Controlador lógico programável

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Controlador Lógico Programável (CLP) ou do inglês PLC (Programmable Logic Controller) é um dos controladores mais utilizados na indústria. Conceitualmente, CLP é um equipamento projetado para comandar e monitorar máquinas ou processos industriais.Mais a fundo, é um computador especializado, baseado em um microprocessador que desempenha funções de controle através de softwares desenvolvidos pelo usuário (cada CLP tem seu próprio software)PB. É amplamente utilizado na indústria para o controlePE de diversos tipos e níveis de complexidade. Deve possuir um processador com software de controle e hardware que suporte operação em ambientes industriais. Este software, que é  específico para automação e controle, possui um sistema operacional de tempo real, algo indispensável para controle de processos de alto risco como os que se encontram nas indústrias. Já o Hardware deve suportar as condições extremas de trocas temperatura, umidade, pressão entre outras situações as quais um computador padrão não suportaria.

Geralmente as famílias de Controladores Lógicos Programáveis são definidas pela capacidade de processamento pelo número de pontos de Entradas e/ou Saídas (E/S). Também são classificados em compactos, nos quais todos os pontos de entrada e saída estão juntos em uma mesma unidade, e modulares onde os pontos de entrada e saída podem ser conectados e desconectados para alterar a estrutura e controlar outro processo. Além deste tipo de classificação, também podemos dividir os CLP’s em relação ao tipo de controle entre outras categorias. 

Controlador Lógico Programável segundo a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), é um equipamento eletrônico digital com hardware e software compatíveis com aplicações industriais. Segundo a NEMA (National Electrical Manufacturers Association), é um aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para armazenar internamente instruções e para implementar funções específicas, tais como lógica, sequenciamento, temporização, contagem e aritmética, controlando, por meio de módulos de entradas e saídas, vários tipos de máquinas ou processos.

Um CLP é o controlador indicado para lidar com sistemas caracterizados por eventos discretos (SEDs), ou seja, com processos em que as variáveis assumem valores zero ou um (ou variáveis ditas digitais, ou seja, que só assumem valores dentro de um conjunto finito). Podem ainda lidar com variáveis analógicas definidas por intervalos de valores de corrente ou tensão elétrica. As entradas e/ou saídas digitais são os elementos discretos, as entradas e/ou saídas analógicas são os elementos variáveis entre valores conhecidos de tensão ou corrente.

Os CLP's estão muito difundidos nas áreas de controle de processos e de automação industrial. No primeiro caso a aplicação se dá nas indústrias do tipo contínuo, produtoras de líquidos, materiais gasosos e outros produtos, no outro caso a aplicação se dá nas áreas relacionadas com a produção em linhas de montagem, por exemplo na indústria do automóvel.Num sistema típico, toda a informação dos sensores é concentrada no controlador (CLP) que de acordo com o programa em memória define o estado dos pontos de saída conectados a atuadores.

Os CLPs têm capacidade de comunicação de dados via canais seriais. Com isto podem ser supervisionados por computadores formando sistemas de controle integrados. Softwares de supervisão controlam redes de Controladores Lógicos Programáveis. Tem canais de comunicação nos que permitem conectar os CLP's à interface de operação (IHM), computadores, outros CLP´s e até mesmo com unidades de entradas e saídas remotas. Cada fabricante estabelece um protocolo para fazer com seus equipamentos troquem informações entre si. Os protocolos mais comuns são Modbus (Modicon - Schneider Eletric), EtherCAT (Beckhoff), Profibus (Siemens), Unitelway (Telemecanique - Schneider Eletric), DeviceNet (Allen Bradley) e RAPIEnet (LSis - LGis), entre muitos outros.

Redes de campo abertas como MODBUS-RTU são de uso muito comum com CLPs permitindo aplicações complexas na indústria automobilística, siderúrgica, de papel e celulose, e outras.

