FACULDADE DE TECNOLOGIA DE GARÇA – FATEC
CURSO TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
MARIELENA TÓFOLI
RICARDO AKIRA HIGA
ESTUDO COMPARATIVO ENTRE CLP E MICROCONTROLADOR
EM UM ELEVADOR DE BAIXA COMPLEXIDADE PARA CARGA
GARÇA
2014
FACULDADE DE TECNOLOGIA DE GARÇA – FATEC
CURSO TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
MARIELENA TÓFOLI
RICARDO AKIRA HIGA
ESTUDO COMPARATIVO ENTRE CLP E MICROCONTROLADOR
EM UM ELEVADOR DE BAIXA COMPLEXIDADE PARA CARGA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à
Faculdade de Tecnologia de Garça – FATEC,
como requisito para conclusão do Curso de
Tecnologia em Mecatrônica Industrial.
Orientador: Prof° Grad. Edson Mancuzo
GARÇA
2014
FACULDADE DE TECNOLOGIA DE GARÇA – FATEC
CURSO TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
MARIELENA TÓFOLI
RICARDO AKIRA HIGA
ESTUDO COMPARATIVO ENTRE CLP E MICROCONTROLADOR
EM UM ELEVADOR DE BAIXA COMPLEXIDADE PARA CARGA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à
Faculdade de Tecnologia de Garça – FATEC,
como requisito para a conclusão do Curso de
Tecnologia em Mecatrônica Industrial,
examinado pela seguinte comissão de
professores:
Data da Aprovação: 11/07/2014
_________________________________
Prof° Grad. Edson Mancuzo
FATEC Garça
_________________________________
Prof° Ms. Idelberto de Genova Bugatti
FATEC Garça
_________________________________
Prof° Ms. Gustavo Adolfo Mesquita Serva
Coraini
FATEC Garça
2
1ESTUDO COMPARATIVO ENTRE CLP E MICROCONTROLADOR EM UM
ELEVADOR DE BAIXA COMPLEXIDADE PARA CARGA
Marielena Fonseca Tófoli1
Ricardo Akira Higa1
Orientador2: Prof° Grad. Edson Mancuzo
Resumo: Este projeto é um estudo comparativo entre dois sistemas de controle, sendo um
Microcontrolador e outro, um Controlador Lógico Programável (CLP), com aplicação em um
transporte vertical, nomeado como elevador de baixa complexidade para carga. Os dois
sistemas tem aplicação em ambientes industriais e possuem características próprias às quais
influenciam na decisão de qual será o mais adequado para a situação. A aplicação desses
sistemas de controle em um transporte vertical é de grande auxílio para o transporte de peças
e produtos de um setor para outro. Esses sistemas podem ser utilizados principalmente, em
indústrias, prédios comerciais entre outros. O estudo comparativo entre esses sistemas de
controle tem relevância, pois abordará variáveis importantes de acordo com as especificidades
do projeto/máquina, com o objetivo de auxiliar o projetista sobre a melhor escolha do sistema.
Para a realização do mesmo, abrangeram-se áreas e projetos anteriores estudados durante o
curso, neste caso, realizar a programação dos sistemas de controle para simular, junto com a
parte eletrônica, computação e mecânica, um protótipo de um elevador de carga que será
controlado através dos sistemas de controle.
Palavras chave: Elevador. Transporte. Controle. Microcontrolador. CLP.
Abstract: The project is a comparative study between two systems of control, the
Microcontroller and Programmable Logic Controllers (PLC), with the application of a vertical
transportation, named as elevator of low complex to load. Both systems can be applied in
industrial environment, and the decision of which can be used in each situation will be
determined by their own characteristics. This control system application can be used in the
vertical transportation to help the transportation of pieces and products from a sector to
1 Alunos do Curso Tecnologia em Mecatrônica Industrial da Faculdade de Tecnologia de Garça
2 Docente do Curso Tecnologia em Mecatrônica Industrial da Faculdade de Tecnologia de Garça
3
another one. These systems may be used in industry, houses and commercial buildings. This
comparative study is important because it l approaches important variables according to
design/machine specificities with the objective of helping the designer about choosing the
better system. For its realization, some studies in specific areas and previous projects
developed during the course were used such as programming of control systems to simulate,
along with electronics mechanics and computing, a freight elevator prototype controlled by
control systems was built.
Keywords: Elevator. Transportation. Controll. Microcontroller. CLP.
1. INTRODUÇÃO
A automação é um sistema de equipamentos eletrônicos e/ou
mecânicos que controlam seu próprio funcionamento, quase sem a
intervenção do homem. Automação é diferente de mecanização, a
mecanização consiste simplesmente no uso de máquinas para realizar um
trabalho, substituindo assim o esforço físico do homem. Já a automação
possibilita fazer um trabalho por meio de máquinas controladas
automaticamente, capazes de se regularem sozinhas ou não. (PINTO, 2005,
p. 9).
De acordo com Pinto (2005), uma das primeiras formas que o homem utilizou para
mecanizar processos manuais com a intenção de poupar esforços, foi com invenções como a
roda, rodas d’água e moinho movido por vento e força animal. Porém, foi a partir da segunda
metade do século XVIII que a automação destacou-se, devido ao sistema de produção agrária
e artesanal transformar-se em industrial. No inicio do século XX, com a necessidade do
aumento da produção e a produtividade, surgiram uma série de inovações tecnológicas como,
por exemplo, máquinas modernas capazes de produzir com maior rapidez e precisão em
relação ao trabalho manual e, também, a utilização de fontes alternativas de energia, como o
vapor, utilizado para a substituição de energias hidráulica e muscular. “[...] a tecnologia da
automação passou a contar com computadores, servomecanismos e controladores
programáveis. Os computadores são o alicerce de toda a tecnologia da automação
contemporânea.” (PINTO, 2005, p. 10).
