terça-feira, 27 de julho de 2010

AUTOMAÇÃO Parte 2

ELEMENTOS ANALÓGICOS

Unidade de entrada analógica


A interface de entrada analógica contém os circuitos necessários para receber sinais analógicos de tensão ou corrente dos dispositivos de campo. A tensão ou a corrente de entrada é convertida para um código digital proporcional ao valor analógico, através de um conversor analógico digital (A/D). Este código digital é armazenado na memória imagem do controlador como um registro.
O valor analógico é geralmente expresso como um valor decimal (BCD).
A resolução das entradas analógicas é uma informação importante, pois de acordo com o número de bits do conversor A/D é que se define a menor parcela que pode ser lida. Ou seja, uma entrada com um maior número de bits permitirá uma melhor representação da grandeza analógica. Os conversores A/D normalmente são de 10 ou 12bits
As faixas de valores de tensão e corrente para entradas analógicas mais utilizadas na indústria são:

• 0 a 20mA
• 4 a 20mA
• 0 a 10Vdc

A (figura 9) mostra o diagrama de blocos de uma unidade de entrada analógica.


São todos os tipos de transdutores que necessitam fazer conversão de curso, peso, pressão, etc. tais como:

• Transdutor de pressão
• Amplificadores de tensão para células de carga
• Transdutor de umidade
• Régua Potenciométrica
• Sensor de Nível
• Sensor de Vazão

Unidades de Saída

As unidades de saída fornecem as conexões entre os dispositivos de campo e a unidade central de processamento. Estas interfaces podem ter um ou mais canais, fornecendo sinais digitais ou analógicos devidamente amplificados para energizar os elementos de operação e sinalização de atuadores diversos, que se caracterizam pelo tipo (CA ou CC, N ou P) e pelos diversos níveis de tensão e potência.


Unidade de Saída Digital:

As interfaces de saída discretas convertem sinais lógicos usados no Controlador Programável em sinais capazes de energizar atuadores. O controle da saída é limitado a dispositivos que somente requerem comutação em dois estados, tais como ON/OFF (ligado/desligado).
O circuito de saída é composto por duas seções principais: saídas e interface, sendo que essas são normalmente desacopladas eletricamente por um circuito isolador. Durante uma operação normal, o processador envia para o circuito lógico o estado da saída de acordo com a lógica programada. Normalmente estas saídas são sinalizadas por led's.


Entre os diversos tipos de atuadores, podemos citar:

• Contatores
• Solenóides
• Relés
• Lâmpadas
• Sirenes

A comutação executada por uma unidade de saída pode ser através de transistores (em corrente contínua), através de TRIAC’s (em corrente alternada) ou através de relés (corrente contínua ou alternada).


Saída em corrente contínua

Tipos de saídas digitais em corrente contínua:

• Saída Tipo N: Quando o fluxo de corrente ocorre da saída para o potencial negativo da fonte de alimentação de 24 Vcc (carga ligada entre o potencial positivo e a saída, conforme (figura 15). A (figura 13) exemplifica o circuito de uma saída digital tipo N.


• Saída Tipo P: Quando o fluxo de corrente ocorre do potencial positivo da fonte de alimentação de 24 Vcc para a saída (carga ligada entre o potencial negativo e a saída, conforme (figura 16). A (figura 14) exemplifica o circuito de uma saída digital tipo P.


Saída em corrente alternada

Alimentação de 90 Vca a 240 Vca

• Varistor: Protege contra o surto de tensão
• RC: Protege contra disparo indevido
• Triac : Isolado do sistema por acoplador óptico
A figura 17 exemplifica o circuito de uma saída digital em corrente alternada.





Unidade de Saída Analógica

A interface para saídas analógicas recebe do processador dados numéricos que são convertidos em valores proporcionais de corrente ou tensão e aplicados nos dispositivos de campo. A interface contém um conversor digital-analógico (D/A).
O valor analógico é geralmente expresso como um valor decimal (BCD).
Os conversores D/A normalmente são de 10 ou 12bits.
As faixas de valores de tensão e corrente para saídas analógicas mais utilizadas na indústria são:

• 0 a 20mA
• 4 a 20mA
• 0 a 10Vdc

A (figura 18) mostra o diagrama de blocos de uma unidade de saída analógica.