História[editar | editar código-fonte]

Os Controladores Lógicos Programáveis (CLP’s) foram desenvolvidos na década de 60, nos Estados Unidos, com a finalidade de substituir painéis de relés[1] que eram muito utilizados nas indústrias automobilísticas para executar controles baseados em lógicas combinacional e sequencial. Por serem eletromecânicos, os relés que eram utilizados nos dispositivos de controle apresentavam diversas desvantagens como problemas nos contatos, desgastes devido ao contato repetitivo, dificuldade na modificação da lógica de controle e necessidade de manutenções periódicas.

A GM (General Motors), montadora americana de automóveis,  tinha dificuldade em atualizar seus sistemas automáticos de montagem, pois sempre que mudava um modelo de automóvel ou método de produção, os técnicos passavam horas e até mesmo semanas fazendo alterações em painéis de controle, mudando fiação e instalando mais relés, algo que  trazia à empresa grande ociosidade e baixa produtividade. Diante desses e outros inconvenientes, e com a evolução dos processadores, a GM desenvolveu o primeiro projeto de  CLP para automatizar de forma eficiente os processos em sua linha de montagem.

A partir deste momento, várias outras indústrias adotaram CLP’s em suas linhas de produção e nos anos seguintes, com a aceleração de tecnologias eletrônicas os controladores lógicos programáveis foram cada vez mais difundidos.

A idéia inicial do CLP foi de um equipamento com seguintes características resumidas:

  • 1. Facilidade de programação;
  • 2. Facilidade de manutenção com conceito plug-in;
  • 3. Alta confiabilidade;
  • 4. Dimensões menores que painéis de Relés, para redução de custo
  • 5. Preço competitivo;
  • 6. Expansão em módulos;
  • 7. Mínimo de 4000 palavras na memória.

Podemos didaticamente dividir os CLP's historicamente de acordo com o sistema de programação por ele utilizado:

  • 1ª Geração: Os CLP's de primeira geração se caracterizam pela programação intimamente ligada ao hardware do equipamento. A linguagem utilizada era o Assembly que variava de acordo com o processador utilizado no projeto do CLP, ou seja, para poder programar era necessário conhecer a eletrônica do projeto do CLP. Assim a tarefa de programação era desenvolvida por uma equipe técnica altamente qualificada, gravando-se o programa em memória EPROM, sendo realizada normalmente no laboratório junto com a construção do CLP.
  • 2ª Geração: Aparecem as primeiras “Linguagens de Programação” não tão dependentes do hardware do equipamento, possíveis pela inclusão de um “Programa Monitor “ no CLP, o qual converte (no jargão técnico, “compila”), as instruções do programa, verifica o estado das entradas, compara com as instruções do programa do usuário e altera o estados das saídas. Os Terminais de Programação (ou maletas, como eram conhecidas) eram na verdade Programadores de Memória EPROM. As memórias depois de programadas eram colocadas no CLP para que o programa do usuário fosse executado.
  • 3ª Geração: Os CLP's passam a ter uma Entrada de Programação, onde um Teclado ou Programador Portátil é conectado, podendo alterar, apagar, gravar o programa do usuário, além de realizar testes (Debug) no equipamento e no programa. A estrutura física também sofre alterações sendo a tendência para os Sistemas Modulares com Bastidores ou Racks.
  • 4ª Geração: Com a popularização e a diminuição dos preços dos microcomputadores (normalmente clones do IBM PC), os CLP's passaram a incluir uma entrada para a comunicação serial. Com o auxílio dos microcomputadores a tarefa de programação passou a ser realizada nestes. As vantagens eram a utilização de várias representações das linguagens, possibilidade de simulações e testes, treinamento e ajuda por parte do software de programação, possibilidade de armazenamento de vários programas no micro, etc.
  • 5ª Geração: Atualmente existe uma preocupação em padronizar protocolos de comunicação para os CLP's, de modo a proporcionar que o equipamento de um fabricante “converse” com o equipamento outro fabricante, não só CLP's, como Controladores de Processos, Sistemas Supervisórios, Redes Internas de Comunicação e etc., proporcionando uma integração a fim de facilitar a automação, gerenciamento e desenvolvimento de plantas industriais mais flexíveis e normalizadas, fruto da chamada Globalização. Existem Fundações Mundiais para o estabelecimento de normas e protocolos de comunicação. A grande dificuldade tem sido uma padronização por parte dos fabricantes.