Segundo Goeking (2010), algumas criações foram responsáveis por criações maiores
que são utilizadas atualmente, é o caso do transistor, criado em torno da década de 1950 e é
responsável por impulsionar o desenvolvimento da automação. Com o uso do transistor e da
eletrônica, desenvolveram os primeiros computadores industriais e, também, devido à criação
4
do transistor, por volta da década de 1960 cria-se o primeiro Circuito Integrado (CI), que é
composto por vários transistores integrados em uma pastilha de silício. A partir de 1960, o
microprocessamento começou a ser comercializado e, também o surgimento dos primeiros
robôs mecânicos incorporados com sistemas de microprocessamento unindo tecnologias
mecânicas e elétricas. De acordo com Gimenez (2010), em 1968, a INTEL surge e começa a
desenvolver microprocessadores, e em 1976 ela lançou o primeiro microcontrolador, o 8048,
e após quatro anos, o microcontrolador mais famoso da história, o mesmo abordado para
estudo neste artigo, o 8051. Entretanto, microcontroladores e microprocessadores podem ser
comparados, mas é a partir deste marco, que eles tomam caminhos diferentes, porém, todos os
avanços tecnológicos existentes se devem a eles.
Para Camargo e Franchi (2013), por mais que a automação tenha sido um grande
avanço, principalmente para as indústrias automobilísticas que se adaptaram no processo
automatizado, tinham como desvantagem um sistema de controle não flexível, oferecendo
poucas opções para o mercado. Com isso, surgiu a necessidade de sistemas flexíveis, e em
1968 desenvolveram o PLC (Programmable Logic Controller) ou CLP (Controlador Lógico
Programável), tal equipamento era programado de acordo com a necessidade da produção,
onde era possível, quando necessário, alterar uma linha de produção alterando apenas a
programação (software) do CLP, e não a lógica de controle dos painéis de comando que
implicava em grande perda de tempo e dinheiro.
Com tais evoluções e desenvolvimentos, atualmente, a grande maioria dos processos
são automatizados através de sistemas de controle, tais sistemas possuem características
próprias às quais podem interferir no processo quando não são escolhidas adequadamente.
Essas características serão abordadas com um estudo comparativo entre dois sistemas
de controle, o CLP e o microcontrolador. O CLP tem um custo elevado em comparação ao
microcontrolador, porém, ele é mais completo e tem capacidade de automatizar um processo
mais complexo, já o microcontrolador é um sistema de controle com aplicação mais
específica e simples e possui um custo baixo. De acordo com essas características o trabalho
se torna relevante, pois com um estudo comparativo desses sistemas de controle, será possível
auxiliar o projetista na escolha mais adequada. Tal estudo será feito através da aplicação
desses sistemas de controle citados em um protótipo de um elevador de baixa complexidade
de carga, onde será possível analisar de cada sistema, as linguagens de programação,
interferências, custo e complexidade na montagem.
5
2. DESENVOLVIMENTO
2.1 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL – CLP/PLC
Um Controlador Lógico Programável é definido pelo IEC
(International Electrotechnical Commission) como: “Sistema eletrônico
operando digitalmente, projetado para uso em um ambiente industrial, que
usa uma memória programável para a armazenagem interna de instruções
orientadas para o usuário para implementar funções específicas, tais como
lógica, sequencial, temporização, contagem e aritmética, para controlar,
através de entradas e saídas digitais ou analógicas, vários tipos de
máquinas ou processos. O controlador programável e seus periféricos
associados são projetados para serem facilmente integráveis em um sistema
de controle industrial e facilmente usados em todas suas funções previstas.”
(FRANCHI; CAMARGO, 2013, p. 23).
Figura 1 - CLP SIEMENS S7-300
Fonte: SIEMENS.
2.1.1 Funcionamento
O funcionamento do CLP tem base nas entradas de informações, o processamento das
mesmas e a saída de outras informações que são os resultados do processamento. Para esse
funcionamento, é necessário que ele possua uma estrutura (Fig. 2) que contenha portas de
entrada/saída (I/O), a CPU (Central Processing Unit, em português Unidade Central de
Processamento) e memória (situada no interior da CPU).
6
Figura 2 - Diagrama de blocos do CLP - Estrutura
Fonte: Adaptado de Camargo e Franchi (2013, p. 30-31).
Segundo Camargo e Franchi (2013), existem dois tipos de CLP, o Compacto e o
Modular, o CLP compacto tem como característica possuir todos os módulos necessários
(CPU, fonte de alimentação e módulos de entrada/saída) em uma única unidade, necessitando
apenas da programação e a alimentação, mas têm como limitação as portas de entrada e saída,
que já são determinadas pelo fabricante, esse tipo de CLP é normalmente empregado para
CLPs de pequeno porte. Já o modular, possui uma base (rack) e nela pode-se inserir os
módulos (entradas/saídas, CPU, fonte de alimentação e memórias), o modular tem como
vantagem, uma maior disponibilidade de portas de entrada e saída, já que se pode inserir, de
acordo com a base, mais unidades, normalmente é empregado em CLPs de grande porte, que
podem tratar de centenas de pontos de entrada/saída.
2.1.2 Estrutura/Arquitetura
O CLP é composto basicamente por:
CPU (Central Processor Unit/Unidade Central de Processamento):
Entrada
digital
Entrada
analógica
Unidade Central
de
Processamento
(CPU) Saída
analógica
Saída
digital
Fonte de
alimentação
Alimentação CA ou CC
Comunicação
Principais componentes da CPU
Processador Memória
Fonte de
Alimentação
7
É responsável por comandar todas as atividades do CLP. É a unidade responsável pela
execução do programa principal e pelo gerenciamento do processo. Ela é quem recebe as
informações das portas de entrada, processa e envia informações para as portas de saída,
gerando um ciclo e executando o programa que está armazenado na memória de programa.
