CONTROLADORES INDUSTRIAIS
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NOSSA HISTÓRIA
A nossa história inicia com a realização do sonho de um grupo de empresários, em atender à crescente demanda de alunos para cursos de Graduação
e Pós-Graduação. Com isso foi criado a nossa instituição, como entidade oferecendo serviços educacionais em nível superior.
A instituição tem por objetivo formar diplomados nas diferentes áreas de
conhecimento, aptos para a inserção em setores profissionais e para a participação no desenvolvimento da sociedade brasileira, e colaborar na sua formação
contínua. Além de promover a divulgação de conhecimentos culturais, científicos
e técnicos que constituem patrimônio da humanidade e comunicar o saber através do ensino, de publicação ou outras normas de comunicação.
A nossa missão é oferecer qualidade em conhecimento e cultura de forma
confiável e eficiente para que o aluno tenha oportunidade de construir uma base
profissional e ética. Dessa forma, conquistando o espaço de uma das instituições
modelo no país na oferta de cursos, primando sempre pela inovação tecnológica,
excelência no atendimento e valor do serviço oferecido.
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Sumário
CONTROLADORES INDUSTRIAIS ........................................................ 1
NOSSA HISTÓRIA .................................................................................. 2
INTRODUÇÃO ......................................................................................... 5
SISTEMAS DE CONTROLE .................................................................... 7
CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS DE CONTROLE DE ACORDO COM
A APLICAÇÃO ....................................................................................... 13
Servomecanismo ............................................................................. 13
Regulatório ....................................................................................... 13
Sistema de controle numérico ...................................................... 14
Sistema de controle sequencial ..................................................... 14
Controle de Processos ................................................................... 14
CONTROLADORES ......................................................................... 15
Relés Eletromecânicos ................................................................... 15
Circuitos Eletrônicos com lógica fixa ........................................... 17
Computadores de Processo ........................................................... 17
Unidades Terminais Remotas ........................................................ 18
CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL..................................... 20
Princípio de Funcionamento de um CLP ............................................ 24
Estados de operação..................................................................... 24
Funcionamento .............................................................................. 24
PROGRAMAÇÃO DE CONTROLADORES PROGRAMÁVEIS .... 27
Programação em LADDER .............................................................. 28
Operandos básicos: ..................................................................... 29
Instruções Básicas: ..................................................................... 29
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Conjunto de Instruções ............................................................... 29
REFERÊNCIAS ..................................................................................... 31
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INTRODUÇÃO
Os sistemas de controle datam do século passado com os controles de
velocidade de máquinas a vapor de James Watt. No início do século os controles
eram totalmente manuais do tipo liga-desliga (on-off) utilizando indicadores locais de temperatura e pressão e atuadores pneumáticos de válvulas. Entre 1915
e 1930, surgiram os primeiros controles proporcionais e registradores gráficos
montados em campo. Após 1930, surgiram os controles de ganho ajustável mais
derivativos e a filosofia de ter uma sala de controle central e com isto, a necessidade de transmissão das informações para o centro de controle, onde a
solução utilizada foi a utilização de transmissores pneumáticos, quando surgiu o
primeiro padrão de transmissão de sinais utilizando pressão proporcional aos
sinais de entrada: 0,21 a 1,05kgf/cm2 – 3 a 15 PSI (libra por polegada ao quadrado).
Depois da II. Guerra Mundial surgiram as medidas analíticas em linha e
analisadores de gás, tudo isso graças ao início do processo de miniaturização
dos instrumentos, principalmente no final dos anos 40 com o impulso produzido
pelo advento dos transistores, utilização de controladores eletrônicos analógicos
e transmissão de sinais em correntes, surgindo o padrão de sinal em corrente (4
a 20mA).
No final dos anos 50, com o surgimento do circuito integrado, foram utilizados os primeiros sistemas de controle por computador. Surgiram nesta época
os padrões de transmissão de sinais analógicos em tensão (0 a 10V) e transmissão digital.
No início dos anos 60 houve uma grande evolução dos sensores e do
chamado controle digital direto (DDC-Direct Digital Control). No final desta
mesma década, surgiram nas industrias automotivas os primeiros controladores
programáveis, para substituírem os quadros de comandos elétricos.
Com introdução dos microprocessadores (1971), os Controladores Lógicos Programáveis (CLP´s), passaram a ser utilizados em diversos tipos de aplicações para automação de processos industriais e não industriais. Em 1976 os