Com o avanço da tecnologia e consolidação da aplicação dos CLPs no controle de sistemas automatizados, é frequente o desenvolvimento de novos recursos dos mesmos.Com os CLP's temos um aumento na praticidade de processos industriais, não mais necessitando de relés eletromagnéticos, com isso aumentando a velocidade e produtividade de processos industriais.

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Vantagens[editar | editar código-fonte]

Dentre as vantagens de um Controlador Lógico Programável podemos citar:

  • Redução do custo: em razão do grande número de relés e da necessidade de manutenção os CLP’s tornam-se uma opção mais viável. 
  • Imunidade a ruídos eletromagnéticos: o CLP conta com um sistema de isolamento contra ruídos elétricos.
  • Facilmente configurável: com racks modulares,  é possível trocar módulos de entrada e saída de acordo com uma necessidade específica.
  • Facilmente programável: as linguagens utilizadas (Ladder e Blocos de Funções[1], por exemplo) são de fácil aprendizagem e utilização facilitando  a construção da lógica de controle.  Além dessa facilidade, as linguagens permitem a realização de operações mais complexas que as feitas através de relés.
  • Grande flexibilidade: em razão das linguagens utilizadas torna-se mais simples modificar a lógica do processo.
  • Maior controle: por ser um equipamento microprocessado, traz ao usuário a facilidade de interação com o hardware via software, assim se torna muito prática e fácil a localização de falhas.
  • Monitoramento on-line: podemos ter vários controladores conectados mantendo uma comunicação, e através dessa conexão podemos monitorar em tempo real os processos.
  • Manutenção simples: muitas vezes o próprio CLP indica a existência de erros, como ausência de um sinal de entrada, por exemplo.
  • Recursos para processamento em tempo real e multitarefa: o controle em tempo real permite uma exatidão muito maior na execução das tarefas.

Especificações[editar | editar código-fonte]

Ciclo de Varredura[editar | editar código-fonte]

Durante o seu funcionamento o PLC realiza uma sequência de operações denominada de ciclo de varredura. O tempo que o CLP leva para completar um ciclo denomina-se Tempo de Varredura ou Scan Time, os fabricantes em geral fornecem o tempo de varredura para executar 1024 (1K) instruções de lógica booleana[1]. Todas as tarefas realizadas pelo processador são executadas de forma sequencial e cíclica enquanto estiver sendo alimentado.

Inicialização[editar | editar código-fonte]

No momento em que é ligado o CLP executa uma série de operações pré – programadas: verifica o funcionamento eletrônico da CPU, memórias e circuitos auxiliares; Verifica o estado das chaves principais ( RUN / STOP /PROG) e verifica a existência de um programa de usuário.

Verificação do Estado das Entradas[editar | editar código-fonte]

O CLP lê os estados de cada uma das entradas, verifica seus respectivos acionamentos e atualiza seus estados.

Programa[editar | editar código-fonte]

O CLP armazena os resultados obtidos no decorrer do processamento e compara  com as instruções definidas no programa do usuário.

Atualizar o Estado das Saídas[editar | editar código-fonte]

O CLP escreve o valor contido na memória nas  saídas, atualizando as interfaces ou módulos de saída, ou seja, liga ou desliga as saídas conforme seu programa. Inicia - se então, um novo ciclo de varredura. 

Componentes de um CLP[editar | editar código-fonte]

CPU[editar | editar código-fonte]

A unidade central de processamento é o cérebro do CLP, tem a função de ler os valores lógicos presentes nas entradas, executar as instruções que constituem o programa e transferir para as saídas as ordens provenientes dessas instruções. É formada por duas partes fundamentais: o(s) processador(es) e as memórias. Pode conter também outros elementos, como portas de comunicação, circuitos de diagnóstico, fontes de alimentação.

