Em princípio, qualquer grandeza física pode ser controlada, isto é, pode ter seu valor intencionalmente alterado. Obviamente, há limitações práticas; uma das inevitáveis é a restrição da energia de que dispomos para afetar os fenômenos: por exemplo, a maioria das variáveis climatológicas poder ser medida, porem, não controlada, por causa da ordem de grandeza da energia envolvida.
O controle manual implica em se ter um operador presente ao processo criador de uma variável física e que, de acordo com alguma regra de seu conhecimento, opera um aparelho qualquer (válvula, alavanca, chave,...), que por sua vez produz alterações naquela variável.
No início da industrialização, os processos industriais utilizavam o máximo da força da mão-de-obra. A produção era composta por etapas ou estágios, nos quais as pessoas desenvolviam sempre as mesmas funções, especializando-se em certa tarefa ou etapa da produção. Assim temos o princípio da produção em série. O mesmo ocorria com as máquinas de produção, que eram específicas para uma aplicação, o que impedia seu uso em outras etapas da produção, mesmo que tivesse características muito parecidas.
Com o passar do tempo e a valorização do trabalhador, foi preciso fazer algumas alterações nas máquinas e equipamentos, de forma a resguardar a mão-de-obra de algumas funções inadequadas à estrutura física do homem. A máquina passou a fazer o trabalho mais pesado e o homem, a supervisioná-la.
Com a finalidade de garantir o controle do sistema de produção, foram colocados sensores nas máquinas para monitorar e indicar as condições do processo. O controle só é garantido com o acionamento de atuadores a partir do processamento das informações coletadas pelos sensores.
O controle diz-se automático quando uma parte, ou a totalidade, das funções do operador é realizada por um equipamento, freqüente mas não necessariamente eletrônico. Controle automático por realimentação é o equipamento automático que age sobre o elemento de controle, baseando-se em informações de medida da variável controlada. Como exemplo: o controle de temperatura de um refrigerador. O controle automático por programa envolve a existência de um programa de ações, que se cumpre com base no decurso do tempo ou a partir de modificações eventuais em variáveis externas ao sistema. Automatizar um sistema tornou-se muito mais viável à medida que a Eletrônica avançou e passou a dispor de circuitos capazes de realizar funções lógicas e aritméticas com os sinais de entrada e gerar respectivos sinais de saída. Com este avanço, o controlador, os sensores e os atuadores passaram a funcionar em conjunto, transformando processo em um sistema automatizado, onde o próprio controlador toma decisões em função da situação dos sensores e aciona os atuadores.
Os primeiros sistemas de automação operavam por meio de sistemas eletromecânicos, com relés e contatores. Neste caso, os sinais acoplados à máquina ou equipamento a ser automatizado acionam circuitos lógicos a relés que disparam as cargas e atuadores. Com o avanço da eletrônica, as unidades de memória ganharam maior capacidade e com isso armazenam todas as informações necessárias para controlar diversas etapas do processo. Os circuitos lógicos tornaram-se mais rápidos, compactos e capazes de receber mais informações de entrada, atuando sobre um número maior de dispositivos de saída. Chegamos assim, aos microcontroladores responsáveis por receber informações das entradas, associá-las às informações contidas na memória e a partir destas desenvolver um a lógica para acionar as saídas.
Toda esta evolução nos levou a sistemas compactos, com alta capacidade de controle, que permitem acionar diversas saídas em função de vários sinais de entradas combinados logicamente. Um outra etapa importante desta evolução é que toda a lógica de acionamento pode ser desenvolvida através de software, que determina ao controlador a seqüência de acionamento a ser desenvolvida.
1.1 Evolução dos Sistemas de Controle
Quase toda planta industrial precisa de algum tipo de controlador para garantir uma operação segura e economicamente viável. No nível mais simples, uma planta pode basicamente consistir de um motor elétrico acionando um ventilador para controlar a temperatura de uma sala. No extremo oposto, uma planta pode ser um reator nuclear para a produção de energia para milhares de pessoas. Independentemente do tamanho e complexidade, todos os sistemas de controle podem ser divididos em três partes com funções bem definidas: os tradutores, os controladores e os atuadores.
