do CLP com os demais dispositivos conectados a ele Todo módulo de entradasaída pode ser dividido em duas funções entrada e saída A entrada será utilizada para a comunicação com os diversos tipos de sensores que podem ser empregados nos processos industriais como chaves fim de curso interruptores e botoeiras Existem ainda alguns CLPs que contam com entradas analógicas sendo possível receber sinais oriundos de sensores analógicos como sensores de temperatura Já a parte de saída é responsável pela comunicação com os atuadores os quais são conectados às saídas do CLP O módulo de saída é responsável por enviar comandos de ligadodesligado a motores válvulas e outros tipos de dispositivos empregados na atuação dos processos Groover 2011 Na sequência estudaremos cada tipo de módulo e observaremos suas possíveis configurações 421 Módulos de saída Quanto aos detalhes dos módulos de saída vamos abordar os três principais modelos os quais segundo Moraes 2015 são classificados de acordo com seus métodos de acionamento e dividemse em saída a relé saída a TRIAC e saída a transistor 17 A Figura 5 traz uma representação do módulo de saída a relé sendo possível observar que o atuador será acionado quando o contato do solenoide for fechado Nesse tipo de configuração quando o endereço da respectiva saída é ativado ocorre o acionamento do solenoide fechando assim o contato no borne de saída do controlador Moraes 2015 A principal vantagem desse tipo de módulo é a robustez uma vez que ele é muito resistente a diferentes anomalias na rede Porém segundo Moraes 2015 sua desvantagem está na baixa vida útil quando comparado aos demais módulos tendo um número de acionamentos limitados entre 150000 e 300000 com corrente de até 5 A Figura 5 Módulo de saída a relé Outra possibilidade para acionamento de saídas é o módulo de saída a TRIAC apresentado na Figura 6 Nesse modelo o elemento acionador é um TRIAC que é empregado quando a fonte é de corrente alternada Além disso durante sua vida útil pode fornecer até 10x106 acionamentos com uma corrente de até 1 A Moraes 2015 Figura 6 Módulo de saída a TRIAC 18 Por fim temos o módulo de saída a transistor mostrado na Figura 7 Nesse modelo o elemento acionador é um transistor comum ou do tipo efeito de campo FET o módulo mais utilizado A recomendação é que esse método seja utilizado com fontes de corrente contínua Tem capacidade de fornecer correntes de até 1 A com até 10x106 acionamentos ao longo de sua vida útil Moraes 2015 Figura 7 Módulo de saída a transistor 422 Módulos de entrada Os módulos de entrada contam com optoisoladores em cada um de seus circuitos Somente para entendermos melhor o funcionamento dos módulos de entrada vamos entender o que é um optoisolador que pode ser definido como um dispositivo eletrônico utilizado na transmissão de sinais empregando a luz A Figura 8 traz uma representação de um módulo de entrada através da qual podemos observar que quando um sensor é acionado fechando o circuito externo um diodo emissor de luz aciona o componente de base forçando a circulação de corrente interna no circuito de entrada correspondente 19 Figura 8 Módulo de entrada a optoisolador Ao longo de sua vida útil pode fornecer até 10x106 acionamentos com corrente de até 100 mA Moraes 2015 43 Unidade central de processamento Conforme já discutimos a unidade central de processamento é formada pelo microprocessador Em termos gerais podemos considerála o cérebro do CLP Nela estão as memórias as quais discutiremos a seguir Segundo Moraes 2015 a UCP encarregase da execução do programa de instruções e da atualização da memória de dados e da memória imagem das entradas e saídas A seguir vamos abordar os tipos de memórias empregadas no CLP e suas respectivas funções 431 Memórias Como existem diferentes tipos de dados no CLP temos também diferentes tipos de memórias memória EPROM memória do usuário memória de dados e memória imagem das entradas e saídas A memória EPROM armazena o programa monitor desenvolvido pelo fabricante do CLP e responsável pela inicialização do equipamento armazenamento de dados e gerenciamento das operações Moraes 2015 Essa memória não é acessível ao usuário e é um tipo de memória não volátil A memória do usuário é responsável pelo armazenamento dos programas de instruções desenvolvidos pelo usuário A UCP é encarregada da execução 20 do programa de instruções e atualização da memória de dados internos e da memória imagem das entradas e saídas Já a memória de dados é a que armazena os dados referentes aos processamentos dos programas de instruções É formada por uma tabela de valores manipuláveis Moraes 2015 Por fim temos a memória imagem das entradas e saídas responsável pela reprodução do estado dos periféricos de entradas e saídas 44 Unidade de programação A unidade de programação é o periférico responsável pela interface de comunicação entre o usuário e o controlador durante o processo de programação deste Existem diferentes possibilidades para esse dispositivo como um computador ou um dispositivo portátil equipado com teclado e display Além disso segundo Moraes 2015 quando instalados esses periféricos permitem diagnósticos alterações online desenvolvimento de programas de instruções monitoração e gravação e aparamento de memória A escolha do dispositivo que será empregado dependerá da aplicação e das necessidades dos usuários TEMA 5 CLASSIFICAÇÃO DOS CLPS Conforme havia sido mencionado inicialmente nosso último tópico seria dedicado às possíveis classificações em que o CLP pode ser categorizado Assim como outros dispositivos destinados à automação de sistemas o CLP pode receber diferentes classificações de acordo com diferentes critérios Neste tema vamos discutir duas possíveis classificações uma relativa às possibilidades de estrutura do CLP e a outra ao tamanho desses dispositivos Para uma melhor compreensão das classificações vamos dividilas em dois tópicos o primeiro destinado à classificação quanto à