Entre os diversos tipos de atuadores, podemos citar:

• Conversor de freqüência
• Válvula proporcional


Unidade Central de Processamento (UCP)

A Unidade Central de Processamento (UCP) é responsável pelo processamento do programa, isto é, coleta os dados dos cartões de entrada, efetua o processamento segundo o programa do usuário, armazenado na memória, e envia o sinal para os cartões de saída como resposta ao processamento.
Geralmente, cada CLP tem uma UCP, que pode controlar vários pontos de E/S (entradas e saídas) fisicamente compactadas a esta unidade - é a filosofia compacta de fabricação de CLPs, ou constituir uma unidade separada, conectada a módulos onde se situam cartões de entrada e saída, - esta é a filosofia modular de fabricação de CLPs.
Este processamento poderá ter estruturas diferentes para a execução de um programa, tais como:

Processamento cíclico;
Processamento por interrupção;
Processamento comandado por tempo;
Processamento por evento.


Processamento Cíclico

É a forma mais comum de execução que predomina em todas as UCPs conhecidas, é de onde vem o conceito de varredura, ou seja, as instruções de programa contidas na memória, são lidas uma após a outra seqüencialmente do início ao fim, daí retornando ao início ciclicamente.

Um dado importante de uma UCP é o seu tempo de ciclo, ou seja, o tempo gasto para a execução de uma varredura. Este tempo está relacionado com o tamanho do programa do usuário (em média 10 ms a cada 1.000 instruções).
Processamento por interrupção

Certas ocorrências no processo controlado não podem, algumas vezes, aguardar o ciclo completo de execução do programa. Neste caso, ao reconhecer uma ocorrência deste tipo, a UCP interrompe o ciclo normal de programa e executa um outro programa chamado de rotina de interrupção.
Esta interrupção pode ocorrer a qualquer instante da execução do ciclo de programa. Ao finalizar esta situação o programa voltará a ser executado do ponto onde ocorreu a interrupção.
Uma interrupção pode ser necessária, por exemplo, numa situação de emergência onde procedimentos referentes a esta situação devem ser adotados.


Processamento comandado por tempo

Da mesma forma que determinadas execuções não podem ser dependentes do ciclo normal de programa, algumas devem ser executados a certos intervalos de tempo, as vezes muito curto, na ordem de 10 ms.
Este tipo de processamento também pode ser encarado como um tipo de interrupção, porém ocorre a intervalos regulares de tempo dentro do ciclo normal de programa.


Processamento por evento

Este é processado em eventos específicos, tais como no retorno de energia, falha na bateria e estouro do tempo de supervisão do ciclo da UCP.
Neste último, temos o chamado Watch Dog Time (WD), que normalmente ocorre como procedimento ao se detectar uma condição de estouro de tempo de ciclo da UCP, parando o processamento numa condição de falha e indicando ao operador através de sinal visual e as vezes sonoro.

Memória

O sistema de memória é uma parte de vital importância no processador de um controlador programável, pois armazena todas as instruções assim como o os dados necessários para executá-las.
Existem diferentes tipos de sistemas de memória. A escolha de um determinado tipo depende:

do tipo de informação armazenada;
da forma como a informação será processada pela UCP.

As informações armazenadas num sistema de memória são chamadas palavras de memória, que são formadas sempre com o mesmo número de bits.
A capacidade de memória de um CP é definida em função do número de palavras de memória previstas para o sistema.

Mapa de memória

A capacidade de memória de um CP pode ser representada por um mapa chamado mapa de memória.

Arquitetura de memória de um CP

A arquitetura de memória de um controlador programável pode ser constituída por diferentes tipos de memória.
A memória do computador é onde se armazenam os dados que devem ser manipulados pelo computador (chamada memória de dados) e também onde esta armazenado o programa do computador ( memória de programa).
Aparentemente não existe uma diferença física entre as memórias de programa, apenas utilizam-se memórias fixas para armazenar dados fixos ou programas e memórias que podem ser alteradas pelo sistema para armazenar dados que podem variar de acordo com o programa. Existem diversos tipos de memórias que podem ser utilizadas pelo computador: fita magnética, disco magnético e até memória de semicondutor em forma de circuito integrado.
As memórias a semicondutores podem ser divididas em dois grupos diferentes:

- Memória ROM ( read only memory ) memória apenas de leitura.
- Memória RAM ( random acess memory ) memória de acesso aleatório.