O controlador monitora o estado real do processo de uma planta através de um numero de transdutores. Os transdutores convertem as grandezas físicas em sinais normalmente elétricos, os quais são conectados com as entradas dos controladores. Transdutores digitais (discretos) medem variáveis com estados distintos, tais como ligado/desligado ou alto/baixo, enquanto os transdutores analógicos medem variáveis com uma faixa contínua, tais como pressão, temperatura, vazão ou nível.
Com base nos estados das suas entradas, o controlador utiliza um algoritmo de controle embutido para calcular os estados das suas saídas. Os sinais elétricos das saídas são convertidos para o processo através dos atuadores. Muitos atuadores geram movimentos como válvulas, motores, bombas e outros utilizam energia elétrica e pneumática.
O operador interage com o controlador através dos parâmetros de controle. Alguns controladores podem mostrar os estados do processo através de um display ou tela.
As atuais funções de controle existentes em uma planta industrial são normalmente distribuídas entre um numero de controladores programáveis, os quais são montados próximos aos equipamento a serem controlados. Os diferentes controladores são usualmente conectados via rede local (LAN) a um computador supervisório central, o qual gerencia os alarmes, receitas e relatórios.
Atualmente, o operador desempenha um papel importante na indústria moderna, sendo que a maioria das plantas industriais possui um sistema chamado Sistema SCADA (Spervisory Control And Data Acquisition). Os sistemas SCADA têm monitores coloridos de alta resolução, com os quais o operador pode selecionar diferentes programas e avaliar a situação do processo produtivo.
Como o preço dos computadores caiu drasticamente nos últimos anos, o custo de desenvolvimento e manutenção de software tem se tornado o fator predominante soa sistemas de automação.
Com o objetivo de melhorar a qualidade e viabilizar a reutilização de programas, existem cada vez mais pessoas trabalhando com sistemas orientados a objetos. Nestes sistemas, os elementos reais de processos como motores, válvulas e controladores PID são programados através de objetos de software armazenados em bibliotecas. Estes objetos são devidamente testados e possuem interfaces de dados padronizadas.
1.2 Lógica a Relés
Os relés eletromecânicos têm sido um dos componentes mais importantes na evolução dos sistemas de controle. A lógica a relés consiste na associação de diversos relés que são acionados por contatos de transdutores digitais. A função de controle é definida pela forma como os contatos são associados para comandar a bobina do relé.
Todas as bobinas de relés são usadas para ativar um ou mais contatos de saída. Estes contatos são interligados com os atuadores do processo. Se um dos contatos do relé é utilizado com uma entrada da mesma lógica é possível construir um circuito de selo, ou uma função do tipo memória.
Um sistema de controle baseado em relés pode conter facilmente dezenas a milhares de relés facilmente. Os relés e os cabos necessários para interligação dos mesmos são acondicionados em armários.
A função de um sistema de controle baseado em relés é descrita no diagrama chamado de Ladder, devido á sua semelhança com uma escada, mostrando como os contatos dos transdutores e atuadores são interligados eletricamente. O Diagrama de Ladder não somente descreve a função lógica como é usado como desenho para a montagem dos armários. Desde que os relés têm custo considerável e é necessário um tempo elevado para a interligação elétrica, o custo total de um sistema de controle baseado em relés é determinado pelo numero de relés utilizados. Em plantas muito grandes, o numero limitado de contatos disponíveis para os transdutores e relés normalmente representa uma dificuldade a mais do projeto de engenharia.
A experiência mostra que é fácil implementar um sistema com poucos relés, mas quando a complexidade aumenta, torna-se necessário engenheiros bem experientes.
Uma característica positiva dos sistemas baseados em relés na descentralização do controle em um grande número de relés discretos. Como os relés são dispositivos eletromagnéticos, eles têm uma vida útil limitada. Portanto, os sistemas baseados em relés necessitam de uma manutenção continua. Outra desvantagem destes sistemas é o tempo gasto para alterações na lógica de um sistema existente. Atualmente, os sistemas baseados em relés só são viáveis em sistemas com poucas entradas e saídas e em plantas com elevado nível de interferência elétrica, onde computadores de CLPs não podem ser utilizados.