estrutura e o segundo à classificação quanto ao tamanho 51 Classificação quanto à estrutura A classificação quanto à estrutura leva em consideração como estão arranjados os elementos que formam a arquitetura do CLP Basicamente existem duas possibilidades Uma delas é todos esses elementos virem dentro 21 de uma única estrutura ou seja uma única caixa A outra é quando temos cada elemento de sua estrutura em um módulo sendo necessário conectar todos esses módulos para formar o CLP Quando o CLP apresenta todos os elementos de sua estrutura em uma única caixa ele é considerado um CLP compacto Figura 9 Nesse modelo de CLP não existe a possibilidade de expansão Desse modo todas as especificações do modelo permanecerão sempre iguais não sendo possível agregar módulos A principal vantagem desse modelo é seu custo pois costumam ser CLPs pequenos e com menores custos Entretanto como esses modelos não permitem a expansão não é possível adicionar módulos de entrada e de saída ou melhorar a capacidade de processamento caso seja necessário Portanto embora apresente valores mais atrativos a especificação de CLPs compactos deve ser criteriosa quanto à análise de possíveis expansões no sistema Figura 9 Exemplo de CLP compacto Crédito AllahfotoShutterstock A outra possibilidade de estrutura para o CLP é a modular Nesse tipo de CLP cada módulo que se refere a um elemento de sua arquitetura possui uma função e é montado sobre uma base que chamamos de rack Após montar os 22 módulos no rack é necessário interligálos A Figura 10 mostra um exemplo de CLP modular em que podemos observar a existência dos módulos montados sobre uma base Figura 10 Exemplo de CLP modular Crédito emel82Shutterstock A grande vantagem desse tipo de CLP é a possibilidade de expansão o que era uma limitação no modelo discutido anteriormente Assim podemos adicionar módulos conforme as necessidades do sistema que o CLP atende por exemplo caso seja necessário aumentar a capacidade da memória ou de processamento Temos ainda a possibilidade de adicionar módulos de entradasaída aumentando a capacidade de conectar sensores eou atuadores Conforme já mencionado a adição ou remoção de módulos pode ocorrer no CLP modular sendo apenas necessário encaixar ou desencaixar o novo módulo na base que chamamos de rack e realizar conexões ou desconexões com os demais módulos A Figura 11 ilustra essa dinâmica de adiçãoremoção de módulos sendo possível verificar como ocorre esse processo 23 Figura 11 Exemplo de CLP modular 52 Classificação quanto ao tamanho É comum que o tamanho do CLP seja medido de acordo com o número de entradas e saídas que ele apresenta conforme abordado em Groover 2011 A Tabela 1 apresenta uma relação entre tamanho e quantidade de entradas e saídas ES Quanto mais ES maior será o CLP segundo essa classificação Os tamanhos começam com CLP nano que possui um número menor ou igual a 16 no que se refere à quantidade de ES indo até o tamanho grande que possui um número maior ou igual a 1024 ES A escolha do tamanho do CLP depende da aplicação na qual ele irá atuar como estudamos no tópico anterior Dessa forma é necessário avaliar quantas entradas e quantas saídas serão necessárias para atender às necessidades da aplicação Tabela 1 Classificação típica de CLPs quanto ao número de ES Tamanho do CLP Quantidade de ES CLP grande 1024 CLP médio 1024 CLP pequeno 256 CLP micro 32 CLP nano 16 Fonte Elaborado por Lara 2022 com base em Groover 2011 24 Além disso é importante pensar na expansão do sistema principalmente caso o modelo escolhido seja compacto pois conforme vimos esse modelo não permite que sejam agregados módulos adicionais de entrada eou saída Caso seja especificado com poucas ES é importante avaliar se existe a chance de esse sistema ser expandido no futuro ou até mesmo caso seja possível reaproveitar esse dispositivo em outro processo O custo do CLP cresce conforme seu tamanho ou seja quanto mais ES o modelo possuir maior tende a ser seu custo Por isso dimensionar e especificar corretamente esse dispositivo é indispensável para viabilizar os custos de implantação de sistemas automatizados empregando controladores lógicos programáveis FINALIZANDO Estamos concluindo esta etapa dedicada aos controladores lógicos programáveis na qual pudemos verificar o cenário em que esses dispositivos foram criados acompanhar como ocorreu sua evolução além de discutir sobre seu princípio de funcionamento verificando os métodos de processamento e os modos de operação No último tópico analisamos as possíveis classificações que esses dispositivos podem ter discutindo a respeito de sua classificação quanto à estrutura e quanto ao tamanho a primeira relacionada à disposição dos elementos que formam sua arquitetura e a segunda à quantidade de entradas e saídas que os modelos de CLP podem ter 25 REFERÊNCIAS CAMARGO V L A Elementos de automação São Paulo Érica 2014 GROOVER M Automação industrial e sistemas de manufatura 3 ed São Paulo Pearson Prentice Hall 2011 MORAES C C de Engenharia de automação industrial 2 ed Rio de Janeiro LTC 2015 ROSÁRIO J M Princípios de mecatrônica São Paulo Pearson Prentice Hall 2005 ZANCAN M D Controladores programáveis 3 ed Santa Maria Universidade Federal de Santa Maria Colégio Técnico Industrial de Santa Maria 2011
