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Introdução ao CLP Controlador lógico Programável



Introdução ao CLP
Introdução ao CLP


  História do Controlador Lógico Programável ( C.L.P. ) Em 1968 para a automatização da indústria automobilística americana, principalmente para reduzir os custos quando era necessário alterar a linha de montagem. Com a automação via clp ficou bastante pratico, evitando assim ter que modificar os paineis de comando. Tais mudanças sob a liderança de um engenheiro, foi preparada uma especificação que refletia as necessidades de muitos usuários de circuitos à reles, não só da indústria automobilística, mas da indústria como um todo. Nascia então, um equipamento bastante versátil com linguagem ladder e de fácil utilização, e vem se aprimorando constantemente no mercado mundial. Inicialmente a linguagem de programação era em Assembly e necessitava de uma equipe altamente qualificada para programar e posteriormente gravar em memorias eprom que eram colocadas no clp para que o programa fosse executado.Após a popularização dos desktop os clps passaram a ter comunicação serial que facilitou muito por surgir diversos softwres de programação que permitia realizar diverso testes.

Principios de funcionamento - diagrama em blocos



 
diagrama em blocos do CLP
 Inicialização: No momento em que é ligado o CLP executa uma série de operações pré - programadas, gravadas em seu Programa Monitor : - Verifica o funcionamento eletrônico da C.P.U. , memórias e circuitos auxiliares; - Verifica a configuração interna e compara com os circuitos instalados; - Verifica o estado das chaves principais ( RUN / STOP , PROG, etc. ); - Desativa todas as saídas; - Verifica a existência de um programa de usuário; - Emite um aviso de erro caso algum dos itens acima falhe.
 Estado das entradas: O CLP lê o estados de cada uma das entradas, verificando se alguma foi acionada. O processo de leitura recebe o nome de Ciclo de Varredura ( Scan ) e normalmente é de alguns micro - segundos ( scan time ).
Transferir para a memoria: Após o Ciclo de Varredura, o CLP armazena os resultados obtidos em uma região de memória chamada de Memória Imagem das Entradas e Saídas. Ela recebe este nome por ser um espelho do estado das entradas e saídas. Esta memória será consultada pelo CLP no decorrer do processamento do programa do usuário.
Comparar com o programa do usuario: O CLP ao executar o programa do usuário , após consultar a Memória Imagem das Entradas , atualiza o estado da Memória Imagem das Saídas, de acordo com as instruções definidas pelo usuário em seu programa.
Atualizar o estado das saidas: O CLP escreve o valor contido na Memória das Saídas , atualizando as interfaces ou módulos de saída. Inicia - se então, um novo ciclo de varredura.

ESTRUTURA INTERNA DO C.L.P.



O C.L.P. é um sistema microprocessado , ou seja, constituí - se de um microprocessador ( ou microcontrolador ), um Programa Monitor , uma Memória de Programa , uma Memória de Dados, uma ou mais Interfaces de Entrada, uma ou mais Interfaces de Saída e Circuitos Auxiliares.
Estrutura do controlador logico progamavel


Descrição dos Principais Itens:


Fonte de alimentação
A Fonte de Alimentação tem normalmente as seguintes funções básicas : - Converter a tensão da rede elétrica ( 110 ou 220 VCA ) para a tensão de alimentação dos circuitos eletrônicos , ( + 5VCC para o microprocessador , memórias e circuitos auxiliares e +/- 12 VCC para a comunicação com o programador ou computador ); - Manter a carga da bateria, nos sistemas que utilizam relógio em tempo real e Memória do tipo R.A.M.; - Fornecer tensão para alimentação das entradas e saídas ( 12 ou 24 VCC ).
Unidade de Processamento
Também chamada de C.P.U. é responsável pela funcionamento lógico de todos os circuitos. Nos CLPs modulares a CPU está em uma placa ( ou módulo ) separada das demais, podendo - se achar combinações de CPU e Fonte de Alimentação. Nos CLPs de menor porte a CPU e os demais circuitos estão todos em único módulo. As características mais comuns são : - Microprocessadores ou Microcontroladores de 8 ou 16 bits ( INTEL 80xx, MOTOROLA 68xx, ZILOG Z80xx, PIC 16xx ); - Endereçamento de memória de até 1 Mega Byte; - Velocidades de CLOCK variando de 4 a 30 MHZ; - Manipulação de dados decimais, octais e hexadecimais.
Bateria
As baterias são usadas nos CLPs para manter o circuito do Relógio em Tempo Real, reter parâmetros ou programas ( em memórias do tipo RAM ) ,mesmo em caso de corte de energia , guardar configurações de equipamentos etc. Normalmente são utilizadas baterias recarregáveis do tipo Ni - Ca ou Li. Neste casos , incorporam se circuitos carregadores.
Memoria do Programador
O Programa Monitor é o responsável pelo funcionamento geral do CLP. Ele é o responsável pelo gerenciamento de todas as atividades do CLP. Não pode ser alterado pelo usuário e fica armazenado em memórias do tipo PROM , EPROM ou EEPROM . Ele funciona de maneira similar ao Sistema Operacional dos microcomputadores. É o Programa Monitor que permite a transferência de programas entre um microcomputador ou Terminal de Programação e o CLP, gerênciar o estado da bateria do sistema, controlar os diversos opcionais etc.
Memoria do Usuario
É onde se armazena o programa da aplicação desenvolvido pelo usuário. Pode ser alterada pelo usuário, já que uma das vantagens do uso de CLPs é a flexibilidade de programação. Inicialmente era constituída de memórias do tipo EPROM , sendo hoje utilizadas memórias do tipo RAM ( cujo programa é mantido pelo uso de baterias ) , EEPROM e FLASH-EPROM , sendo também comum o uso de cartuchos de memória, que permite a troca do programa com a troca do cartucho de memória. A capacidade desta memória varia bastante de acordo com o marca/modelo do CLP, sendo normalmente dimensionadas em Passos de Programa.
Memória de dados
É a região de memória destinada a armazenar os dados do programa do usuário. Estes dados são valores de temporizadores, valores de contadores, códigos de erro, senhas de acesso, etc. São normalmente partes da memória RAM do CLP. São valores armazenados que serão consultados e ou alterados durante a execução do programa do usuário. Em alguns CLPs , utiliza - se a bateria para reter os valores desta memória no caso de uma queda de energia.
Memória imagem das entradas e saídas
Sempre que a CPU executa um ciclo de leitura das entradas ou executa uma modificação nas saídas, ela armazena o estados da cada uma das entradas ou saídas em uma região de memória denominada Memória Imagem das Entradas / Saídas. Essa região de memória funciona como uma espécie de “ tabela ” onde a CPU irá obter informações das entradas ou saídas para tomar as decisões durante o processamento do programa do usuário.
Circuitos Auxiliares
São circuitos responsáveis para atuar em casos de falha do CLP. Alguns deles são : - POWER ON RESET : Quando se energiza um equipamento eletrônico digital, não é possível prever o estado lógico dos circuitos internos. Para que não ocorra um acionamento indevido de uma saída , que pode causar um acidente , existe um circuito encarregado de desligar as saídas no instante em que se energiza o equipamento. Assim que o microprocessador assume o controle do equipamento esse circuito é desabilitado.
- POWER - DOWN : O caso inverso ocorre quando um equipamento é subitamente desenergizado . O conteúdo das memórias pode ser perdido. Existe um circuito responsável por monitorar a tensão de alimentação, e em caso do valor desta cair abaixo de um limite pré - determinado, o circuito é acionado interrompendo o processamento para avisar o microprocessador e armazenar o conteúdo das memórias em tempo hábil. - WATCH - DOG - TIMER : Para garantir no caso de falha do microprocessador , o programa não entre em “ loop” , o que seria um desastre, existe um circuito denominado “ Cão de Guarda “ , que deve ser acionado em intervalos de tempo pré - determinados . Caso não seja acionado , ele assume o controle do circuito sinalizando um falha geral.