2. O que é um CLP
O Controlador Programável é um dos equipamento mais importante em uso na automação de equipamentos e processos industriais atualmente.
O Controlador Programável (CLP ou CP) é um equipamento eletrônico programável baseado em microprocessadores. É projetado para funcionar em ambientes industriais, podendo controlar desde simples máquinas e processos até automatizar uma planta completa.
2.1 História do CLP
O primeiro CLP surgiu no ano de 1960. A razão preliminar para projetar tal dispositivo era de eliminar o custo grande envolvido em substituir os complicados sistemas a relês para controle de máquinas. Foi quando a BEDFORD ASSOCIATES propôs algo chamado de Controlador Modular Digital (MODICON) em solicitação da GM nos E. U. Outras companhias ao mesmo tempo propuseram os sistemas baseados em computador. O MODICON 084 trouxe o primeiro PLC do mundo na produção comercial.
Como o sistema de controle mudava de acordo com as exigências da produção, o que acontecia com freqüência e era muito caro, e os relês são dispositivos mecânicos que possuem uma vida limitada e requeriam manutenção constante. Pesquisar defeitos era também completamente tedioso quando envolvesse muitos relês. Imaginem só um painel de controle da máquina que inclua muitos, possivelmente centenas ou milhares, de relês individuais. O tamanho podia ser gigantesco. Bem com a fiação complicada de muitos dispositivos individuais. Necessitavam vários relês juntos para conseguir o resultado desejado.
Estes "controladores novos" também deveriam ser programados facilmente pela manutenção e pelos coordenadores da planta. A vida útil passou a ser longa e as mudanças de programação executadas facilmente. A técnica de programação deveriam ser similares como substituir peças mecânicas. Também tiveram que sobreviver ao ambiente industrial, cercado de poeira e materiais corrosivos.
Nos anos 70 as tecnologias dominantes do CLP eram máquinas de estados e seqüenciadores. Os AMD 2901 e 2903 eram completamente populares no Modicon. Faltavam o poder de resolver rapidamente a lógica de controle e reduzir o tamanho físico.
As funcionalidade de comunicações começaram a aparecer em aproximadamente 1973. O primeiro sistema era Modbus da Modicon. O PLC poderia agora falar com outro CLPs e poderiam ser distantes afastado da máquina que controlavam. Podiam também agora ser usados para enviar e receber tensões variadas para permitir que entrassem no mundo analógico. Infelizmente, a falta da padronização associada ao desenvolvimento tecnológico contínuo fez mudanças com as comunicações dos CLP’s uma infinidade de protocolos incompatíveis e de redes físicas surgiram. Ainda assim, era uma grande década para o CLP.
Os anos 80 vieram uma tentativa de padronizar as comunicações com o protocolo MAP (manufacturing automation protocol) da GM. Era também um momento para reduzir o tamanho do CLP e fazer-lhes o software de programação simbólica, direta e programável em computadores pessoais preferivelmente de terminais de programação dedicados ou de programadores handheld. Hoje o menor CLP do mundo é do tamanho de um único relê.
Os anos 90 vieram para reduzir a introdução de protocolos novos. Veio também a modernização das camadas físicas de alguns dos protocolos mais populares que sobreviveram aos anos 80. Surgiu o padrão IEC 1131-3, hoje IEC 61131-3, que tentou fundir linguagens de programação para um padrão internacional. Nós temos agora CLP’s que são programáveis em diagramas de bloco de função, em listas de instrução, em C, em texto estruturado e sequenciamento gráfico de funções todos ao mesmo tempo. Vale lembrar que os PC’s também estão sendo usados para substituir CLPs em algumas aplicações.