Fonte de Alimentação[editar | editar código-fonte]

Tem por função fornecer as tensões adequadas ao funcionamento do CPU (geralmente ligada aos 220 V da rede). Normalmente as fontes são projetadas para fornecer várias tensões de alimentação para os módulos. O processador normalmente necessita de uma alimentação de 5 V. Cartões de entradas e saídas digitais precisam de alimentação auxiliar para os elementos de chaveamento e conversão. 

Processador[editar | editar código-fonte]

O processador possui como tarefa principal a execução do programa realizado pelo usuário, entretanto possui também outras tarefas, como o gerenciamento da comunicação e execução dos programas de auto-diagnósticos. Para poder realizar todas estas tarefas, o processador necessita de um programa escrito pelo fabricante, denominado sistema operacional. Este programa não é acessível pelo usuário e se encontra gravado na memória não volátil que faz parte da CPU. Existem atualmente CLP’s que utilizam mais de um processador, conseguindo assim, dividir tarefas e com isso ganhar maior velocidade de processamento e facilidade de programação.

Memória[editar | editar código-fonte]

O sistema operacional, o programa de aplicação, as tabelas de entradas e saídas e os registros internos estão associados a diferentes tipos de memória. A capacidade de armazenamento de uma memória costuma ser quantificada em bits, bytes, ou words. O sistema operacional é gravado pelo fabricante, e como deve permanecer inalterado e o usuário não deve ter acesso, armazena-se em uma memória como as ROM, EPROM ou EEPROM, que são memórias cujo conteúdo permanece inalterável mesmo na ausência de alimentação. O programa construído pelo usuário deve permanecer estável durante o funcionamento do equipamento e também deve ser fácil de ler, escrever ou apagar. Por isso é que para seu armazenamento usam-se memórias tipo RAM ou EEPROM. No caso de serem usadas memórias tipo RAM, será necessário também o uso de baterias, já que este tipo de memória se apaga na ausência de alimentação. Como a velocidade exerce um papel importante na velocidade de operação do CLP, são utilizadas memórias tipo RAM. Em síntese, a memória é responsável pelo armazenamento de todas as informações necessárias ao funcionamento do CLP.

Módulo de Entradas [editar | editar código-fonte]

As entradas são os meios de comunicação do CLP com o processo a ser controlado. São as interfaces que permitem ao PLC receber informações sobre o processo, é onde entram os sinais de um termostato, chaves fim-de-curso, botoeiras, medidores de pressão, vazão, e todos os tipos de dispositivos usados para monitorar o processo e fornecer um retorno de informação ao CLP. As entradas podem ser digitais ou analógicas e ainda podem ser intenas ou externas. As entradas externas são aquelas por onde entrará o sinal enviado por um sensor ao PLC e as internas são aquelas que recebem sinal de outro, como por exemplo, o contato de um temporizador utilizado para ligar outro componente interno ou uma saída externa.

Módulo de Saídas[editar | editar código-fonte]

As saídas são os caminhos pelos quais a CPU envia uma informação ao processo, resultado do processamento do programa do usuário. São as interfaces através das quais o PLC pode alimentar uma carga. Assim como as entradas, as saídas também podem ser digitais ou analógicas. As saídas, assim como as entradas, podem ser externas ou internas. As saídas externas são aquelas por onde se comanda um motor, por exemplo. Isto é, o controlador irá enviar um sinal elétrico para um componente externo a ele, enquanto que uma saída interna pode ser a bobina de um temporizador interno. 

Dispositivo de Programação[editar | editar código-fonte]

É o dispositivo através do qual o programa é inserido  na memória do processador, são bastante utilizados para manutenção de CLP’s em campo. Apesar disto os computadores pessoais são os dispositivos de programação mais utilizados devido ao monitor do computador ser capaz de mostrar na tela mais lógicas que os dispositivos compactos, facilitando a visualização.