Módulos ou interfaces de entrada
São circuitos utilizados para adequar eletricamente os sinais de entrada para que possa ser processado pela CPU ( ou microprocessador ) do CLP . Temos dois tipos básicos de entrada : as digitais e as analógicas. ENTRADAS DIGITAIS : São aquelas que possuem apenas dois estados possíveis, ligado ou desligado , e alguns dos exemplos de dispositivos que podem ser ligados a elas são : - Botoeiras; - Chaves ( ou micro ) fim de curso; - Sensores de proximidade indutivos ou capacitivos; - Chaves comutadoras; - Termostatos; - Pressostatos; - Controle de nível ( bóia ); - Etc. As entradas digitais podem ser construídas para operarem em corrente contínua ( 24 VCC ) ou em corrente alternada ( 110 ou 220 VCA ). Podem ser também do tipo N ( NPN ) ou do tipo P ( PNP ). No caso do tipo N , é necessário fornecer o potencial negativo ( terra ou neutro ) da fonte de alimentação ao borne de entrada para que a mesma seja ativada. No caso do tipo P é necessário fornecer o potencial positivo ( fase ) ao borne de entrada. Em qualquer dos tipos é de praxe existir uma isolação galvânica entre o circuito de entrada e a CPU. Esta isolação é feita normalmente através de optoacopladores. As entradas de 24 VCC são utilizadas quando a distância entre os dispositivos de entrada e o CLP não excedam 50 m. Caso contrário , o nível de ruído pode provocar disparos acidentais. Exemplo de circuito de entrada digital 24 VCC :
exemplo de entradas e saidas clp
Entradas Analógicas
As Interfaces de Entrada Analógica , permitem que o CLP possa manipular grandezas analógicas, enviadas normalmente por sensores eletrônicos. As grandezas analógicas elétricas tratadas por estes módulos são normalmente tensão e corrente. No caso de tensão as faixas de utilização são : 0 á 10 VCC, 0 á 5 VCC, 1 á 5 VCC, -5 á +5 VCC, -10 á +10 VCC ( no caso as interfaces que permitem entradas positivas e negativas são chamadas de Entradas Diferenciais ), e no caso de corrente, as faixas utilizadas são : 0 á 20 mA , 4 á 20 mA. Os principais dispositivos utilizados com as entradas analógicas são : - Sensores de pressão manométrica; - Sensores de pressão mecânica ( strain gauges - utilizados em células de carga ); ENTRADA 24 VCC C.P.U. 110/220 VCA C.P.U. - Taco - geradores para medição rotação de eixos; - Transmissores de temperatura; - Transmissores de umidade relativa; -Etc. Uma informação importante a respeito das entradas analógicas é a sua resolução. Esta é normalmente medida em Bits. Uma entrada analógica com um maior número de bits permite uma melhor representação da grandeza analógica. Por exemplo : Uma placa de entrada analógica de 0 á 10 VCC com uma resolução de 8 bits permite uma sensibilidade de 39,2 mV , enquanto que a mesma faixa em uma entrada de 12 bits permite uma sensibilidade de 2,4 mV e uma de 16 bits permite uma sensibilidade de 0,2 mV.
Exemplo de um circuito de entrada analógico :
exemplo entradas analogico CLP
Módulos especiais de entrada
Existem módulos especiais de entrada com funções bastante especializadas. Alguns exemplos são : - Módulos Contadores de Fase Única; - Módulos Contadores de Dupla Fase; - Módulos para Encoder Incremental; - Módulos para Encoder Absoluto; - Módulos para Termopares ( Tipo J, K, L , S, etc ); - Módulos para Termoresistências ( PT-100, Ni-100, Cu-25 ,etc); - Módulos para Sensores de Ponte Balanceada do tipo Strain - Gauges; - Módulos para leitura de grandezas elétricas ( KW , KWh , KQ, KQh, cos Fi , I , V , etc).
Módulos ou interface de saída
possamos atuar nos circuitos controlados . Existem dois tipos básicos de interfaces de saída : as digitais e as analógicas . SAÍDAS DIGITAIS : As saídas digitais admitem apenas dois estados : ligado e desligado. Podemos com elas controlar dispositivos do tipo : - Reles ; - Contatores ; - Reles de estato-sólido - Solenóides; - Válvulas ; - Inversores de frequência; - Etc.As saídas digitais podem ser construídas de três formas básicas : Saída digital à Relê , Saída digital 24 VCC e Saída digital à Triac. Nos três casos, também é de praxe , prover o circuito de um isolamento galvânico, normalmente opto - acoplado.
Exemplo de saída digital à relê :
exemplo saidas a reles CLP