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CLP’s foram utilizados como parte de um controle integrado de manufatura
(CIM).
Uma década após a MODICON (empresa americana pioneira na fabricação de CLP’s) ter introduzido os CLP’s em sua fabricação, iniciou-se a utilização
de redes industriais de comunicação que permitiram a interface entre diversos
dispositivos, somado ao rápido desenvolvimento dos microprocessadores e microcomputadores elevando a eficiência, confiabilidade e uma redução substancial dos preços. Desta forma, foi possível uma interconexão lógica para formar
um único sistema, logo surgiram os sistemas de controle distribuído. Ainda nos
anos 80, houve uma grande migração para os controles distribuídos. Nos anos
90, com o desenvolvimento dos CLP’s e dos componentes de rede, passou- se
a utilizar os SISTEMAS DIGITAIS DE CONTROLE DISTRIBUÍDO (SDCD´s)
como a melhor solução para sistemas integrados.
No mundo atual, a globalização da economia mundial conduziu-nos a uma
nova forma de organização social, onde os impactos podem ser comparados aos
da Revolução Industrial.
Neste contexto, novas tecnologias são exigidas no ambiente industrial e
agora com a crescente demanda no setor de Automação Predial, onde mudanças conceituais e de projeto são cada vez mais frequentes.
Os sistemas que se caracterizam pelo gerenciamento de processos de
forma integrada, em geral, são designados pelo nome de Controle Integrado de
Manufatura ou simplesmente – CIM. Estes possibilitaram a interligação dos níveis de gerenciamento, controle e supervisão dos sistemas de automação de
forma hierárquica com a utilização de complexos algoritmos, distribuição do controle e centralização de macro decisões, possibilitando o gerenciamento do processo tanto técnico como administrativamente.
Atualmente a base do CIM está no Sistema Digital de Controle Distribuído,
o SDCD, que representa praticamente os níveis de controle e execução (processo).
Não se pode pensar em CIM, SDCD, sem destacar a importância dos programas de supervisão e aquisição de dados e controle (SCADA – Supervisory
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Control and Data Acquisition), das redes industriais de comunicação padronizadas (FIELDBUSES), e dos protocolos abertos mais utilizados.
Os SDCD’ s inicialmente eram implementados com computadores digitais
específicos para este tipo de aplicação, no que se refere ao sistema operacional,
programas aplicativos de controle e supervisão, hardware e configurações de
seus dispositivos de entrada e saída. Estes equipamentos supriam as deficiências dos controladores lógicos programáveis (CLP´s), quanto a capacidade de
processamento, memória de programação, quantidades de entradas e saídas
(principalmente analógicas) e interface com o usuário/operador.
Com o crescente desenvolvimento dos CLP’s e das interfaces homemmáquina (IHM’s), os SDCD’s passaram a apresentar uma nova arquitetura, tornando-se bem mais flexíveis e com um custo bem menor. Desta forma, a maioria das implementações atuais passaram a ser redes de CLP’s gerenciadas por
sistemas SCADA’s. Deve-se levar em consideração que as deficiências apresentadas inicialmente pelos CLP’s, foram totalmente eliminadas, com características de eficiência, confiabilidade e flexibilidade superior às soluções precedentes.
SISTEMAS DE CONTROLE
Um sistema de controle é um conjunto de componentes agrupados com a
finalidade de controlar uma energia de entrada para alcançar uma saída desejada. Por exemplo,; num sistema de controle de temperatura, a energia térmica é regulada para manter a temperatura em um determinado valor dentro de
uma faixa preestabelecida. O sistema de controle consiste em supervisionar,
monitorar e comandar as entradas e saídas dos processos, para que as transformações sejam efetuadas dentro dos limites preestabelecidos.
O controle pode ser manual ou automático. O primeiro é efetuado através
dos sentidos e ação humana, enquanto o segundo, não depende da interferência
direta humana (sistema automático).
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Os sistemas de controle são divididos quanto a Estrutura e Função de
Transferência em:
Malha aberta: A ação de controle não depende das informações de saída.
Este tipo de controle é chamado controle com ajuste manual.
Malha fechada: A ação de controle depende de informações da reação da
saída (realimentação).
No controle em Malha Aberta a entrada define o comportamento do controlador, cérebro do sistema, e este responde agindo no ambiente, sem verificar
depois se o nível da grandeza física corresponde de fato à entrada, ou seja, não
há sensor para observar algum eventual desvio, nem realimentação, para corrigi-lo.
Ex.: Uma fonte de alimentação regulada com transistor é, na realidade,
um sistema de controle de malha aberta; se a corrente da carga variar, a tensão
na saída pode variar até algumas dezenas de mV, devido à variação na tensão
Vbe.
Figura 1 - Regulador a zener – malha aberta
A entrada, neste sistema, é a tensão de referência fornecida pelo diodo
zener, na base do transistor.
A saída, nesse mesmo sistema, no emissor é de aproximadamente 0.7 V
menor. O transistor, que é o controlador, amplifica a corrente, fornecendo à carga
mais corrente que poderia ser obtida sobre o zener, na base.
Os sistemas de Malha Fechada verificam a ocorrência de desvios, pois
contém um sensor, que monitora a saída (amostragem da variável a ser controlada), fornecendo um sinal que retorna à entrada, formando uma malha de realimentação (feedback). A entrada (referência) é combinada com a realimentação
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em um comparador que fornece um sinal de erro, diferença entre os sinais, que