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CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS AULA 1 Profª Carla Eduarda Orlando de Moraes de Lara 2 CONVERSA INICIAL Neste estudo vamos abordar diversos assuntos relacionados a esses dispositivos tão versáteis e que podem ser aplicados em diferentes processos e indústrias Vamos começar falando sobre o histórico desses dispositivos suas definições e evolução Tópico 1 Em seguida abordaremos suas aplicações e discutiremos suas vantagens Tópico 2 No Tópico 3 analisaremos seu funcionamento e aprofundaremos o tema falando sobre métodos de processamento e modos de operação No Tópico 4 vamos nos dedicar à compreensão dos elementos que formam a estrutura interna do controlador lógico programável que chamamos de arquitetura Finalizaremos Tópico 5 verificando as possíveis classificações adotadas para esses dispositivos e analisando as implicações dessas classificações em sua especificação para as mais diversas aplicações TEMA 1 HISTÓRICO DEFINIÇÃO E EVOLUÇÃO Começaremos nossos estudos sobre o controlador lógico programável CLP entendendo o contexto histórico em que ele foi desenvolvido abordando suas definições e analisando seu processo de evolução Esses assuntos são relevantes para compreendermos as razões que levaram à criação de um dispositivo com as características do CLP que viria a se tornar um dos controladores mais utilizados na automação industrial Para compreendermos a criação dos controladores lógicos programáveis precisamos antes analisar as categorias da automação industrial pois por meio das particularidades de cada categoria podemos classificar os dispositivos Quando falamos em classificação da automação existem diferentes possibilidades porém aqui vamos adotar como critério de classificação o nível de flexibilidade dos sistemas Segundo Camargo 2014 a automação industrial pode ser classificada em fixa programável e flexível Além do grau de flexibilidade dos sistemas é comum analisarmos as categorias tendo em vista a variedade de produtos e a quantidade a ser produzida Assim na Figura 1 são apresentadas as relações entre esses elementos para as três categorias de automação industrial citadas 3 Analisando a Figura 1 podemos observar que quanto mais flexível o tipo de automação considerando que a flexibilidade cresce da automação fixa para a flexível menor é a quantidade produzida e maior a variedade de produtos Nesse cenário fica mais fácil compreender o processo de evolução dos sistemas automatizados Os primeiros sistemas automatizados desenvolvidos eram sistemas empregando automação fixa também chamada automação rígida ou cabeada Esses sistemas empregavam componentes eletromecânicos baseados em relés e contatores para o desenvolvimento de lógicas de funcionamento e controle dos processos Têm como vantagem os custos de implantação que são atrativos Entretanto quando analisados sob a questão de flexibilidade são praticamente inflexíveis quanto à reprogramação pois para alterações em sua lógica de funcionamento é necessário reconexão física de elementos É justamente nesse sentido que surge a necessidade da criação de tecnologias que permitam a reprogramação do sistema automatizado sem a necessidade de reconexão física Devido às situações mencionadas anteriormente surgiu a automação programável da qual podemos citar como exemplo de controlador empregado o CLP foco do nosso estudo Por fim temos a automação flexível que mistura elementos das outras categorias porém é o tipo mais ajustável a mudanças no processo Figura 1 Relação entre a quantidade produzida e a variedade de produtos conforme o tipo de automação Fonte Elaborada por Lara 2022 com base em Camargo 2014 4 Agora que compreendemos as categorias de automação vamos abordar o cenário em que surgiu o CLP e discutir suas definições e evolução 11 Histórico e definições O CLP também conhecido pela sigla de seu nome em inglês programmable logic controller PLC é um dispositivo físico eletrônico munido de memória interna com capacidade para armazenar sequências de instruções lógicas e outros comandos tendo como principal característica a possibilidade de reprogramação Rosário 2005 Conforme discutido por Rosário 2005 os primeiros modelos de CLP surgiram no ano de 1968 em virtude de uma necessidade de reprogramação dos processos industriais observada pela General Motors GM que foi responsável pela criação da primeira lista de especificações de um dispositivo que viria a se tornar o CLP Antes de discutirmos essas especificações precisamos entender como eram implementados os sistemas automatizados nessa época Como discutimos anteriormente os sistemas automatizados empregavam a automação fixa principalmente utilizando painéis eletromecânicos a relés portanto a reprogramação dos processos era trabalhosa pois requeria reconexão física e parada da produção gerando custos e diminuindo a produtividade Como a indústria automobilística estava aquecida a GM sentiu a necessidade de dispositivos que permitissem a reprogramação de uma forma facilitada sem a necessidade de parada de produção e que ocupassem espaços menores para otimização do espaço no chão de fábrica Portanto a empresa lançou uma lista de especificações para um controlador que viria a ser conhecido como CLP Entre essas especificações estavam as seguintes Moraes 2015 facilidade de programação e reprogramação manutenção facilitada empregando o conceito plugin alta confiabilidade dimensões reduzidas quando comparadas aos painéis a relés envio de dados para processamento centralizado preço e custo de implantação competitivos sinais de entrada e saída de 115 VCA expansão em módulos 5 Seguindo as especificações da GM a fabricante Gould Modicon lançou o primeiro dispositivo que futuramente viria a ser considerado o primeiro CLP da história que sofreu alterações ao longo dos anos principalmente por conta dos avanços tecnológicos que enfrentamos Essas alterações marcam a evolução do CLP que abordaremos a seguir Além disso é importante ressaltar que os modelos disponíveis atualmente possuem diversas funções adicionais à lista desenvolvida pela GM anteriormente o que possibilitou a utilização desse dispositivo nos mais diversos processos e tipos de indústrias Atualmente a utilização do CLP ultrapassou os limites da automação industrial e ele é empregado em outras categorias de automação como residencial e predial 12 Evolução Quando falamos em evolução do CLP precisamos ter em mente que ela ocorreu principalmente pela evolução dos elementos que o formam como os microprocessadores De acordo com Rosário 2005 em 1971 o CLP começou a ser empregado em outros tipos de indústrias