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Curso Técnico em Mecatrônica Disciplina : Controladores Lógicos ProgramáveisInstrutores : Wellinton Marcio Albino Agostinho

Material de Apoio Parte 1 – Introdução aos CLPs

1) Objetivos:Conceituar os controladores lógicos programáveis,analisar sua arquitetura ,princípio de funcionamento.Interface de entradas e saídas analógicas e digitais.

2) Livro texto: FRANCHI, C. M., CAMARGO, V.L.A.Controladores Lógicos Programáveis. Editora: Érica, 2008.

3) Fundamentação Teórica:

a) Referência para consulta e estudos: Capítulo 1 e 2 do livro texto.

b) Conceito de controladores programáveis:

Um controlador lógico programável é definido pelo IEC como :

“Sistema eletrônico operando digitalmente, projetado para uso em um ambiente industrial, que usa uma memória programável para armazenagem de instruções orientadas para o usuário para implementar funções específicas, tais como lógica, sequencial, temporização,contagem aritmética, para controlar através de entradas e saídas digitais ou analógicas, vários tipos de máquinas ou processos.O CLP e seus periféricos associados são projetados para serem facilmente integráveis em um sistema de controle industrial e facilmente usados em todas suas funções previstas”.

De acordo com a definição da NEMA é :

“ Um equipamento eletrônico que funciona digitalmente e que utiliza uma memória programável para o armazenamento interno de instruções para implementar funções específicas ,tais como lógica,squencial,registro e controle de tempos,contadores e operações aritméticas para controlar através de módulos de entrada e saída digitais (LIGA/DESLIGA) ou analógicas ( 1-5 Vcc, 4-20 mA etc ),vários tipos de máquinas e processos”.

c) Definições Importantes :

Processo : é uma operação onde varia pelo menos uma característica física ou química de determinado material.Exemplos:

Nível de água em um tanque; Temperatura de um forno; Vazão de saída da água de um reservatório; Destilação,purificação ou filtração.

PLC : Devido ao intuito inicial de substituírem os painéis de relés no controle discreto,foram chamados de PLC ( Programmable Logic Controllers ) que é traduzido para Controladores Lógicos Programáveis (CLP) . Manipulam somente variáveis lógicas como LIGA/DESLIGA.

PC : (Programmable Controllers ) ou Controladores Programáveis .São bem mais complexos que os CLPs. Além de manipular variáveis lógicas ,são capazes de controlar malhas analógicas, motivo pelo qual podem ser chamados apenas de PC.

d) Partes de um sistema de controle

Os sistemas de controle podem ser divididos em três partes com funções bem definidas : os trandutores (os sensores ), os controladores e os atuadores.

Sensores/atuadores : trandutor é um dispositivo que converte uma condição física em um sinal elétrico para ser utilizado pelo CLP através da conexão às entradas do CLP.Um exemplo típico é um botão de presão momentânea, em que um sinal elétrico é enviado do botão ao CLP, indicando a sua condição atual ( pressionado ou não).

Atuadores : sua função é converter o sinal elétrico oriundo do CLP em uma condição física,normalmente ligando ou desligando algum elemento.Os atuadores são conectados às saídas do CLP.Um exemplo típico é o controle de acionamento de um motor elétrico através de um CLP.A saída do CLP vai ligar ou desligar a bobina do contator que o comanda,.

Controladores : de acordo com o estado de suas entradas , o controlador utiliza um programa de controle desenvolvido pelo operador para calcular o estado de suas saídas .Os sinais elétricos das saídas são convertidos no processo através dos atuadores.

e) Arquitetura dos CLPs e princípio de funcionamento

Para melhor compreensão do que seja um PLC e do seu princípio de funcionamento, são apresentados alguns conceitos associados:

Variáveis de entrada : são sinais externos recebidos pelo PLC ,os quais podem ser oriundos de fontes pertencentes ao processo controlado ou de comandos gerados pelo operador.Tais sinais são gerados por dispositivos diversos,como sensores,chaves ou botoeiras,dentre outros.

Variáveis de saída :são dispositivos controlados por cada ponto de saída do PLC.Tais podem servir para intervenção direta no processo controlado por acionamento próprio ,ou também para sinalização de estado em painel .Exemplos de variáveis de saída são : contatores,válvulas,displays,lâmpadas etc.