orienta o controlador.
Poderemos dar dois exemplos de um sistema em malha fechada:
1. O operador de um reservatório verifica se o nível máximo foi atingido (set-point) através de uma régua de nível, que é o sensor. O
sinal de erro é a diferença entre o nível máximo, que é a entrada
desejada, e a saída, que é o nível atual. A comparação entre ambos é feita na mente do operador, que age abrindo ou fechando o
registro conforme o erro seja para mais (excesso do fluído) ou menos. Ele é ao mesmo tempo o comparador, o controlador e o atuador neste sistema elementar.
2. O outro exemplo, é verificado diariamente quando tomamos banho
de chuveiro e temos a nossa disposição água fria e água quente
para regularmos a temperatura ideal da água. Nosso corpo, nesse
caso, comporta-se como um medidor de temperatura enquanto o
nosso cérebro compara a temperatura que desejamos com a medida. Por intermédio de nossas mãos, o cérebro envia comando
para a abertura maior ou menor das torneiras.
Como vemos, os sistemas de controle em malha fechada são mais precisos, pois detectam e corrigem os desvios. A maioria dos sistemas atuais é deste
tipo.
Os sistemas em malha aberta são usados onde a frequência ou a conseqüência dos desvios não justificam a complexidade e o custo maior dos sistemas
em malha fechada.
Em um sistema em malha aberta, a entrada é o nível desejado da grandeza a ser controlada. O controlador avalia este sinal e envia um outro (que pode
ser elétrico ou mecânico, conforme o sistema) ao atuador, que é o elemento que
age no ambiente de modo a alterar a grandeza.
Um sistema elementar de controle de tensão de saída de um gerador
C.C., pouco em uso, compõe-se de um reostato (resistor ajustável de potência)
em série com o enrolamento de campo (excitatriz) do gerador. Um operador
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(controlador) ajusta o reostato, que é o atuador, comparando com uma escala
aferida (dial) variando a tensão de saída (V0). O sistema não é auto regulado, e
a tensão de saída poderá mudar conforme a carga (corrente solicitada) na saída
ou variação de velocidade da máquina primária.
Figura 2 – Controle da tensão de saída de um Dínamo – Malha aberta
Para efeito de estudo de um controle de processo os diagramas de blocos
para sistemas em malha fechada são representados como mostrado na figura a
seguir:
Figura 3 – Digrama de blocos simplificado para estudo de sistemas automáticos. R
– Referência;  - Erro; m – V. manipulada; C – V. controlada; F – Feedback)
Além dos blocos que compunham o sistema de controle em malha aberta,
temos um sensor, que reage à grandeza física enviando um sinal ao bloco somador, que subtrai este sinal ao de entrada (observe os sinais + e - nas entradas), fornecendo um sinal de erro ao controlador. Este sinal é a própria entrada
do controlador, que o avalia e tenta corrigir o desvio captado pelo sensor, através
de um novo comando ao atuador.
A maioria dos sistemas de controle são em malha fechada, devido às vantagens da realimentação negativa.
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Um controle automático possui uma arquitetura básica genérica mostrada
a seguir.
Figura 4 - Arquitetura básica de um sistema de controle.
Os sistemas de controle podem ser de um único laço de realimentação
(SINGLE LOOP CONTROLLERS) ou de multi-laços (MULTIPLE INPUT MULTIPLE OUTPUT).
Os sistemas de controle também se dividem em analógicos e digitais, conforme os sinais manipulados pelo controlador. Veja que as grandezas físicas são
sempre analógicas, variando desde um valor mínimo a um máximo continuamente.
Nos sistemas analógicos, todos os sinais são analógicos, e o controle é
feito em tempo integral. O sistema de controle é mais simples e em geral, mais
econômico. Suas desvantagens são a pouca flexibilidade, pois só se pode alterar
alguns parâmetros, não o tipo de ação de controle, a menos que se altere o
controlador (mudando o circuito, se o sistema de controle for eletrônico).
Os digitais são mais complexos, pois requer sempre uma interface de entrada, conversor analógico-digital, e uma de saída, conversor digital-analógico,
adaptando a saída do controlador (em alguns casos não é necessária, já que
muitos atuadores, são digitais - ligam ou desligam). Eles se diferenciam também
por atuarem por amostragem, ou seja, de tempos em tempos o controlador atua,
de acordo com o programa de controle, formando ciclos, entre os quais o sistema
não reage. Seu custo mais elevado (hoje cada vez menor, devido a evolução
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tecnológica) é contrabalançado pela grande flexibilidade, pois basta alterar o programa para mudar o tipo de ação de controle e seus parâmetros.
Para controladores digitais, no bloco de controle, estão incluídos os conversores analógicos/digitais (A/D) e digitais/analógicos (D/A), bem como o software de controle (programa aplicativo).
Os sistemas de controle podem ser analógicos ou digitais, contudo nosso
interesse no momento são os controladores digitais, os quais possuem a mesma
arquitetura de computadores VON NEUMANN, formada por 03 grandes blocos
(unidade central de processamento – CPU, memória e dispositivos de entrada e
saída), desta forma o diagrama de blocos passa a ser o seguinte.
Figura 5 – Diagramas de Bloco dos Sistemas de Controle digital
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CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS DE CONTROLE
DE ACORDO COM A APLICAÇÃO
Os sistemas de controle são classificados de acordo com a aplicação a
qual foi projetado. Basicamente podemos dividir nos seguintes grandes grupos:

Servomecanismo

Regulatório

Sistema de controle numérico

Sistema de controle sequencial

Controle de Processos
Servomecanismo
Nesse sistema de controle, a saída ou variável controlada é uma posição
mecânica ou taxa de mudança de um movimento.
O controle de posição por um motor CC e a posição de um motor de passos (step motor), são os exemplos mais comuns de servomecanismo.
Nos servomecanismos a referência é variável, e a variável manipulada
pode assumir diversos valores.
Regulatório
Sistema de controle cuja referência é constante e a variável manipulada
assume diversos valores para manter a variável controlada em um valor constante. Como exemplos deste sistema de controle podemos citar: Controle de velocidade de um motor; Controle de temperatura de uma estufa, Tensão de saída
de uma fonte, etc.
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Sistema de controle numérico
Hoje em dia, com o advento dos microprocessadores, muitas operações
de manufatura de peças são feitas através de controles numéricos (CNC – controle numérico por computador). As informações numéricas incluem informações
de variáveis a serem controladas, tais como: velocidade, posição, e direção que
são codificadas em forma de instruções. Estão incluídos neste tipo de manufatura as seguintes atividades: furação, fresagem, torneamento, retífica e usinagem em geral. A maior vantagem dos controles numéricos está na facilidade e
flexibilidade na troca de medidas a serem adotadas.
Sistema de controle sequencial
É um sistema cujas operações são predeterminadas e em sequências. As
lavadoras automáticas e as máquinas de lavar em geral são exemplos de controles sequenciais. Máquinas de beneficiamento de mármores e granitos como
talhas blocos e polidoras, também seguem controles em sequência.
Controle de Processos
Neste tipo de sistema de controle, são controlados as variáveis do processo de manufatura separadamente, visando um resultado comum. Alguns dos
mais comuns sistemas de controles de variáveis são: temperatura, pressão, nível
, condutividade, ph, etc. Fábricas de automóveis, têxteis, geração de energia e
refinarias são exemplos típicos de controle de processos de manufatura.
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CONTROLADORES
Um controle qualquer é um elemento que recebe informações i(t) relativas
às variáveis de estado do processo e, conforme um programa pré-definido, modifica o valor dessas variáveis pela emissão de comandos c(t), interferindo dessa
forma, no processo, através de informações obtidas a partir do mesmo.
Os controles classificam-se em:

Limitadores: aplicam-se à manutenção dos valores de variáveis
do processo dentro de limites preestabelecidos;