além da automobilística e em 1975 foi introduzido o controlador proporcional integral derivativo PID o que possibilitou uma maior gama de aplicação do dispositivo Ainda segundo esse mesmo autor até 1977 o CLP era constituído apenas de componentes eletrônicos discretos posteriormente substituídos por microprocessadores amplamente aceitos na automação industrial É comum dividir a evolução do CLP em cinco gerações as quais estão relacionadas aos sistemas de programação desse dispositivo Como discutido por Zancan 2011 a evolução dos CLPs pode ser classificada como indicado a seguir 1ª geração Esta geração tem como principal característica o emprego de uma linguagem de programação que se relaciona diretamente com o hardware do CLP no caso a linguagem Assembly Isso implicava no conhecimento do projeto completo do CLP por parte do programador isto é além de conhecer e dominar a linguagem de programação Assembly o programador também precisava ter conhecimento dos componentes eletrônicos que formavam o modelo de CLP com o qual ele iria trabalhar 2ª geração A partir desta geração surgem as primeiras linguagens de programação específicas para o CLP porém a complexidade dessas 6 linguagens ainda era de nível médio Nesta geração era possível desenvolver programas de instruções nessas linguagens que posteriormente eram convertidos pelo próprio CLP em linguagem de máquina o que de certa forma simplificou sua programação 3ª geração O grande marco desta geração é a criação de entradas de programação ou seja foi possível conectar dispositivos para a programação do CLP como teclados e programadores portáteis A grande vantagem do uso desses dispositivos de programação era realizar alterações gravar e apagar programas de instruções implementados anteriormente e ainda realizar testes 4ª geração Nesta geração surge a comunicação serial ou seja empregandose uma entrada destinada a esse tipo de comunicação era possível a conexão com outros dispositivos como os microcomputadores Desse modo passou a existir a possibilidade de programação do CLP por meio de um computador realizandose em seguida a transferência para o CLP do programa de instruções desenvolvido pelo usuário 5ª geração A última geração faz uso de protocolos de comunicação permitindo assim a comunicação com outros equipamentos tornando a aplicação dos CLPs ainda mais versátil Além disso como os protocolos de comunicação são padronizados existe a possibilidade de comunicação de dispositivos de diferentes fabricantes desde que utilizem um mesmo protocolo Outra vantagem da utilização dos protocolos de comunicação é a comunicação do CLP com os sistemas supervisórios fundamentais para o monitoramento e a supervisão das plantas industriais Assim podemos concluir que com as evoluções e transformações do CLP ao longo dos anos foi possível aplicálo em diferentes processos tornando esse dispositivo um dos mais senão o mais utilizados nos sistemas de automação em geral TEMA 2 APLICAÇÕES E VANTAGENS Conforme vimos no tópico anterior o controlador lógico programável teve boa aceitação na indústria e é o controlador mais utilizado tanto nesse ambiente quanto em outros setores da automação Além disso discutimos sobre seu 7 processo de evolução que resultou em um dispositivo com diferentes capacidades e aplicações Neste tópico vamos abordar as principais categorias de aplicações do CLP diferenciandoas principalmente pelo tipo de controle que exercem sobre os sistemas Trataremos ainda das vantagens que o uso do CLP traz tanto para a automação dos sistemas quanto para os demais setores da planta como a gestão da produção e a gestão da manutenção Assim dividiremos nossos estudos trabalhando primeiramente os conceitos relacionados às aplicações do CLP e na sequência discutindo suas vantagens 21 Aplicações Devido à presença das diferentes funções agregadas ao CLP com o passar dos anos ele hoje pode atuar em qualquer tipo de sistema de controle pois é um dos controladores mais robustos disponíveis no mercado Nesse contexto começaremos nossa discussão verificando um diagrama que representa a posição do CLP em um sistema de controle em malha fechada apresentado na Figura 2 Analisando a Figura 2 podemos perceber que o CLP atua recebendo informações sobre o processo por meio dos sensores o que caracteriza um sistema realimentado pois é possível medir e averiguar os parâmetros do sistema após o envio de um comando aos atuadores Com o processamento dos dados oriundos dos sensores o CLP executa um programa de instruções desenvolvido pelo usuário com a intenção de executar as lógicas de comandos finalizando sua ação enviando comandos a respeito de ações a serem executadas pelos atuadores Assim como os demais sistemas de controle em malha fechada o objetivo é manter os parâmetros do processo dentro de um set point Sobre o processo de obtenção de sinais oriundos dos sensores e envio de comandos aos atuadores vamos discutilo com mais detalhes mais adiante nesta etapa 8 Figura 2 Fluxo de sinais em um sistema de controle Para entendermos as aplicações dos controladores lógicos programáveis vamos analisar os possíveis tipos de controle que podemos ter nas aplicações Para isso assumiremos a classificação abordada por Camargo 2014 que divide os tipos de controle em binário digital e analógico 211 Controle binário O controle binário ainda pode ser subdividido em controle lógico e controle sequencial O controle lógico emprega a lógica binária para realizar a operação sendo comum ser denominado controle combinacional ou discreto Mas afinal o que é uma variável discreta Primeiramente precisamos dizer que vamos abordar esse assunto com mais detalhe em conteúdo posterior entretanto podemos definir uma variável discreta como aquela que pode assumir apenas determinados valores Existe ainda um tipo particular de variáveis discretas que pode assumir apenas dois valores a que chamamos variável binária Assim qualquer um dos elementos de um sistema de controle