A figura abaixo ilustra uma comparação entre o quadro de relés e o quadro de CP’s. Pode ser observado que a implementação da lógica através de relés dificulta a manutenção e torna o sistema menos flexível à mudanças. A lógica é realizada por fios e qualquer modificação na lógica exige uma conexão adequada dos fios, envolvendo operações com os contatos NA e NF dos relés.
2.2 Aplicações dos CLPs
O Controlador Lógico Programável é um equipamento extremamente versátil, com aplicações em todos os segmentos industriais. Suas características permitem que ele efetue desde simples lógicas até sofisticados controles de processos. Atualmente, existem modelos de CLPs que permitem, de maneira econômica, controlar mecanismos e processos a partir de poucos pontos de entrada e saída.
Sistemas que utilizam lógica pneumática ou de relés comportam a substituição direta dos circuitos lógicos por um CLP, com vantagens imediatas em termos de confiabilidade, facilidade de manutenção, ocupação de menor espaço físico, diminuição do peso e versatilidade a nível de futuras alterações ou aperfeiçoamento da lógica de controle. Máquinas ou processos que requeiram o controle simultâneo de variáveis em diversos pontos, exigindo relações complexas de controle em um ou mais pontos do processo ou mesmo em outras máquinas, adaptam-se muito bem ao uso com CLPs, pois estes permitem a leitura de variáveis analógicas e digitais, o processamento rápido das informações e a geração de sinais de saída analógica ou digitais. Possuem canais de comunicação que permitem a conexão de um controlador a outro ou a um computador central. Esta possibilidade abre um campo totalmente novo: um computador central pode monitorar a operação dos CLPs, verificando anomalias, detectando falhas na produção, emitindo relatórios, etc., ao mesmo tempo em que pode interferir na operação do CLP, modificando parâmetros, iniciando ou interrompendo seqüências em função de um planejamento global da planta industrial ou de fatos ocorridos em outros processos. É importante ressaltar que os Controladores Programáveis não são apenas substitutos mais confiáveis do que os relés. Na verdade, eles representam um salto qualitativo em termos de controle, pois viabilizam soluções inovadoras nos processos e automatismos onde são empregados, resultando em consideráveis incrementos na eficiência dos mesmos.
O controlador programável existe para automatizar processos industriais, sejam de sequênciamento, intertravamento, controle de processos, batelada, etc.
Este equipamento tem seu uso tanto na área de automação da manufatura, de processos contínuos, elétrica, predial, entre outras.
Praticamente não existem ramos de aplicações industriais onde não se possa aplicar os CLPs, entre elas tem-se:
Com a tendência dos CLPs terem baixo custo, muita inteligência, facilidade de uso e massificação das aplicações, a utilização deste equipamento não será apenas nos processos mas também nos produtos. Poderemos encontrá-lo em produtos eletrodomésticos, eletrônicos, residências e veículos.
2.3 Evolução
Criado para ser um substituto dos quadros de relés, o Controlador Programável (CLP) ultrapassou há muito as expectativas originais. Com processadores de alto desempenho, variedade de modelos e capacidade de comunicação, o seu campo de aplicação hoje é quase ilimitado e o conhecimento de suas potencialidades torna-se cada vez mais necessário para todos os envolvidos no planejamento, operação e manutenção de processos industriais. Nos próximos anos a sua importância deverá continuar crescendo, pois as pesquisas de mercado indicam uma contínua expansão na demanda por CLPs, confirmando o importante avanço da automação em todas as áreas de atividade.
Desde o seu aparecimento até hoje, muita coisa evolui nos controladores lógicos. Esta evolução está ligada diretamente ao desenvolvimento tecnológico da informática em suas características de software e de hardware.
O que no seu surgimento era executado com componentes discretos, hoje se utiliza de microprocessadores e microcontroladores de última geração, usando técnicas de processamento paralelo, inteligência artificial, redes de comunicação, fieldbus, etc.
Até recentemente não havia nenhuma padronização entre fabricantes, apesar da maioria utilizar as mesmas normas construtivas. Porém, pelo menos ao nível de software aplicativo, os controladores programáveis podem se tornar compatíveis com a adoção da norma IEC 61131-3, que prevê a padronização da linguagem de programação e sua portabilidade.