Automação e programação de Clp e IHM

Saídas Analógicas


Os módulos ou interfaces de saída analógica converte valores numéricos, em sinais de saída em tensão ou corrente. No caso de tensão normalmente 0 à 10 VCC ou 0 à 5 VCC, e no caso de corrente de 0 à 20 mA ou 4 à 20 mA. Estes sinais são utilizados para controlar dispositivos atuadores do tipo : - Válvulas proporcionais; - Motores C.C.; - Servo - Motores C.C; - Inversores de frequência; - Posicionadores rotativos; -Etc.
exemplo saida analogico CLP
Existem também módulos de saída especiais. Alguns exemplos são : - Módulos P.W.M. para controle de motores C.C.; - Módulos para controle de Servomotores; - Módulos para controle de Motores de Passo ( Step Motor ); - Módulos para I.H.M. ( Interface Homem Máquina ); - Etc.
Capacidade de um C.L.P.
Podemos ressaltar que, com a popularização dos micro - controladores e a redução dos custos de desenvolvimento e produção houve uma avalanche no mercado de tipos e modelos de C.L.P.s , os quais podemos dividir em :
Nano e Micro - C.L.P.s :
São C.L.P.s de pouca capacidade de E/S ( máximo 16 Entradas e 16 Saídas ), normalmente só digitais, composto de um só módulo ( ou placa ) , baixo custo e reduzida capacidade de memória ( máximo 512 passos ). C.L.P. s de Médio Porte :
São C.L.P.s com uma capacidade de Entrada e Saída de até 256 pontos, digitais e analógicas , podendo ser formado por um módulo básico, que pode ser expandido. Costumam permitir até 2048 passos de memória , que poder interna ou externa ( Módulos em Cassetes de Estato - Sólido , Soquetes de Memória , etc ), ou podem ser totalmente modulares. C.L.P.s de Grande Porte :
Os C.L.P.s de grande porte se caracterizam por uma construção modular , constituída por uma Fonte de alimentação , C.P.U. principal , CPUs auxiliares , CPUs Dedicadas , Módulos de E/S digitais e Analógicos, Módulos de E/S especializados, Módulos de Redes Locais ou Remotas , etc, que são agrupados de acordo com a necessidade e complexidade da automação. Permitem a utilização de até 4096 pontos de E/S. São montados em um Bastidor ( ou Rack ) que permite um Cabeamento Estruturado .


Programação dos clp´s
Linguagens de programação
Para facilitar a programação dos CLPs , foram sendo desenvolvidas durante o tempo, diversas Linguagens de Programação. Essas linguagens de programação constituem - se em um conjunto de símbolos, comandos, blocos , figuras, etc, com regras de sintaxe e semântica. Entre elas ,surgiu a Linguagem STEP 5.
Linguagem de programação STEP 5
A linguagem STEP 5 tem se mostrado bastante eficiente, principalmente porque permite ao usuário representar o programa de automação, tanto em Diagrama de Contatos ( D.I.C. ou LADDER ), em Diagrama Lógico ( D.I.C. ) e como uma Lista de Instruções ( L.I.S.). Isso facilita o manejo da linguagem a um amplo círculo de usuários, na confecção e modificação de programas. Uma biblioteca dos denominados Blocos Funcionais Estandardizados , posta à disposição dos usuários, é um passo a mais na confecção racional de programas e redução dos custos de software. A linguagem STEP 5 é uma entre as muitas outras de alto nível existentes, entendendo - se por alto nível aquela que se aproxima muito da linguagem humana. Ela foi desenvolvida levando - se em conta os conhecimentos da área de automação, tendo a partir daí representações para a mesma linguagem.
Intercambialidade entre representações
Cada um dos métodos de representação DIC, LIS e DIL tem suas propriedades e limitações em termos de programação, ou seja, um programa escrito em LIS nem sempre pode ser escrito em DIC ou DIL, isso em face da característica da própria representação; é o caso por exemplo, de querer se representar em DIC uma instrução de entrada de dados ou de um salto condicional de programação, embora alguns compiladores o faça, porém está instrução é facilmente representada em LIS. A seguir temos uma representação simbólica da intercambialidade :

Estrutura da linguagem
O tratamento matemático dado à solução de um certo problema, para um número reduzido de variáveis, é a Álgebra de Boole, formando assim, através de seus teoremas, expressões representativas da solução do problema ou do comando de um sistema. Tais expressões podem ser executadas por um conjunto de circuitos, denominados em eletrônica digital, de portas lógicas . As portas lógicas, como veremos a seguir são a tradução dos postulados de Boole.
Noções básicas de representação

Todas as figuras acima, são representações possíveis de um mesmo circuito elétrico. Todas igualmente válidas para representar o circuito mencionado.
Instruções e blocos básicos
Os blocos básicos ou fundamentais nas linguagens de programação são : bloco NA ( função SIM - NO ), bloco NF ( função NÃO - NOT ), bloco SÉRIE ( função E - AND ) e o bloco PARALELO ( função OU - OR ). Veremos em detalhe cada bloco, em várias representações. BLOCO N.A. ( NORMALMENTE ABERTO ) , que pode ser representado :




Instruções e blocos especiais BLOCO OU INSTRUÇÃO - SET ( SETAR ) - Esta instrução força o estado de uma saída ou memória a ficar ativada.

instruções Bloco controlador logíco programavel

Passos para automação de um equipamento com CLP




Etapas para programação de um CLP