Portas I/O (Input/Output) ou E/S (Entrada/Saída):
São responsáveis pela comunicação do CPU com o mundo exterior e do mundo
exterior com o CPU. São essas portas que recebem informações vindas de sensores, botões e
etc. (portas de entrada) e as que enviam informações para atuadores e válvulas (portas de
saída). As portas I/O podem ser analógicas ou digitais.
Fonte de alimentação:
Responsável pelo fornecimento da energia ao CLP.
Memória:
Memória de programa: armazena o programa principal, desenvolvido pelo
programador de acordo com o processo ou máquina que deseja controlar. Utiliza-se memória
EPROM (memória não volátil), não perdendo o programa com falta de energia.
Memória de dados: armazena temporariamente os dados do programa (por exemplo,
informações de sensores que são úteis apenas na hora do processo). Utiliza-se memória RAM
(memória volátil), perdendo os dados com a falta de energia.
2.1.3 Linguagem de Programação
“Linguagem de programação é um conjunto padronizado de instruções que o sistema
computacional é capaz de reconhecer.” (CAMARGO; FRANCHI, 2013, p. 95)
A linguagem de programação que o CLP utiliza segue uma norma, que atende ao
ponto de vista das empresas usuárias do equipamento, que seria um desperdício de recursos já
que as habilidades desenvolvidas por seus funcionários na utilização de um determinado tipo
de CLP não poderiam ser reaproveitadas caso houvesse uma substituição por outro tipo ou
fabricante. Assim, criou-se um grupo de trabalho no IEC (International Electrotechnical
Commission) para estabelecer normas de procedimentos para o controle do equipamento.
Anos depois, no inicio da década de 90, a norma foi revisada e recebeu o número IEC 61131
cuja terceira parte – IEC 61131-3 – trata de linguagens de programação.
8
A norma IEC 61131-3 definiu cinco linguagens de programação que são divididas em
dois grupos, gráficas e textuais, como mostra a tabela 1:
Tabela 1 - Descrição das linguagens segundo a norma IEC 61131-3
Texto Estruturado (ST)
Lista de Instruções (IL)
Diagrama de Blocos e Funções (FDB)
GRÁFICAS Linguagem Ladder (LD)
Sequenciamento Gráfico de Funções (SFC)
Fonte: CAMARGO; FRANCHI (2013, p. 106).
Atualmente, a mais utilizada entre os programadores é a programação em Ladder, que
é considerada mais simples de se compreender e uma aprendizagem mais rápida, devido a sua
lógica baseada em contatos e ser semelhante com a de diagramas elétricos. Nas tabelas 2 e 3,
é possível ver, respectivamente, a representação dos contatos e bobinas na programação
Ladder utilizada por alguns fabricantes de CLPs:
Tabela 2 - Símbolos Ladder para contatos, utilizados por alguns fabricantes de CLPs
Fabricante Contato Normalmente
Fechado (NF) (entrada)
Contato Normalmente
Aberto (NA)
IEC 61131-3
Allen-Bradley
Siemens S7
GE Fanuc
Fonte: CAMARGO; FRANCHI (2013, p. 112).
Tabela 3 - Representação de bobinas em Ladder por alguns fabricantes de CLPs
Fabricante Bobina (saída) Bobina Negada
IEC 61131-3
Allen-Bradley Não disponível
GE Fanuc
Siemens S7 Não disponível
Fonte: CAMARGO; FRANCHI (2013, p. 113).
TEXTUAIS
9
2.2 MICROCONTROLADOR
Um microcontrolador é um sistema computacional completo, no
qual estão incluídos uma CPU (Central Processor Unit), memória de dados e
programa, um sistema de clock, portas de I/O (Input/Output), além de outros
possíveis periféricos, tais como, módulos de temporização e conversores
A/D entre outros, integrados em um mesmo componente. (DENARDIN,
[2011?], p. 2).
Figura 3 - Microcontrolador AT89S52 (ATMEL)
Fonte: Os autores.
2.2.1 Funcionamento
De acordo com os estudos e conhecimentos obtidos no decorrer do curso em aulas
referentes à Automação Industrial e Sistemas Microcontrolados, concluímos que o
microcontrolador é um componente que tem por definição ser um sistema computacional
completo. Genericamente, os microcontroladores possuem uma CPU, memórias e portas de
entrada e saída, também possuem periféricos que são circuitos auxiliares para o controle de
dispositivos, como, por exemplo, contadores e temporizadores. Devido à integração dessas
ferramentas em um único chip, o microcontrolador é um projeto mais compacto e com custo
reduzido.
Cada microcontrolador possui uma estrutura interna de periféricos, incluindo
entradas/saídas, onde cada pino tem sua função específica, para o desenvolvimento da
aplicação (sistema de controle) é necessário o conhecimento de sua pinagem. O
microcontrolador utilizado na apresentação deste artigo é o AT89S52, e sua estrutura e
descrição de pinagem segue, respectivamente, na Figura 4 e na Tabela 4:
10
Figura 4 - Pinagem do 8051
Fonte: Datasheet ATMEL AT89S52 ([2001?], p. 2).
Tabela 4 - Descrição da pinagem do 8051
Nome Símbolo Numeração Descrição/Função dos pinos
Fonte de alimentação VCC 40 Entrada do positivo da fonte de
alimentação
Terra GND 20 Entrada do terra (GND) do circuito
Porta 0 P0.0 a P0.7 ou
AD0 a AD7
39 a 32 A porta 0 é uma porta de entrada e
saída bidirecional de 8 bits.