As memórias ROM são designadas como memória de programa por serem memórias que não podem ser alteradas em estado normal de funcionamento, porém têm a vantagem de não perderem as suas informações mesmo quando é desligada sua alimentação.


Estrutura

Independente dos tipos de memórias utilizadas, o mapa de memória de um controlador programável pode ser dividido em cinco áreas principais:

Memória executiva
Memória do sistema
Memória de status dos cartões de E/S ou Imagem
Memória de dados
Memória do usuário

Memória Executiva

É formada por memórias do tipo ROM ou PROM e em seu conteúdo está armazenado o sistema operacional responsável por todas as operações que são realizadas no CLP.
O usuário não tem acesso a esta área de memória.


Memória do Sistema

Esta área é formada por memórias tipo RAM, pois terá o seu conteúdo constantemente alterado pelo sistema operacional.
Armazena resultados e/ou operações intermediárias, geradas pelo sistema, quando necessário. Pode ser considerada como um tipo de rascunho.
Não pode ser acessada nem alterada pelo usuário.


Memória de Status de E/S ou Memória Imagem

A memória de status dos módulos de E/S são do tipo RAM. A UCP, após ter efetuado a leitura dos estados de todas as entradas, armazena essas informações na área denominada status das entradas ou imagem das entradas. Após o processamento dessas informações, os resultados serão armazenados na área denominada status das saídas ou imagem das saídas.


Memória de Dados

As memórias de dados são do tipo RAM, e armazenam valores do processamento das instruções utilizadas pelo programa do usuário.
Funções de temporização, contagem, artiméticas e especiais, necessitam de uma área de memória para armazenamento de dados, como:

Valores pré-selecioandos ou acumulados de contagem e temporização;
Resultados ou variáveis de operações aritméticas;
Resultados ou dados diversificados a serem utilizados por funções de manipulação de dados.

Memória do Usuário

A UCP efetuará a leitura das instruções contidas nesta área a fim de executar o programa do usuário, de acordo com os procedimentos predeterminados pelo sistema operacional.
As memórias destinadas ao usuário podem ser do tipo:


RAM
RAM/EPROM
RAM/EEPROM


Tipo de Memória
Descrição

RAM
A maioria do CLPs utiliza memórias RAM para armazenar o programa do usuário assim como os dados internos do sistema. Geralmente associada a baterias internas que evitarão a perda das informações em caso de queda da alimentação.

RAM/EPROM

O usuário desenvolve o programa e efetua testes em RAM. Uma vez checado o programa, este é transferido para EPROM.


RAM/EEPROM

Esta configuração de memória do usuário permite que, uma vez definido o programa, este seja copiado em EEPROM. Uma vez efetuada a cópia, o CLP poderá operar tanto em RAM como em EEPROM. Para qualquer modificação bastará um comando via software, e este tipo de memória será apagada e gravada eletricamente.


Terminal de Programação

O terminal de programação é um dispositivo (periférico) que conectado temporariamente ao CLP, permite introduzir o programa do usuário e configuração do sistema. Pode ser um equipamento dedicado, ou seja, um terminal que só tem utilidade como programador de um determinado fabricante de CLP, ou um software que transforma um computador pessoal em um programador.
Neste periférico, através de uma linguagem, na maioria das vezes, de fácil entendimento e utilização, será feita a codificação das informações vindas do usuário numa linguagem que possa ser entendida pelo processador de um CLP. Dependendo do tipo de Terminal de Programação (TP), poderão ser realizadas funções como:

Þ Elaboração do programa do usuário;
Þ Análise do conteúdo dos endereços de memória;
Þ Introdução de novas instruções;
Þ Modificação de instruções já existentes;
Þ Monitoração do programa do usuário;
Þ Cópia do programa do usuário em disco ou impressora.