binário lógico poderá assumir apenas dois estados que também serão complementares como por exemplo um sensor que pode ser ativadodesativado um motor que 9 pode serestar ligadodesligado um contato que pode ser abertofechado Camargo 2014 O controle binário também pode ser sequencial Nesse tipo as operações acontecem de forma sequencial uma depois da outra Nesses sistemas a saída é uma função dos sistemas presentes nas entradas e depende do estado atual A próxima etapa está condicionada à ocorrência de algumas condições da etapa anterior Camargo 2014 212 Controle digital O controle digital é comum nos sistemas modernos que fazem uso de processamento distribuído Podemos dizer que esses sistemas utilizam redes de comunicação industrial para a conexão de sensores controladores e atuadores permitindo assim a comunicação digital entre eles 213 Controle analógico O controle analógico pode até mesmo ser considerado uma capacidade adicional do CLP conforme discutido em Groover 2011 Ele é empregado para o controle de processos contínuos principalmente quando falamos de sistemas que têm como objetivo manter uma variável dentro de uma faixa de valores 22 Vantagens A respeito das vantagens do uso dos CLPs já discutimos algumas delas quando falamos das especificações definidas inicialmente pela GM porém agora vamos discutir outras vantagens inclusive as que foram agregadas com o tempo Quando falamos em vantagens desses dispositivos precisamos ter em mente que a maioria delas são vantagens quando tais dispositivos são comparados com os antigos painéis a relés que foram substituídos pelo CLP em aplicações que necessitavam do uso de automação programável A principal vantagem do CLP foi a flexibilização da produção embora existam atualmente outros dispositivos considerados mais flexíveis como os sistemas flexíveis de manufatura Voltando ao conceito de flexibilidade do CLP podemos considerar que eles são mais versáteis quanto à programação quando comparados aos painéis a relés pois permitem a reprogramação de processos sem a necessidade de reconexões físicas nos elementos 10 Outro critério que deve ser considerando na análise das vantagens dos CLPs é o espaço ocupado por estes equipamentos no chão de fábrica pois eles possuem dimensões reduzidas portanto otimizam a utilização do leiaute da instalação Além disso o CLP também consome menos energia elétrica devido às características de seus componentes Ainda sobre a reprogramação essa característica permite que um mesmo CLP possa ser reutilizado em outros processos após deixar de ser empregado no processo anterior Além disso essa reprogramação é facilitada pelos dispositivos de programação que permitem inclusive a realização de testes antes da transferência do programa de instruções para o dispositivo Por fim conforme discutimos no tópico referente à evolução do CLP a partir da quinta geração ocorreu a possibilidade de comunicação com outros equipamentos portanto a comunicação entre o CLP e outros dispositivos foi facilitada Quando avaliamos as possibilidades que a indústria 40 traz para as plantas industriais constatamos que essa possibilidade de comunicação é fundamental para o uso do CLP atualmente Além disso a gestão da manutenção teve seu trabalho otimizado com o emprego do CLP e a gestão da produção pode obter mais dados a respeito dos processos TEMA 3 FUNCIONAMENTO Neste tópico conversaremos a respeito do funcionamento do CLP que possui algumas particularidades principalmente quando consideramos os métodos de processamento e os modos de operação que veremos adiante Segundo Rosário 2005 o CLP possui como princípio de funcionamento fundamental a execução de um programa desenvolvido pelo fabricante que ocorre na sua central de processamento Esse programa tem uma rotina cíclica sequencial que consiste em leitura das variáveis de entrada por meio do módulo de entrada do CLP Em seguida ocorre a execução de um outro programa desenvolvido pelo usuário e denominado programa de instruções seguida da última etapa em que as variáveis de saída são atualizadas conforme os resultados das lógicas e operações realizadas na etapa anterior O processo cíclico descrito anteriormente é designado ciclo de varredura ou ciclo de scan que é ilustrado por meio do fluxograma apresentado na Figura 3 Esse ciclo pode ser dividido basicamente em três etapas de varreduras por isso o nome ciclo de varredura A primeira é a varredura das entradas Nessa 11 etapa o CLP realiza a verificação dos sinais que estão sendo recebidos em seu módulo de entrada a fim de constatar se ocorreu alguma alteração em relação ao ciclo anterior A próxima é a varredura do programa que consiste na execução do programa desenvolvido pelo usuário os valores de entrada armazenados na memória na etapa anterior são empregados em cálculos da lógica de controle com a intenção de determinaremse os valores e condições das saídas Finalmente na última etapa ocorre a varredura das saídas na qual são atualizados os valores das variáveis de saídas com base nos cálculos da etapa anterior Groover 2011 Figura 3 Funcionamento de um CLP O tempo de execução do ciclo das varreduras é denominado tempo de varredura e depende de vários fatores quantidade de entradas e saídas complexidade das lógicas contidas no programa de instruções e velocidade do clock do processador Normalmente a execução de cada ciclo de varredura é rápida o suficiente para identificar variáveis nas variáveis de entrada e interferir a tempo na atualização das saídas Entretanto dependendo do programa 12 desenvolvido pelo usuário e da velocidade do processo podem ocorrer alguns problemas quanto ao tempo de varredura o que todavia não costuma ser comum A seguir vamos discutir outros métodos de processamento destinados a condições específicas e diferentes do cenário em que ocorre a execução do ciclo de varredura Além disso também abordaremos os modos de operação relacionados com o modo de operação da unidade central do