Porta 1 P1.0 a P1.7 e
P1.0 = T2 e
P1.1 = T2EX
1 a 8 A porta 1 é uma porta de entrada e
saída bidirecional de 8 bits com
pullups internos. Além disso, os
pinos P1.0 e P1.1 podem ser
configurados como temporizadores
ou contadores.
Porta 2 P2.0 a P2.7 ou
A8 a A15
21 a 28 A porta 2 é uma porta de entrada e
saída bidirecional de 8 bits com
pullups internos.
Porta 3 P3.0 a P3.7 ou
respectivamente
10 a 17 A porta 3 é uma porta de entrada e
saída bidirecional de 8 bits com
11
RXD, TXD,
INT0\, INT1\,
T0, T1, WR\,
RD\
pullups internos.
A porta 3 também serve as funções
de vários recursos especiais do
AT89S52.
Reset RST 9 Entrada se Reset. Um nível lógico
alto nesse pino por dois ciclos de
máquina: enquanto o oscilador está
sendo executado, reseta o
dispositivo (inicializa alguns
registradores internos com valores
pré-definidos pelo fabricante).
Address Latch
Enable/PROG\
(pulso habilitador de
captura de endereço)
ALE/PROG\ 30 Pulso de saída que indica a um
dispositivo externo que ele deve
captar o sinal de endereço no
barramento de endereço e os dados
que estão multiplexados no tempo.
Em operação normal, o sinal de
ALE é emitido a uma razão
constante de 1/6 da frequência do
oscilador e pode ser utilizado para
fins de clock ou temporizador
externo.
Program Store
Enable (pulso
habilitador de
armazenamento de
programa)
PSEN\ 29 É o pulso de leitura para a memória
de programa externo. Quando o
dispositivo esta executando o
código da memória de programa
externa, PSEN\ é ativado duas
vezes a cada ciclo de máquina,
exceto quando existe acesso à
memória de dados externa.
External Acess
Enable Programming
Supply Voltage
EA\/VPP 31 EA\ deve ser ligado a GND para
habilitar o dispositivo a buscar
código da memória de programa
12
externa no endereço inicial de
0000h até FFFFh.
EA\ deve ser ligado a GND para
execução do programa contido na
memória ROM/EPROM interna.
Entrada do
amplificador
oscilador inversor
XTAL1 19 Entrada para o amplificador
oscilador inversor e a entrada do
circuito de operação do clock.
Entrada do
amplificador
oscilador inversor
XTAL2 18 Entrada de oscilador.
Fonte: Adaptado de Gimenez (2009, p. 22-23) e do Datasheet ATMEL AT89S52 ([2001?], p. 4-5).
Seu funcionamento é similar a de um CLP, a diferença se encontra nas portas I/O.
No microcontrolador, como mostrado na tabela 4, onde contém o nome e a disposição
do pino, que exige circuitos obrigatórios pré-definidos pelo fabricante para seu correto
funcionamento, esses circuitos devem ser conectados nos pinos do microcontrolador de
acordo com o datasheet do mesmo, no caso do microcontrolador utilizado (AT89S52), os
pinos que necessitam destes circuitos são: 40 – VCC, necessária a alimentação do
microcontrolador (5v); 20 – GND, necessário o aterramento do circuito; 9 – RST e 31 –
EA\/VPP são ligados no mesmo circuito, como mostra na Figura 5; 19 – XTAL 1 e 18 –
XTAL2, também são ligados no mesmo circuito, como mostra na Figura 6.
Figura 5 - Circuito de reset para a família de microcontroladores MCS-51 da Intel
Fonte: GIMENEZ (2009, p. 40).
R1
10k
Ch1
VCC
+ C1
10F Reset do
8051 (9)
13
Figura 6 - Circuito do sinal de relógio (clock)
Fonte: Datasheet ATMEL AT89S52Datasheet (p. 15, [2001?]).
No funcionamento do microcontrolador, inicialmente, todas as portas são consideradas
entradas, o que torna necessário definir quais são realmente entradas e quais são saídas no
programa desenvolvido para a execução. Tal programa deverá conter além da definição das
portas, a sequência lógica das instruções para executar a função desejada de controle. Esse
programa fica armazenado em uma memória do microcontrolador, que é acessada através do
processamento da CPU assim que o microcontrolador é ligado, processando e mandando
informações para as portas I/O e/ou periféricos de acordo com a lógica definida no programa
para o acionamento das saídas.
Figura 7 - Blocos básicos de microcomputadores
Fonte: GIMENEZ (2009, p. 5)
Unidade lógica e
aritmética (ALU)
Registradores
Temporizadores e
controles
Unidade de
processamento
central (CPU)
Microprocessador
Memória de armazenamento
de programa (não-volátil)
Memória de armazenamento
de dados (volátil)
Unidade de memória
Saída de informação
Entrada de
informação
Unidade de
entrada e saída
(I/O ou E/S)
14
2.2.2 Estrutura/Arquitetura
A estrutura de um microcontrolador é semelhante com a do CLP, que é composta por
uma CPU, memórias e portas I/O, com a única diferença sendo no sistema de Clock e
Periféricos.
O sistema de Clock é responsável pelo fornecimento da frequência em que o CPU
trabalha, que tem por função controlar o sequenciamento das instruções da CPU. Já os
periféricos são circuitos auxiliares que possibilitam o controle de dispositivos, tais como,
contadores, conversores analógico/digital e digital/analógico, temporizadores e entre outros.
2.2.3 Linguagem de Programação
Os microcontroladores inicialmente eram programados em linguagem Assembly,
considerando que cada microcontrolador tem um conjunto específico de instruções, ou seja, o
código de máquina. E também, os microcontroladores apresentavam uma capacidade de
memória de programa limitada, mas com o desenvolvimento tecnológico eles ganharam mais
espaço de armazenamento na memória de programa, possibilitando a utilização de novos tipos
de linguagens de programação, como por exemplo, a mais usada atualmente, a linguagem C.