Outra novidade que está sendo incorporada pelos controladores programáveis é o fieldbus (rede de campo), que surge como uma proposta de padronização de sinais a nível de chão-de-fábrica. Este barramento se propõe a diminuir sensivelmente o número de condutores usados para interligar os sistemas de controle aos sensores e atuadores, além de propiciar a distribuição da inteligência por todo o processo.
Hoje os CLPs oferecem um considerável número de benefícios para aplicações industriais, que podem ressaltar em economia que excede o custo do CLP e devem ser considerados quando da seleção de um dispositivo de controle industrial.
Quando você considerar todas essas vantagens que o CLP tem e todos os benefícios que ele oferece, é fácil perceber porque eles se tornaram um padrão nas industrias e porque irá continuar com o sucesso deles no futuro.
As vantagens de sua utilização, comparados a outros dispositivos de controle industrial incluem:
Menor Ocupação de espaço;
Potência elétrica requerida menor;
Reutilização;
Programável, se ocorrerem mudanças de requisitos de controle;
Confiabilidade maior;
Manutenção mais fácil;
Maior flexibilidade, satisfazendo um maior número de aplicações;
Permite a interface através de rede de comunicação com outros CLPs e microcomputadores;
Projeto do sistema mais rápido.
Na figura abaixo é ilustrado os diferentes níveis do processo de automação, destacando o CLP como o elo de ligação entre chão-de-fábrica e demais níveis, como supervisão, controles avançados, etc.
2.4 Definição e Características do CLP
"O Controlador Programável é um dispositivo, que observando a arquitetura de computadores, possui uma memória programável pelo usuário e realiza as funções de controle, comando e supervisão de processos, com hardware e software compatíveis com estas aplicações."
A estrutura básica do Controlador Programável segue uma linha similar a dos computadores de uso geral: Dispositivos de Entrada / Processamento / Memória / Saída. Nos CLPs estas estruturas assumem uma forma particular, adequada ao ambiente industrial:
Entradas: As entradas digitais recebem o sinal de sensores, chaves, botoeiras, e outros equipamentos que fornecem sinais do tipo ligado/desligado. As entradas analógicas recebem sinais de tensão ou corrente de variação contínua, dentro de uma faixa e com significado especificado. Este módulo condiciona o sinal de entrada e torna-o disponível para o processador.
Processador : É o bloco que analisa, processa e decide. São executadas aí funções de decisão, operações matemáticas, contagens, temporização, diálogo com IHM, comunicação, etc.
Memória: A memória de programa contém as instruções armazenadas para execução das tarefas previstas para a aplicação. A memória de variáveis contém os valores e parâmetros correntes relacionados ao processo.
Saídas: Através das saídas, o CLP age sobre o processo sob o seu controle. As saídas digitais fornecem comandos do tipo ligado/desligado. As saídas analógicas fornecem um sinal de tensão ou corrente com variação contínua, para acionar válvulas proporcionais, conversores ou outros equipamentos.
Coprocessadores: Módulos com memória local e funções especializadas executam tratamento sofisticado de entradas analógicas, comunicações com alto desempenho, controle de posicionamento com alta velocidade, operações matemáticas e outras.
Interface Homem-Máquina: Este bloco coloca o operador (usuário) em contato direto com o CLP e o processo sob controle. Podem ser passadas informações de condições de processo, alarmes, solicitações manuais e informações numéricas. A forma mais comum de interface Homem-Máquina no CLP é um display alfanumérico com teclado.
Comunicações: Este bloco fornece o meio físico e os protocolos para que o CLP se comunique com outros equipamentos integrantes do sistema. Os sistemas de controle atuais prevêem a integração de diversos dispositivos que podem incluir vários CLPs, computadores, interfaces IHM externos, sensores e atuadores inteligentes, todos ligados em rede.
S.O.: o sistema operacional atualiza o estado dos dispositivos de entrada e saída, executa rotinas operacionais específicas e atende as operações solicitadas pelo programa do usuário.