Programa : seqüência específica de instruções selecionadas de um conjunto de opções oferecidas pelo PLC em uso e que, irão efetuar as ações de controle desejadas,ativando ou não as memórias internas e os pontos de saída do PLC a partir da monitoração do estado das mesmas memórias internas e/ou dos pontos de entrada do PLC.

Um CLP pode ser dividido em cinco partes :

Fonte de alimentação : A fonte de alimentação é responsável por fornecer a energia necessária para alimentação da CPU e dos módulos de entrada/saída do CLP.

Entradas/saídas ( analógicas/digitais ) : As entradas e saídas são módulos resposáveis pelos interfaceamento da CPU com o mundo externo, adaptando os níveis de tensão e corrente e realizando a conversão dos sinais em formato adequado.

Unidade central de processamento ( CPU) : A unidade central de processamento ,pode ser definida como o “cérebro” que controla todas as ações de um CLP e é constituída por um processador ,memórias e um sistema de interligação ( barramentos).Ela recebe os sinais digitais e analógicos dos sensores do campo conectados aos módulos de entrada, e também recebe os comando s via comunicação em rede e em seguida executa as operações lógicas, as operações aritméticas e avançadas como as de controle de malha programadas na memória do usuário e atualiza os cartões de saída.

Unidade de comunicação : Sistema de comunicação realiza a interface de comunicação que são introduzidos os programas de aplicativos no CLP e é também através dessa interface que é possível monitorar todas as operações que estão sendo realizadas em um determinado instante e transferir dados de forma bidirecional com um sistema SCADA.

O princípio fundamental de funcionamento de um CLP é a execução por parte da CPU de um programa,conhecido como “executivo” e de responsabilidade do fabricante ,que realiza ciclicamente as ações de leitura das entradas,execução do programa e atualização das saídas,essas ações são chamadas de SCAN ou ciclo de varredura.

Chama-se tempo de varredura ( Scan time) o tempo gasto para a execução de um ciclo completo.Esse valor muda conforme o controlador e depende de muitos fatores ( tamanho da palavra, clock , arquitetura do processador etc.).

f) Tipos de CLP

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Podemos classificar os CLPs em compactos ou modulares.

g) CLPs compactos

Possuem incorporados em uma única unidade : fonte de alimentação, a CPU e os módulos d eentrada e saída, ficando o usuário com acesso somente aos conectores de entrada e saída.Este tipo de estrutura é empregado para CLPs de pequeno porte.Atualmente suportam uma grande variedade de módulos especiais ,tais como :

Entradas e saídas analógicas; Contadores rápidos; Módulos de comunicação; Interface homem-máquina ( IHM ); Expansões de entrada e saídas.

h) CLPs modulares

Esses CLPs são compostos por uma estrutura modular, em que cada módulo executa uma determinada função.Podemos ter o processador e memória em um único módulo com fonte separada ou então as três partes juntas em um único gabinete.O sistema de entrada e saída é decomposto e módulos de acordo com suas carcterísticas.Eles são colocados em posições predefinidas ( racks) , formando uma configuaração de grande e médio porte.Os elementos que formam o CLP são : Rack Fonte de alimentação CPU Módulos de entrada e saída

i) Interfaces de entrada e saída

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Fonte de alimentação

CPU Entradas digitais

Saíadas digitais

Entradas analógicas

Saíadas analógicas

Unidade de programação ou supervisão

Conexão a outros controladores ou módulos de I/O remotos

Sensores digitais(botões,sensores de proximidade etc

Atuadores digitais(válvulas pneumáticas,relés etc.

Sensores analógicos(termopares,potenciômetros)atuadores analógicos(inversores de freqüência)

rack

Uma das vantagens de se utilizar os CLPs é que qualquer alteração na sequencia de funcionamento do processo, não necessita de alterar as conexões físicas,uma vez que não existe conexão física entre os dispositivos de entrada e saída com as entradas como em um painel elétrico convencional.

Exemplo : controlar o acionamento de uma válvula solenóide através de duas chaves fim de curso (CFC1 e CFC2 ) em série.