O padrão definido para a linguagem C pelo ANSI (American National Standards
Institute) padroniza a operação dos compiladores utilizados para fazer a transformação dos
programas em C, que neste caso, é realizado em duas etapas: primeiramente, a programação
em C é realizada e compilada para o código Assembly, posteriormente, o compilador próprio
para linguagem Assembly gera o código de máquina que é o código que o microcontrolador é
capaz de interpretar para executar o programa.
Segundo Pereira (2005, p. 17): “Utilizando C, a curva de aprendizado de um novo
microcontrolador pode ser substancialmente reduzida uma vez que o programador tem de se
preocupar basicamente com os periféricos e não com a linguagem do chip.”, isso se dá porque
cada microcontrolador possui seu próprio código de máquina.
2.3 DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO
Para o desenvolvimento físico do protótipo, de acordo com o artigo apresentado, foi
necessário dividir a montagem em três partes: uma para o elevador, que é a estrutura física
15
para a aplicação e comparação dos sistemas de controle; uma para o CLP e outra para o
microcontrolador.
2.3.1 Elevador
Para o desenvolvimento da parte física do elevador, foram utilizados: a confecção de
um elevador em uma estrutura em madeira, três sensores indutivos que trabalham com tensões
entre 10VCC a 30VCC da FESTO, um motor utilizado originalmente em automóveis como
um levantador de vidros de 12VCC da BOSCH, uma corrente de comando de válvula
utilizada originalmente em uma motocicleta Biz, um contrapeso de acrílico e três botoeiras. O
desenvolvimento inicia-se com a fixação dos sensores em lugares estratégicos em cada andar,
garantindo um acionamento e uma parada precisa, dependendo juntamente do acionamento
das botoeiras, resultando no acionamento e parada do motor de acordo com a lógica de
programação. A transmissão do elevador é através da corrente de comando e do auxilio do
contrapeso.
Figura 8 – Vista frontal e interna do protótipo
Fonte: Os autores.
A lógica de funcionamento do elevador foi elaborada através de um fluxograma, que
auxiliou na programação nos dois sistemas de controle, como mostra no Fluxograma 1:
16
Fluxograma 1 - Fluxograma da lógica de funcionamento do elevador
Fonte: Os autores.
INÍCIO
FIM
1° Andar
(Botão 1) Sensor do
1° andar
Sensor do
1° andar
Motor liga
no sentido
horário
Desliga
motor
FIM
2° Andar
(Botão 2)
FIM
Sensor do
2° andar
Sensor do
1° andar
Sensor do
2° andar
Motor liga
no sentido
anti-horário
Desliga
motor
FIM
Sensor do
2° andar
Motor liga
no sentido
horário
Desliga
motor Sensor do
3° andar
FIM FIM
FIM
FIM
3° Andar
(Botão 1) Sensor do
3° andar
Sensor do
3° andar
Motor liga
no sentido
anti-horário
Desliga
motor
FIM
Legenda:
Sentido do fluxo de informações, a direção que o processo se move;
Representa questões/alternativas que possuem dois resultados (S/N);
Ação a se realizar;
Início e fim do fluxo;
S / N Tomada de decisão: S – Sim / N – Não.
S
N S
S N
N
N
N
N
N
N
N
N
S
S
S S
S
N
N
S
S
S
S
17
De acordo com o fluxograma 1, é possível acompanhar cada etapa do funcionamento
do elevador. A lógica de funcionamento é a mesma para ambos os sistemas de controle,
diferenciando-se apenas no modo de controle e montagem.
O funcionamento inicia-se com o pressionamento de um dos botões, tais botões estão
situados próximos a caixa de controle (caixa onde estão os circuitos eletrônicos citados no
artigo) e são considerados entradas para os dois sistemas de controle, o que se entende como
leitura de informações que precisam ser processadas, esse processamento ocorre com a analise
através da lógica definida no programa, onde a próxima condição a ser analisada são os
sensores, que dependendo do seu estado (ativo/inativo), uma saída é acionada de acordo com
a lógica de programação. Ou seja, a partir do momento em que algum botão é pressionado, o
sistema de controle faz o processamento da informação recebida e verifica qual sensor está
ativo, assim, dando a condição de acionamento do motor, podendo ser no sentido anti-horário
ou horário, a parada do elevador no andar desejado (botão pressionado) também é dada pelos
sensores, porém, o sensor que dará a ordem de parada do elevador, será o que está situado no
andar do botão pressionado. Por exemplo, ao acionar o botão do primeiro andar, de acordo
com a lógica do programa, ocorrerá uma verificação do estado do sensor do primeiro andar,
caso seu estado seja ativo (1) significa que o elevador já está naquele andar, assim, não
executará nenhuma ação; caso esteja inativo (0), significa que o elevador está no segundo ou
terceiro andar, dando a condição para o acionamento do motor no sentido horário, que faz a
descida da cabine do elevador até chegar no primeiro andar, onde ocorrerá o acionamento
(presença da cabine do elevador) do sensor do primeiro andar, que de acordo com a lógica do
programa, desliga-se o motor.
2.4 DESENVOLVIMENTO COM CLP
Para o desenvolvimento do sistema de controle utilizando o CLP, foram utilizados: um
CLP S7-300 da Siemens, software para a realização da programação em Ladder e gravação
(download) do programa no CLP, conexões com os componentes do elevador, uma fonte de
12VCC e uma placa eletrônica para o controle do acionamento das saídas. O desenvolvimento
e funcionamento iniciam-se com a programação da lógica do protótipo realizada no software
STEP7, posteriormente gravada no CLP. Em seguida, as conexões com os componentes são
feitas através das entradas e saídas do CLP, sendo conectados os sensores e botoeiras nas
entradas e, na saída o motor.