2.5 Estrutura do CLP e Modo de Operação
Para efeito de análise podemos considerar que o Controlador Programável possui três blocos básicos: as Entradas, a Unidade Central de Processamento (CPU) e as Saídas. Através de dispositivos ligados ao Módulo de Entradas, o CP monitora continuamente o estado da máquina (ou processo) sob seu controle. A Unidade Central de Processamento processa os dados externos através do Programa do Usuário (Programa de Controle gravado previamente na memória do CP). Simultaneamente, as saídas são acionadas conforme instruções contidas no mesmo Programa. Desta forma, um CP sente, decide e age sobre a máquina (ou processo) conforme uma lógica pré-estabelecida.
O diagrama de blocos a seguir, ilustra a estrutura básica de um controlador programável:
2.5.1 Módulos de Entrada
Os módulos de entrada são interfaces entre os sensores localizados no campo e a lógica de controle de um controlador programável.
Estes módulos são constituídos de cartões eletrônicos, cada qual com capacidade para receber em certo número de variáveis.
Pode ser encontrada uma variedade muito grande de tipos de cartões, para atender as mais variadas aplicações nos ambientes industriais. Mas apesar desta grande variedade, os elementos que informam a condição de grandeza aos cartões, são do tipo:
ELEMENTO DISCRETO: Trabalha com dois níveis definidos;
ELEMENTO ANALÓGICO: Trabalha dentro de uma faixa de valores.
2.5.1.1 Elementos Discretos
As interfaces de entradas discretas detectam e convertem sinais de comutação de entrada em níveis lógicos de tensão usados no Controlador Programável. Essas características limitam a interface a sinais do tipo ON/OFF (ligado/desligado).
O circuito de entrada é composto por duas seções principais: entradas de estados e interface, sendo que essas são normalmente desacopladas eletricamente por um circuito isolador.
A seção de entrada de estados basicamente realiza a função de conversão da tensão da entrada (110 Vca, 220 Vca) para um nível DC compatível com a interface. Quando um sinal válido é detectado, o circuito isolador gera um sinal na seção lógica (interface), o qual fica disponível para o processador através do seu barramento de dados. Normalmente estas entradas são sinalizadas por led's.
Entre os diversos tipos de transdutores digitais, podemos citar:
• Botões
• Chaves de fim de curso
• Sensores de proximidade
• Termostatos
• Pressostatos
• "Push Buttons"
A comutação de uma unidade de entrada pode ser em corrente contínua ou em corrente alternada.
2.5.1.1.1 Entrada em corrente contínua
Tipos de entradas digitais em corrente contínua:
• Entrada Tipo N: A comutação é executada quando o dispositivo externo aplica o pólo negativo da fonte na entrada digital. A (figura 6) exemplifica um circuito de entrada digital tipo N.
• Entrada Tipo P: A comutação é executada quando o dispositivo externo aplica o pólo positivo da fonte na entrada digital. A (figura 7) exemplifica um circuito de entrada digital tipo P.
2.5.1.1.2 Entrada em corrente alternada
A comutação ocorre quando é colocado 110 Vca ou 220 Vca no borne de entrada. A (figura 8) exemplifica um circuito de entrada digital em corrente alternada:
2.5.3.1.3 Módulo de contagem de eventos
Inclui no controlador recursos para contagem de eventos, tratamento de réguas posicionadoras ou sensores incrementais, medição de períodos e temporizações em uma velocidade muito superior ao que seria possível utilizando as entradas digitais convencionais. A mesma placa pode possui ainda dois canais de entrada diferenciais que permite a leitura e comparação de sinais analógicos em alta velocidade.
A parte de controle digital possui dois canais com três linhas de entrada cada um. Essas linhas podem ser configuradas para contagem de eventos com
sensores up/down/reset, para Posicionador com sensores 90 graus ou para temporizador e medição de tempos.
O sistema lê o conteúdo dos contadores da placa e atualiza um grupo formado por duas variáveis em cada contador (contagem alta e contagem baixa). Os contadores possuem uma capacidade mínima de 20 bits.
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