Considere agora que as duas chaves deverão ser colocadas em paralelo e uma terceira chave em série.

j) Módulos de entrada

Os módulos de entrada fazem a interface com os elementos de campo que enviam sinais para o CLP.As entradas de um CLP pode ser de dois tipos.

Entrada discreta ou digital: os valores de entrada podem assumir somente dois estados ou níveis bem definidos ( 0 ou 1 , on/off, ativado/desativado etc).Os dispositivos de entrada digital ,também chamadas entradas discretas,funcionam essencialmente como chaves,enviando o nível lógico 0 (OFF) quando abertas e nível lógico 1 (ON) quando fechadas.

Entradas contínuas ou analógicas : permitem que o CLP manipule grandezas analógicas que são normalmente enviadas por sensores eletrônicos.As grandezas eletrônicas são normalmente tensão e corrente.No caso de tensão as faixas são de 0 a 10 Vcc, 0 a 5 Vcc , 1 a 5 Vcc, -5 a +5 Vcc, -10 a +10 Vcc , no caso de interface que podem receber sinais positivos e negativos ,são chamadas de interfaces diferenciais.E no caso de corrente os sinais as faixas de utilização são 0 a 20 mA, 4 a 20 mA.Um sinal analógico representa uma grandeza contínua que pode assumir em um determinado instante qualquer valor entre dois limites.Como exemplo podemos citar o controle de nível da coluna de líquido de um tanque.O valor do transmissor de nível pode ser qualquer um entre o e 100% do nível, sendo essa informação enviada para o cartão de entrada do CLP.Outros exemplos de dispositivos que utilizam entradas analógicas são sensores de pressão,vazão,temperatura e densidade entre outros

Um questão importante que deve ser analisada nas entradas analógicas é sua resolução que normalmente é medida em bits.Exemplo:Uma placa de entrada analógica de 0 a 10Vcc com uma resolução de 8 bits permite uma resolução de 39,1 mV.Para determinar esse valor ,deve-se fazer a seguinte equação:

Resolução(8bits)=(10 – 0) / 2^8 = 39,1 mV Resolução(12bits)=(10 – 0)/ 2^12 = 2,4mV k)Módulos de saída

São resposáveis por fazer a interface do CLP e os elementos atuadores .Os módulos de saída podem ser de dois tipos:digitais ou analógicos.

Saídas digitais:admitem apenas dois estados( ligado ou desligado).Válvulas solenóides,contatores,alarmes,relés,sirenes e lâmpadas são exemplos de atuadores conectados às saídas digitais do CLP.

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CFC1 CFC2 VAL.

CFC1 CFC3 VAL.

CFC2

Saídas analógicas : um exemplo de saída analógica é um trandutor de corrente para pressão.Esse dispositivo recebe uma corrente do CLP ( por exemplo ,4 a 20 mA) e a converte em uma pressão proporcional ( por exemplo 3 a 15 psi ) ao valor da corrente recebida.Essa é uma forma típica de controle de abertura de válvulas pneumáticas proporcionais em uma malha de processo.

Exercícios propostos:

1 – Quando surgiu o CLP ?2 – Que problema o CLP pretendia resolver inicialmente ?3 – Defina sensores, controladores e atuadores.4 – Cite as vantagens e desvantagens do CLP em relação a outros sistemas de controle.5 – Quais são os componentes essenciais da arquitetura de um CLP?6 – O que é uma CPU,quais seu componentes e qual a sua função?7 – O que significa dizer que uma memória é volátil?8 – O que é ciclo de varredura?9- O que é tempo de varredura?10 – Porque é mais fácil alterar a lógica de funcionamento de um processo utilizando um CLP?11 – O que é um módulo de entrada digital?12 – Conceitue o módulo de entrada analógica.13 – Caracterize um módulo de saída analógico.14 – Qual o valor de saída em corrente de um CLP,quando desejamos que uma válvula de controle esteja 70% aberta , onde a faixa de operação da válvula é de 3 a 15 psi e o sinal de saída é de 4 a 20mA?15 – Defina o que é mecanização.16 – Defina o que é automação.17 – Qual a diferença entre mecanização e automação ?18 – Qual o valor a ser processado por um CLP com resolução de 8 bits,quando recebe um sinal de 4Vcc de um sensor que trabalha na faixa de 1 a 5 Vcc?

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