18
Quando se utiliza atuadores que exigem correntes ou tensões diferentes da fornecida
pela saída do CLP, é necessário utilizar diodos e relés para a proteção do equipamento (CLP),
evitando que queime a saída. Os diodos são usados para evitar uma corrente inversa nas
bobinas do relé. Os relés são usados para o acionamento do atuador, evitando a ligação direta
entre o CLP e o atuador. Portanto, foi feita a confecção de uma placa eletrônica que possui a
lógica de acionamento com relés e diodos citada acima (Figura 8), que tem por função fazer o
acionamento do motor que trabalha com tensão de 12VCC e corrente de 1,25A. O diagrama
esquemático da placa eletrônica pode ser visto na figura 8.
Figura 9 - Diagrama esquemático: Placa eletrônica para o acionamento do motor utilizando o CLP
Fonte: Os autores
2.5 DESENVOLVIMENTO COM MICROCONTROLADOR
Para o desenvolvimento do sistema de controle utilizando o microcontrolador, foi
utilizado: um Kit de Eletrônica Festo que utiliza uma Unidade Principal com o módulo
8051/52 (ANEXO), um microcontrolador AT89S52 da ATMEL, conexões com Kit e módulo,
software para a programação, compilação e gravação do programa em linguagem C, uma
fonte de 12VCC, três sensores indutivos que trabalham com tensões entre 10VCC a 30VCC,
três botoeiras, uma placa eletrônica para o condicionamento de sinais e interface entre o
microcontrolador e motor e uma placa eletrônica reguladora de tensão (12VCC para 5VCC) .
O desenvolvimento e funcionamento iniciam-se com a programação em linguagem C
utilizando o software DEV C++, em seguida, compila-se o programa e faz a gravação através
19
do software o ProgCnz juntamente com o Kit de Eletrônica Festo, que possui o recurso que
possibilita a gravação do microcontrolador, após o término da gravação, são feitas as
conexões entre o Kit de Eletrônica da Festo que contém o módulo com microcontrolador e as
placas eletrônicas citadas anteriormente, que tem por função controlar tensão e corrente no
circuito, evitando tensões e correntes superiores admitidas pelo microcontrolador, auxiliando
também no acionamento do motor e uma fonte de 12VCC. É valido destacar, que a placa
eletrônica citada anteriormente possui o mesmo conceito da placa eletrônica citada no
capítulo anterior (2.4, p. 18).
3. PONTOS COMPARATIVOS
3.1 RUÍDOS
Segundo Sanches (2003), com o aumento de equipamentos e aplicações que utilizam a
eletrônica embarcada, que tem por conceito ser um conjunto de hardware e software de
propósito especifico, a interferência eletromagnética se torna mais comum nos projetos.
Ainda segundo Sanches (2003), o ruído elétrico é qualquer sinal elétrico presente em
um circuito que não seja desejado pelo usuário. O ruído elétrico tem como nome genérico
Interferência Eletromagnética, em inglês EMI (Eletromagnetic Interference), e também, Por
sua vez, a interferência por radiofreqüência é uma energia elétrica contida dentro do espectro
das transmissões de ondas de rádio. A RFI (Radio Frequency Interference), conduzida é mais
facilmente encontrada nas freqüências de alguns KHz até 30MHz. A RFI por irradiação é
encontrada na faixa de freqüência que vai dos 30MHz até 10GHz
De acordo com Durval (2010), os ruídos podem ser causados tanto por fatores
externos e internos. Os fatores internos podem ser: o não aterramento correto dos
componentes, a posição dos componentes na placa eletrônica que realiza o controle, o próprio
circuito impresso (layout), a composição da placa de circuito, alimentação do circuito e o
acionamento de motores. Já para os fatores externos, temos interferências como, por exemplo,
sinais de uma emissora de TV ou rádio, vibrações, descargas atmosféricas ou fontes artificiais
como motores, fontes de potencia e circuitos chaveados.
Para os dois sistemas de controle que estão sendo comparados, o ruído pode estar
presente em ambos. Com o conhecimento e pesquisas obtidos no desenvolvimento deste
artigo e com embasamento no desenvolvimento do protótipo, observamos que a comparação
referente a ruídos entre os sistemas de controle, o microcontrolador apresentou algumas
20
características próprias. Devido o microcontrolador necessitar de uma placa auxiliar para
fazer seu controle, a maneira de evitar inicialmente os ruídos foi com o desenvolvimento do
layout, tanto na posição dos componentes quanto nas trilhas (são necessários, no caso deste
microcontrolador, alguns circuitos para o seu correto funcionamento (2.2.1 p.), e estes
circuitos tem a necessidade de ficarem próximos ao microcontrolador, evitando assim, ruídos
na inicialização deste), além disso, para evitar ruídos na parte referente à alimentação do
microcontrolador, foram utilizados dois capacitores (220uF/50V e 100nF/50V) mas também,
filtros como os TVS (Transient Voltage Suppressors) e filtros EMI são algumas das soluções.
Camargo e Franchi (2013) enfatizam, que devido o CLP ter sua aplicação voltada para
indústria, os próprios fabricantes fazem testes de possíveis ruídos que podem interferir no
funcionamento adequado do equipamento. O CLP tem como característica vantajosa sobre o
microcontrolador referente a esses ruídos, a sua própria estrutura que é mais resistente a
ambientes severos.
3.2 COMPLEXIDADE NA MONTAGEM
A complexidade da montagem para os dois sistemas de controle se diferem em dois
pontos: a parte do hardware e a parte do software.
3.2.1 Hardware
O hardware é a parte física do sistema.
Neste tópico comparativo, o CLP apresenta vantagens sobre o microcontrolador.