CLP 31 Métodos de processamento Além da rotina cíclica de processamento descrita anteriormente existem outros métodos de processamento que possibilitam ao CLP realizar o processamento do programa de instruções Esses métodos estão relacionados a condições em que é necessário processar o programa de instruções de maneiras diferentes a saber processamento por interrupção processamento comandado por tempo processamento por evento O processamento por interrupção acontece em situações nas quais ocorre alguma circunstância em que não se pode esperar a execução completa do ciclo de varredura sendo necessário parar esse ciclo e tratar a ocorrência Nesse caso a unidade central de processamento para a execução do ciclo de varredura salvando o ponto de parada desse ciclo e executa um outro programa denominado programa de interrupção que vai lidar com a anomalia Na sequência o ciclo de varredura é retomado do ponto em que foi interrompido É importante ressaltar que podem ser definidos diferentes programas de interrupção destinados às possíveis condições que podem ocorrer durante o processo Outra possibilidade de processamento é o comandado por tempo Nesse caso o princípio é semelhante ao processamento por interrupção porém as situações que envolvem o acionamento desse método estão relacionas com intervalos de tempo regulares Além dos métodos discutidos anteriormente temos o processamento por evento Esse método está condicionado à ocorrência de eventos específicos 13 que caso venham a ocorrer deverá ser acionado Alguns exemplos de eventos que podem ser tratados por esse método são problemas com o sistema de baterias retorno à operação após queda de energia elétrica estouro do tempo de execução do ciclo de varredura Conforme pudemos observar cada método de processamento é destinado a uma condição com a qual a execução do ciclo de varredura não é capaz de lidar 32 Modos de operação Os modos de operação estão associados com a operação da unidade central de processamento que pode assumir diferentes modos de operação baseados na situação em que o CLP se encontra Esses modos de operação são divididos em modo de programação modo run modo stop e modo reset A seguir examinaremos as características e funções de cada um desses modos verificando as condições em que cada um deles deve ser acionado 321 Modo de programação O modo de programação como o próprio nome sugere é destinado à programação do dispositivo Nesse modo é possível fazer a transferência de programas de instruções desenvolvidos pelo usuário na unidade de programação para o CLP assim como o download de programas que estejam armazenados no CLP Em termos gerais somente nesse modo é possível fazer o upload de programas implementados Entretanto existem modelos desenvolvidos recentemente que permitem a implementação online de alterações nos programas de instruções enquanto o CLP se encontra no modo run Todavia a literatura nos fala que o modo de programação é o destinado a tal função inclusive alguns modelos emitem avisos solicitando a alteração do modo de operação quando tentamos realizar uploaddownload de programas enquanto o CLP se encontra em outros modos 14 322 Modo run Quando o CLP se encontra no modo run ocorre a execução do programa de instruções com o emprego do método de processamento cíclico que discutimos anteriormente o ciclo de varredura Nesse caso todas as ações desenvolvidas pelo CLP estão condicionadas às lógicas contidas no programa de instruções que está ativo Assim após realizar o envio do programa de instruções é necessário trocar o modo de operação de programação para o modo run Nesse modo o CLP também pode se comunicar com outros dispositivos como outros CLPs e interfaces homemmáquina IHMs 323 Modo stop O modo stop é acionado quando é necessário parar o CLP que nesse modo se encontra literalmente parado Esse modo é indicado para situações em que se deseja verificar as condições das entradas do CLP permitindo que sejam detectados possíveis problemas com o módulo Além disso nesse modo não ocorre a atualização das saídas Não é possível realizar o uploaddownload de programas nem executar programas que estejam armazenados em sua memória 324 Modo reset Além dos modos já explicados pode ser necessário ativar o modo reset Nesse modo ocorre a restauração das condições originais de fábrica do controlador Quando esse modo é acionado todas as ações definidas pelo usuário ou por programas de instruções desenvolvidos por ele são resetadas e o CLP passa a assumir as condições definidas pelo fabricante TEMA 4 ESTRUTURA INTERNA DE UM CLP Agora que já discutimos as aplicações vantagens e funcionamento do CLP vamos aprofundar nossos conhecimentos sobre sua estrutura interna Portanto neste tópico apresentaremos os elementos que compõem o CLP Segundo Groover 2011 um CLP é formado por alguns elementos básicos microprocessador unidade de memória módulo ES e dispositivo de 15 programação O microprocessador é a unidade central de processamento UCP ou como é conhecido CPU central processing unit O conjunto formado pelos elementos internos do CLP é comumente denominado arquitetura do CLP A Figura 4 ilustra essa arquitetura relacionando os componentes entre si Figura 4 Arquitetura do CLP Fonte Elaborado por Lara 2022 com base em Moraes 2015 Como cada elemento da arquitetura é fundamental para o funcionamento do CLP dividimos nossos estudos em tópicos nos quais serão abordados cada um dos elementos A seguir encontraremos detalhes das funções de cada componente da arquitetura do CLP 41 Fonte de alimentação A fonte de alimentação é responsável por fornecer energia elétrica à UCP e aos módulos de entrada e saída Além disso ela é responsável por realizar a conversão da alimentação de corrente alternada proveniente da rede que alimenta o CLP para corrente contínua em níveis de tensão adequados para a alimentação dos componentes 16 Ademais existe também um sistema de baterias responsável pela alimentação de sistemas vitais