Os terminais de programação podem ser classificados em três tipos:

Þ Terminal Dedicado Portátil;
Þ Terminal Dedicado TRC;
Þ Terminal não Dedicado;

Terminal Portátil Dedicado

Os terminais de programação portáteis, geralmente são compostos por teclas que são utilizadas para introduzir o programa do usuário. Os dados e instruções são apresentados num display que fornece sua indicação, assim como a posição da memória endereçada.
A maioria dos programadores portáteis são conectados diretamente ao CP através de uma interface de comunicação (serial). Pode-se utilizar da fonte interna do CP ou possuir alimentação própria através de bateria.
Com o advento dos computadores pessoais portáteis (Lap-Top), estes terminais estão perdendo sua função, já que pode-se executar todas as funções de programação em ambiente mais amigável, com todas as vantagens de equipamento portátil.


Terminal Dedicado TRC

No caso do Terminal de programação dedicado tem-se como grandes desvantagens seu custo elevado e sua baixa taxa de utilização, já que sua maior utilização se dá na fase de projeto e implantação da lógica de controle.
Estes terminais são compostos por um teclado, para introdução de dados/instruções e um monitor (TRC - tubos de raios catódicos) que tem a função de apresentar as informações e condições do processo a ser controlado.
Como no caso dos terminais portáteis, com o advento da utilização de computadores pessoais, este tipo de terminal está caindo em desuso.


Terminal não Dedicado - PC

A utilização de um computador pessoal (PC) como terminal de programação é possível através da utilização de um software aplicativo dedicado a esta função.
Neste tipo de terminal, tem-se a vantagem da utilização de um micro de uso geral realizando o papel do programador do CLP. O custo deste hardware (PC) e software são bem menores do que um terminal dedicado além da grande vantagem de ter, após o período de implantação e eventuais manutenções, o PC disponível para outras aplicações comuns a um computador pessoal.
Outra grande vantagem é a utilização de softwares cada vez mais interativos com o usuário, utilizando todo o potencial e recursos de software e hardware disponíveis neste tipo de computador.


Princípio de Funcionamento de um CLP

Um controlador lógico programável, tem seu funcionamento baseado num sistema de microcomputador onde se tem uma estrutura de software que realiza continuamente ciclos de varredura.

Estados de Operação

Basicamente a UCP de um controlador programável possui dois estados de operação:

Programação
Execução

A UCP pode assumir também o estado de erro, que aponta falhas de operação e execução do programa.


Programação

Neste estado o CP não executa programa, isto é, não assume nenhuma lógica de controle, ficando preparado para ser configurado ou receber novos programas ou até modificações de programas já instalados. Este tipo de programação é chamada off-line (fora de linha).


Execução

Estado em que o CP assume a função de execução do programa do usuário. Neste estado, alguns controladores, podem sofrer modificações modificações de programa. Este tipo de programação é chamada on-line (em linha).


Funcionamento

Ao ser energizado, estando o CP no estado de execução, o mesmo cumpre uma rotina de inicialização gravada em seu sistema operacional. Esta rotina realiza as seguintes tarefas :

Limpeza da memória imagem, para operandos não retentivos;
Teste de memória RAM;
Teste de executabilidade do programa.

Após a execução desta rotina, a UCP passa a fazer uma varredura (ciclo) constante, isto é, uma leitura seqüencial das instruções em loop.
Entrando no loop, o primeiro passo a ser executado é a leitura dos pontos de entrada. Com a leitura do último ponto, irá ocorrer, a transferência de todos os valores para a chamada memória ou tabela imagem das entradas.
Após a gravação dos valores na tabela imagem, o processador inicia a execução do programa do usuário de acordo com as instruções armazenadas na memória.
Terminando o processamento do programa, os valores obtidos neste processamento, serão transferidos para a chamada memória ou tabela imagem das saídas, como também a transferência de valores de outros operandos, como resultados aritméticos, contagens, etc.


Ao término da atualização da tabela imagem, será feita a transferência dos valores da tabela imagem das saídas, para os cartões de saída, fechando o loop. Neste momento é iniciado um novo loop.
Para a verificação do funcionamento da UCP, é estipulado um tempo de processamento, cabendo a um circuito chamado de Watch Dog Time supervisioná-lo. Ocorrendo a ultrapassagem deste tempo máximo, o funcionamento da UCP será interrompido, sendo assumido um estado de erro.
O termo varredura ou scan, são usados para um dar nome a um ciclo completo de operação (loop).
O tempo gasto para a execução do ciclo completo é chamado Tempo de Varredura, e depende do tamanho do programa do usuário, e a quantidade de pontos de entrada e saída.
Fonte: Consultor Prof. Jeyson Berlanda

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