O microcontrolador necessita de um circuito eletrônico auxiliar para fazer o seu
controle, esse circuito eletrônico faz a interface entre o microcontrolador com as entradas
(botoeiras e sensores) e saídas (motor) e também, que tem por função, inicializar e proteger o
sistema, controlar as tensões e correntes que chegam ao microcontrolador e o acionamento do
motor. Como visto no tópico referente à microcontrolador (2.2), ele necessita de circuitos
obrigatórios, tornando a montagem de hardware mais complexa, já que exige um
conhecimento avançado da eletrônica para desenvolver os circuitos. Já o CLP, necessita
apenas de contatores ou circuitos com relés para o acionamento de atuadores, no caso deste
artigo, foi realizada a confecção de uma placa eletrônica com relés para o acionamento do
motor. As ligações que o CLP necessita são em suas entradas e saídas, que normalmente são
21
os próprios fios dos componentes utilizados neste caso, nas entradas, são os sensores e as
botoeiras; e na saída, a placa eletrônica que auxilia o acionamento do motor.
3.2.2 Software
O software é o programa que controla o modo de operação do hardware, é a lógica de
programação realizada para atender conforme as especificidades da máquina e/ou processo o
modo de execução. E mais uma vez, o CLP tem suas vantagens.
O desenvolvimento do software para o microcontrolador deve atender às linguagens
próprias, tanto quanto o CLP, porém, a linguagem de programação para o microcontrolador é
mais complexa, possui mais comandos e regras de programação. A linguagem de
programação utilizada no microcontrolador foi a Linguagem C. O microcontrolador para ser
programado necessita de um compilador e gravador, que é o que gera a linguagem de
máquina e grava o programa no equipamento. Já a linguagem de programação que foi
utilizada para programar o CLP, é a Ladder, considerada mais simples de ser compreendida,
lembrando-se que a lógica de contatos de programação é similar com a de diagramas elétricos.
E, também, o CLP não necessita de um gravador a parte, apenas tem a necessidade de um
software que permita a realização da lógica do programa e um cabo de comunicação entre PC
e CLP para fazer download e upload de programas.
3.3 CUSTO
O critério principal para as empresas decidirem se é viável ou não a implementação de
um sistema de controle é o custo. Neste tópico de avaliação, o microcontrolador é melhor,
devido ao seu baixo custo.
O protótipo foi desenvolvido com equipamentos da própria instituição de ensino,
sendo eles: o CLP, software do CLP (STEP7), os sensores indutivos, as fontes de alimentação
e o gravador do microcontrolador (Kit de eletrônica Festo). Utilizamos o CLP da instituição
devido o seu custo ser relativamente alto de acordo com as pesquisas realizadas em sites de
compras de componentes eletrônicos (SIEMENS e Tekkno Mecatrônica), tendo o custo em
torno de R$2.000,00 e o software original (a licença para o uso), para realizar a configuração
do equipamento R$5.000,00. Já o microcontrolador, de acordo com pesquisas realizadas em
sites de compra, tem o valor em torno de R$10,00 e o seu gravador R$ 100,00.
22
4. CONCLUSÃO
Com o desenvolvimento do protótipo, englobando a parte física (hardware) e a parte
de programação (software), verificando e testando seu funcionamento e suas variáveis, foi
possível concluir que a escolha adequada do sistema de controle dependerá dos três fatores
comparados, dos quais dois são mais relevantes: a complexidade de montagem e o custo, já
que com os estudos referentes a ruídos, concluímos que ambos os sistemas de controle podem
sofrer interferência, sejam elas externas ou internas. Porém podemos amenizá-las através de
circuitos de proteção e filtros, do estudo do layout da placa de circuito impresso e em qual
ambiente será aplicado o sistema de controle. De acordo com as pesquisas e testes foi
constatado que o sistema de controle CLP é mais resistente a ruídos do que o
microcontrolador, devido a sua estrutura ser pré-definida pelo fabricante com as
especificidades adequadas ao equipamento. Por outro lado, o microcontrolador necessita de
um planejamento especifico de hardware e software sempre que for utilizado para realizar um
controle, necessitando de placas auxiliares para o correto funcionamento.
Já na complexidade de montagem, o CLP é vantajoso pois não necessita
obrigatoriamente de uma placa eletrônica para auxiliar o acionamento e recebimento de sinais.
Devemos também considerar a facilidade no desenvolvimento e compreensão da programação
quando comparado com a linguagem do microcontrolador.
Em relação ao custo, o microcontrolador é o mais acessível em comparação ao CLP. O
CLP necessita de um software original do fabricante para ser configurado, o que eleva muito
o seu custo, considerando que o próprio equipamento já possui um custo elevado, enquanto
que o microcontrolador necessita apenas de um gravador próprio, e o mesmo pode ser
encontrado por baixo custo em diversas lojas de componentes eletrônicos.
Assim, concluiu-se que a escolha do sistema de controle adequado na aplicação de um
elevador de carga de baixa complexidade, apesar da dificuldade do desenvolvimento do
projeto com o microcontrolador, é a opção mais adequada para esse controle.
Tal conclusão se resultou da análise da junção dos dois fatores mais relevantes para a
comparação. Na parte de complexidade de montagem, apesar de o CLP ser menos complexo,
a sua aplicação é voltada para sistemas flexíveis onde é necessária apenas a mudança do
software para a realização de um novo controle de sistema, entretanto, o microcontrolador é o
mais exigente, tanto na parte de hardware como de software. Comparado ao CLP, o
microcontrolador tem por característica ser mais adequado para aplicações especificas, onde
não é necessário atualização ou modificação no seu software e no seu hardware, resultando
23
em apenas uma única montagem e aplicação o que leva a um baixo custo. Com isso, a escolha
do microcontrolador se tornou mais adequada devido a sua aplicação ser somente voltada para
o elevador de baixa complexidade de carga apresentado neste artigo.