como as memórias Esse sistema pode ser acionado caso ocorra uma falta de energia na rede ou quando o CLP é desligado Segundo Moraes 2015 as fontes podem ser divididas em source fonte de energia interna ao controlador sink fonte de energia externa ao controlador Ainda sobre o nível de tensão normalmente um CLP costuma ser acionado por uma fonte de alimentação de 115 VAC sendo necessário converter essa tensão para 5 VCC Essas tensões são utilizadas para acionar equipamentos cuja tensão e potência podem ser até mesmo superiores às do CLP Groover 2011 42 Módulos de entradasaída Quando falamos dos módulos de entradasaída estamos nos referindo aos componentes que realizam o interfaceamento do CLP com os demais dispositivos conectados a ele Todo módulo de entradasaída pode ser dividido em duas funções entrada e saída A entrada será utilizada para a comunicação com os diversos tipos de sensores que podem ser empregados nos processos industriais como chaves fim de curso interruptores e botoeiras Existem ainda alguns CLPs que contam com entradas analógicas sendo possível receber sinais oriundos de sensores analógicos como sensores de temperatura Já a parte de saída é responsável pela comunicação com os atuadores os quais são conectados às saídas do CLP O módulo de saída é responsável por enviar comandos de ligadodesligado a motores válvulas e outros tipos de dispositivos empregados na atuação dos processos Groover 2011 Na sequência estudaremos cada tipo de módulo e observaremos suas possíveis configurações 421 Módulos de saída Quanto aos detalhes dos módulos de saída vamos abordar os três principais modelos os quais segundo Moraes 2015 são classificados de acordo com seus métodos de acionamento e dividemse em saída a relé saída a TRIAC e saída a transistor 17 A Figura 5 traz uma representação do módulo de saída a relé sendo possível observar que o atuador será acionado quando o contato do solenoide for fechado Nesse tipo de configuração quando o endereço da respectiva saída é ativado ocorre o acionamento do solenoide fechando assim o contato no borne de saída do controlador Moraes 2015 A principal vantagem desse tipo de módulo é a robustez uma vez que ele é muito resistente a diferentes anomalias na rede Porém segundo Moraes 2015 sua desvantagem está na baixa vida útil quando comparado aos demais módulos tendo um número de acionamentos limitados entre 150000 e 300000 com corrente de até 5 A Figura 5 Módulo de saída a relé Outra possibilidade para acionamento de saídas é o módulo de saída a TRIAC apresentado na Figura 6 Nesse modelo o elemento acionador é um TRIAC que é empregado quando a fonte é de corrente alternada Além disso durante sua vida útil pode fornecer até 10x106 acionamentos com uma corrente de até 1 A Moraes 2015 Figura 6 Módulo de saída a TRIAC 18 Por fim temos o módulo de saída a transistor mostrado na Figura 7 Nesse modelo o elemento acionador é um transistor comum ou do tipo efeito de campo FET o módulo mais utilizado A recomendação é que esse método seja utilizado com fontes de corrente contínua Tem capacidade de fornecer correntes de até 1 A com até 10x106 acionamentos ao longo de sua vida útil Moraes 2015 Figura 7 Módulo de saída a transistor 422 Módulos de entrada Os módulos de entrada contam com optoisoladores em cada um de seus circuitos Somente para entendermos melhor o funcionamento dos módulos de entrada vamos entender o que é um optoisolador que pode ser definido como um dispositivo eletrônico utilizado na transmissão de sinais empregando a luz A Figura 8 traz uma representação de um módulo de entrada através da qual podemos observar que quando um sensor é acionado fechando o circuito externo um diodo emissor de luz aciona o componente de base forçando a circulação de corrente interna no circuito de entrada correspondente 19 Figura 8 Módulo de entrada a optoisolador Ao longo de sua vida útil pode fornecer até 10x106 acionamentos com corrente de até 100 mA Moraes 2015 43 Unidade central de processamento Conforme já discutimos a unidade central de processamento é formada pelo microprocessador Em termos gerais podemos considerála o cérebro do CLP Nela estão as memórias as quais discutiremos a seguir Segundo Moraes 2015 a UCP encarregase da execução do programa de instruções e da atualização da memória de dados e da memória imagem das entradas e saídas A seguir vamos abordar os tipos de memórias empregadas no CLP e suas respectivas funções 431 Memórias Como existem diferentes tipos de dados no CLP temos também diferentes tipos de memórias memória EPROM memória do usuário memória de dados e memória imagem das entradas e saídas A memória EPROM armazena o programa monitor desenvolvido pelo fabricante do CLP e responsável pela inicialização do equipamento armazenamento de dados e gerenciamento das operações Moraes 2015 Essa memória não é acessível ao usuário e é um tipo de memória não volátil A memória do usuário é responsável pelo armazenamento dos programas de instruções desenvolvidos pelo usuário A UCP é encarregada da execução 20 do programa de instruções e atualização da memória de dados internos e da memória imagem das entradas e saídas Já a memória de dados é a que armazena os dados referentes aos processamentos dos programas de instruções É formada por uma tabela de valores manipuláveis Moraes 2015 Por fim temos a memória imagem das entradas e saídas responsável pela reprodução do estado dos periféricos de entradas e saídas 44 Unidade de programação A unidade de programação é o periférico responsável pela interface de comunicação entre o usuário e o controlador durante o processo de programação deste Existem diferentes possibilidades para esse dispositivo como um computador ou um dispositivo portátil equipado com teclado e display Além disso segundo Moraes 2015 quando instalados esses periféricos permitem diagnósticos alterações online desenvolvimento de programas de instruções monitoração e gravação e aparamento de memória A