REFERÊNCIAS
ATMEL. Datasheet AT89S52: 8-bit microcontroller with 8Kbytes In-System programmable
flash. Disponível em: <http://www.atmel.com/images/doc1919.pdf>. Acesso em: 16 set.
2013.
CASSIOLATO, César. EMI: interferência eletromagnética. Disponível em:
<http://www.profibus.org.br/artigos/EMI_Interferencia_Eletromagnetica.pdf>. Acesso em: 05
jun. 2014.
CETINKUNT, Sabri. Mecatrônica. Rio de Janeiro: LTC, 2008.
DENARDIN, Gustavo Weber. Microcontroladores. Disponível em:
<http://www.joinville.udesc.br/portal/professores/eduardo_henrique/materiais/apostila_micro
_do_Gustavo_Weber.pdf>. Acesso em: 25 maio 2014.
FRANCHI, Claiton Moro; CAMARGO, Valter Luis Arlindo. Controladores lógicos
programáveis: Sistemas Discretos. 2. ed. São Paulo: Érica, 2013.
GEORGINI, Marcelo. Automação aplicada: descrição e implementação de sistemas
sequenciais com CLPS. 6. ed. São Paulo: Érica, 2000.
GIMENEZ, Salvador Pinillos. Microcontroladores 8051: teoria do hardware e do
software/aplicações em controle digital/laboratório e simulação. São Paulo: Pearson Prentice
Hall, 2002.
GIMENEZ, Salvador Pinillos. Microcontroladores 8051: teoria e prática. São Paulo: Érica,
2010.
GOEKING, Weruska. Da máquina à vapor aos softwares de automação. Disponível em:
<http://www.osetoreletrico.com.br/web/component/content/articl e/57-artigos-e-materias/343-
xxxx.html>. Acesso em: 10 fev. 2014.
GOMES, Alex. Controle de máquinas e processos: a escolha entre controladores lógicos
programáveis e microcontroladores. 2013. 32 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação
em Tecnologia em Mecatrônica Industrial) - Faculdade de Tecnologia de Garça, Garça, 2013.
PINTO, Fábio da Costa. Sistemas de Automação e Controle. Disponível em:
<http://www.abraman.org.br/Arquivos/41/41.pdf>. Acesso em: 20 maio 2014.
ROSÁRIO, João Maurício. Automação industrial. São Paulo: Baraúna, 2009.
SANCHES, Durval. Interferencia eletromagnética. Rio de Janeiro: Interciência, 2003.
24
SCACHETTI, Heber A. Arquitetura de sistemas embarcados: controladores industriais,
2011. Disponível em: <http://www.ic.unicamp.br/~ducatte/mo401/1s2011/T2/Artigos/G12-
004933-t2.pdf>. Acesso em: 23 abr. 2014.
SIEMENS BRASIL. CLP Siemens S7-300. Disponível em:
<http://www.industry.siemens.com.br/automation/br/pt/automacao-e-controle/automacao-
industrial/simatic-plc/s7-cm/s7-300/Pages/Default.aspx>. Acesso em: 02 jun. 2014.
SMS. Ruídos de EMI/RFI. Disponível em: <http://www.sms.com.br/respostas-sms/sobre-
energia/disturbios-energia/ruidos/ruidos.asp>. Acesso em: 23 maio 2014.
25
ANEXO A - PLACA MICROCONTROLADA UTILIZADA NO KIT DE
ELETRÔNICA FESTO
APÊNDICE A – CIRCUITO PARA ACIONAMENTO DO MOTOR - CLP
26
APÊNDICE B – CIRCUITO REGULADOR DE TENSÃO – 12V PARA 5V
APÊNDICE C – PROGRAMAÇÃO EM C PARA O CONTROLE DA LÓGICA DE
FUNCIONAMENTO DO ELEVADOR
27
28
APÊNDICE D – PROGRAMAÇÃO EM LADDER PARA O CONTROLE DA LÓGICA
DE FUNCIONAMENTO DO ELEVADOR
I124.2 I124.4 I124.5 M124.1
M124.14
I124.3 I124.4 I124.6 M124.2
M124.2
I124.1 I124.5 I124.4 M124.3
M124.3
I124.5 I124.3 I124.6 M124.4
M124.4
I124.1 I124.6 I124.4 M124.5
M124.5
I124.2 I124.6 I124.5 M124.6
M124.6
M124.1 Q124.1
M124.2
M124.5
M124.4
M124.3 Q124.2
M124.6
LEGENDA: I124.1 – Botão andar 1 M124.2 – Memória sobe
I124.2 – Botão andar 2 M124.3 – Memória desce
I124.3 – Botão andar 3 M124.4 – Memória sobe
I124.4 – Sensor 1 M124.5 – Memória desce
I124.5 – Sensor 2 M124.6 – Memória desce
I124.6 – Sensor 3 Q124.1 – Motor sobe
M124.1 – Memória sobe Q124.2 – Motor desce
29
APÊNDICE E – CIRCUITO ELETRÔNICO PARA REALIZAÇÃO DO CONTROLE
UTILIZANDO MICROCONTROLADOR
30
APÊNDICE F – LIGAÇÃO DO CLP
I124.1 I124.2 I124.3 I124.4 I124.5 I124.6
Q124.1 Q124.2
CLP
SIEMENS S7-300
Botão Botão Botão Sensor Sensor Sensor Andar 1 Andar 2 Andar 3 Andar 1 Andar 2 Andar 3
Motor Motor Sent. Horário Sent. Anti-Horário
CLP
12 vcc
Circuito eletrônico auxiliar para acionamento
Top Related