escolha do dispositivo que será empregado dependerá da aplicação e das necessidades dos usuários TEMA 5 CLASSIFICAÇÃO DOS CLPS Conforme havia sido mencionado inicialmente nosso último tópico seria dedicado às possíveis classificações em que o CLP pode ser categorizado Assim como outros dispositivos destinados à automação de sistemas o CLP pode receber diferentes classificações de acordo com diferentes critérios Neste tema vamos discutir duas possíveis classificações uma relativa às possibilidades de estrutura do CLP e a outra ao tamanho desses dispositivos Para uma melhor compreensão das classificações vamos dividilas em dois tópicos o primeiro destinado à classificação quanto à estrutura e o segundo à classificação quanto ao tamanho 51 Classificação quanto à estrutura A classificação quanto à estrutura leva em consideração como estão arranjados os elementos que formam a arquitetura do CLP Basicamente existem duas possibilidades Uma delas é todos esses elementos virem dentro 21 de uma única estrutura ou seja uma única caixa A outra é quando temos cada elemento de sua estrutura em um módulo sendo necessário conectar todos esses módulos para formar o CLP Quando o CLP apresenta todos os elementos de sua estrutura em uma única caixa ele é considerado um CLP compacto Figura 9 Nesse modelo de CLP não existe a possibilidade de expansão Desse modo todas as especificações do modelo permanecerão sempre iguais não sendo possível agregar módulos A principal vantagem desse modelo é seu custo pois costumam ser CLPs pequenos e com menores custos Entretanto como esses modelos não permitem a expansão não é possível adicionar módulos de entrada e de saída ou melhorar a capacidade de processamento caso seja necessário Portanto embora apresente valores mais atrativos a especificação de CLPs compactos deve ser criteriosa quanto à análise de possíveis expansões no sistema Figura 9 Exemplo de CLP compacto Crédito AllahfotoShutterstock A outra possibilidade de estrutura para o CLP é a modular Nesse tipo de CLP cada módulo que se refere a um elemento de sua arquitetura possui uma função e é montado sobre uma base que chamamos de rack Após montar os 22 módulos no rack é necessário interligálos A Figura 10 mostra um exemplo de CLP modular em que podemos observar a existência dos módulos montados sobre uma base Figura 10 Exemplo de CLP modular Crédito emel82Shutterstock A grande vantagem desse tipo de CLP é a possibilidade de expansão o que era uma limitação no modelo discutido anteriormente Assim podemos adicionar módulos conforme as necessidades do sistema que o CLP atende por exemplo caso seja necessário aumentar a capacidade da memória ou de processamento Temos ainda a possibilidade de adicionar módulos de entradasaída aumentando a capacidade de conectar sensores eou atuadores Conforme já mencionado a adição ou remoção de módulos pode ocorrer no CLP modular sendo apenas necessário encaixar ou desencaixar o novo módulo na base que chamamos de rack e realizar conexões ou desconexões com os demais módulos A Figura 11 ilustra essa dinâmica de adiçãoremoção de módulos sendo possível verificar como ocorre esse processo 23 Figura 11 Exemplo de CLP modular 52 Classificação quanto ao tamanho É comum que o tamanho do CLP seja medido de acordo com o número de entradas e saídas que ele apresenta conforme abordado em Groover 2011 A Tabela 1 apresenta uma relação entre tamanho e quantidade de entradas e saídas ES Quanto mais ES maior será o CLP segundo essa classificação Os tamanhos começam com CLP nano que possui um número menor ou igual a 16 no que se refere à quantidade de ES indo até o tamanho grande que possui um número maior ou igual a 1024 ES A escolha do tamanho do CLP depende da aplicação na qual ele irá atuar como estudamos no tópico anterior Dessa forma é necessário avaliar quantas entradas e quantas saídas serão necessárias para atender às necessidades da aplicação Tabela 1 Classificação típica de CLPs quanto ao número de ES Tamanho do CLP Quantidade de ES CLP grande 1024 CLP médio 1024 CLP pequeno 256 CLP micro 32 CLP nano 16 Fonte Elaborado por Lara 2022 com base em Groover 2011 24 Além disso é importante pensar na expansão do sistema principalmente caso o modelo escolhido seja compacto pois conforme vimos esse modelo não permite que sejam agregados módulos adicionais de entrada eou saída Caso seja especificado com poucas ES é importante avaliar se existe a chance de esse sistema ser expandido no futuro ou até mesmo caso seja possível reaproveitar esse dispositivo em outro processo O custo do CLP cresce conforme seu tamanho ou seja quanto mais ES o modelo possuir maior tende a ser seu custo Por isso dimensionar e especificar corretamente esse dispositivo é indispensável para viabilizar os custos de implantação de sistemas automatizados empregando controladores lógicos programáveis FINALIZANDO Estamos concluindo esta etapa dedicada aos controladores lógicos programáveis na qual pudemos verificar o cenário em que esses dispositivos foram criados acompanhar como ocorreu sua evolução além de discutir sobre seu princípio de funcionamento verificando os métodos de processamento e os modos de operação No último tópico analisamos as possíveis classificações que esses dispositivos podem ter discutindo a respeito de sua classificação quanto à estrutura e quanto ao tamanho a primeira relacionada à disposição dos elementos que formam sua arquitetura e a segunda à quantidade de entradas e saídas que os modelos de CLP podem ter 25 REFERÊNCIAS CAMARGO V L A Elementos de automação São Paulo Érica 2014 GROOVER M Automação industrial e sistemas de manufatura 3 ed São Paulo Pearson Prentice Hall 2011 MORAES C C de Engenharia de automação industrial 2 ed Rio de Janeiro LTC 2015 ROSÁRIO J M Princípios de mecatrônica São Paulo Pearson Prentice Hall 2005 ZANCAN M D Controladores programáveis 3 ed Santa Maria Universidade Federal de Santa Maria Colégio Técnico Industrial de Santa Maria 2011