Atuadores: aplicam-se à modificações de valores das variáveis
do processo de acordo com um programa pré-definido.
De maneira geral, alem dos controladores analógicos tipo PID, pode-se
afirmar que os dispositivos eletro-eletrônicos de controle e de intertravamento
disponíveis atualmente no mercado, e que podem ser utilizados para implementação de sistemas de controle de processo, são os seguintes:

Relês eletromecânicos;

Circuitos eletrônicos com lógica fixa;

Computadores de Processo – PC’s Industriais;

Microcontroladores;

Controladores Lógico Programáveis/Unidades Terminais Remotas.
Relés Eletromecânicos
Vantagens:

Projeto de sistemas a relês, é largamente conhecido, assim como
sua operação e manutenção;

São capazes de trabalhar com valores de correntes elétricas bastante elevadas;
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
Apresentam custo inicial comparativamente inferior em relação às
demais alternativas;

Dispões de boa imunidade térmica e eletromagnética.
Desvantagens:

Baixa confiabilidade operacional;

Pequeno tempo de vida útil, limitando-se ao máximo, a 1 milhão de
operações, em média;

As operações das sequências a serem obedecidas e os intertravamentos intrínsecos é toda baseada na fiação que interliga os relês,
de modo que uma reprogramação é bastante difícil, assim como
um erro de ligação pode comprometer o funcionamento de grande
parte do programa, prejudicando assim o funcionamento da instalação;

Em virtude dos relês apresentarem dimensões físicas avantajadas,
os controladores a relês, conhecidos como painéis de relês, ocupam espaço considerável nos painéis de controle, tendo muitas vezes que serem subdivididos em vários painéis, aumentando a fiação e dificultando a manutenção;

Seu consumo e perdas internas de energia são elevados, apresentando dissipação térmica considerável;

A velocidade de comutação de estado, tanto de entrada como de
saída, fica limitada a um valor máximo de 33 comutações por segundo, que é considerada baixa para grande parte dos processos;

A atualização dos documentos de projeto e de manutenção é difícil;

A manutenção de sistemas de médio e grande porte é complexa,
em função da dificuldade de identificação do defeito na caixa de
relês, do relê com mau contato ou do fio que se soltou;

A reutilização dos painéis de relês se limita aos relês que apresentam bom funcionamento e a pedaços de fios, sendo impossível, na
maioria dos casos, a utilização da estrutura de fiação interna;
16

A emissão do relatório é impossível, tampouco os relatórios de
ocorrência e normalização de alarmes que são utilizados para determinação da primeira falha durante um shutdown;

A descentralização de painéis de relês, distribuindo-os de maneira
conveniente pela fábrica, ou a subdivisão da lógica de controle e
de intertravamento de um mesmo equipamento em painéis diferentes, apresentam como inconvenientes, o esquema complexo de
distribuição e interligações dos painéis, assim como as dificuldades
na homogeneização dos critérios de projeto e seleção de componentes.
Circuitos Eletrônicos com lógica fixa
Os circuitos eletrônicos, tanto os de lógica fixa quanto os de lógicas programáveis, apesar de se apresentarem como alternativa tecnológica, encontram restrições quanto à sua aplicação, uma vez que exigem do pessoal de manutenção um conhecimento de eletrônica mais detalhado do que aquele que
os cursos técnicos costumam oferecer. Além disso, e principalmente, tais circuitos apresentam muita pouca flexibilidade, tendo praticamente que ser projetados
individualmente para cada aplicação específica. Assim, o tempo de parada, tanto
para manutenção quanto para reprogramação, inviabiliza, na maioria das indústrias, a sua aplicação como elementos controladores de processos.
Computadores de Processo
De maneira geral, o computador é projetado para processar um grande
volume de informações rapidamente, ao passo que o controlador programável é
projetado para controlar uma instalação com uma rápida velocidade de resposta,
sem, contudo, prejudicar a segurança do sistema.
Os computadores são capazes de executar muitas tarefas simultaneamente e em qualquer ordem, ao passo que os controladores programáveis executam um único programa em ordem seqüencial. Entretanto, os modelos mais
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recentes de controladores programáveis, dispõem de instruções de programação que permitem a execução de sub-rotinas, interrupções de sub-rotinas, jumps
e by-passes.
O computador de processo, tem que satisfazer condições temporais rígidas, na interação com o seu ambiente. Os dados do processo são ciclicamente
armazenados pelo computador, com intervalos de amostragem baixos (milisegundos). Entradas calculadas pelo computador são transmitidas em instantes
precisos ao processo e existirão eventos que ocorrem de forma aleatória. O funcionamento em tempo real, influência diretamente a estrutura do hardware/software devido, por exemplo à necessidade de atendimento simultâneo de inúmeras (100-1000) entradas/saídas independentes do processo (concorrência da
programação), das características muito específicas de cada processo (sistemas
personalizados), da dependência temporal da execução das tarefas e de exigências absolutas em confiabilidade e segurança (o processo não pode parar
quando o computador vier a falhar).
Do ponto de vista do SOFTWARE, o sistema operacional é voltado a “multitasking” com rígido controle temporal (relógio tempo real hardware) e são essenciais conceitos de comunicação entre tarefas (semáforos, monitores, etc.)
para a implementação rápida e segura da transmissão de dados e mensagens.
Hoje em dia, existem inúmeras linguagens de programação tempo real que procuram dar ao usuário alto conforto na programação, contudo, ainda é frequente
a implementação de módulos, críticos no tempo, em linguagem ASSEMBLY.
Unidades Terminais Remotas
A Unidade Terminal Remota (UTR), é o equipamento que possui o mais
baixo nível hierárquico em um sistema de supervisão e controle, fazendo a interface entre os sinais ou variáveis de processo e o canal de comunicação que
a liga ao Centro de Operação do Sistema (COS) de sistemas de controle e supervisão de sistemas elétricos (por exemplo). Portanto, a UTR é um equipamento que faz a supervisão e o controle de outros equipamentos e se comunica
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com o COS para onde envia os dados lidos e de onde recebe as ordens de
comando.
As UTR’s são utilizadas principalmente em controle de processo não industriais, tais como:
Sistema de Energia Elétrica:

Geração

Transmissão

Distribuição

Controle de Demanda

Tarifação
Sistema de Telecomunicação:

Comutação

Transmissão

Roteamento
Sistema de Abastecimento de Água:

Captação

Reserva

Tratamento

Distribuição

Elevatórias
Sistema de Transporte Coletivo:

Ferrovias

Metrô
Automação Predial:

Condicionamento de ar

Demanda de Energia Elétrica

Segurança
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Requisitos básicos de uma UTR:
-
Manutenção facilitada;
-
Proteção contra transitórios;
-
Capacidade de recuperação
-
Circuito Watch-Dog
-
Religador
Outros recursos importantes:
-
Interface homem-máquina amigável
-
Diversidade de equipamentos de campo
-
Interligação em rede
CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL
Basicamente,
um
controlador programável apresenta
as
seguintes características:
 Hardware e/ou dispositivo de controle de fácil e rápida programação ou reprogramação, com a mínima interrupção da produção.
 Capacidade de operação em ambiente industrial.
 Sinalizadores de estado e módulos tipo plug-in de fácil manutenção
e substituição.
 Hardware ocupando espaço reduzido e apresentando baixo consumo de energia.
 Possibilidade de monitoração do estado e operação do processo
ou sistema, através da comunicação com computadores.
 Compatibilidade com diferentes tipos de sinais de entrada e saída.
 Capacidade de alimentar, de forma contínua ou chaveada, cargas
que consomem correntes de até 2 A.
 Hardware de controle que permite a expansão dos diversos tipos
de módulos, de acordo com a necessidade.
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 Custo de compra e instalação competitivo em relação aos sistemas
de controle convencionais.
 Possibilidade de expansão da capacidade de memória.
 Conexão com outros CLP´s através de rede de comunicação.
 Microprocessador (microcontrolador);
 Modulação de fácil expansão;
 Pontos de saída analógico e digital;
 Alto ciclo de varredura;
 Fácil manutenção;
 Programação local, terminais e CP;
 Fácil programação por EPROM;
 Totalmente constituído de componentes eletrônicos de estado sólido;
 Especificação para utilização em ambientes industrial, dispensando refrigeração, ventilação, blindagem eletromagnética e proteção anti-fuligem;
 Qualquer alteração na operação do sistema, ou reprogramação de
sequência, temporização e comandos são feitas totalmente pelo
terminal de programação, dispensando qualquer alteração na fiação;
 A programação do controlador pode ser feita por qualquer pessoa
que já trabalhe com relês, de modo que o único preparo necessário
é relativo ao conhecimento do terminal de programação, o que
pode ser adquirido num aprendizado de cerca de 40 horas (desde
que a pessoa já tenha experiência de trabalho com relês).
Desvantagens:
O fator que, em princípio, se apresenta como desvantagem para a utilização de controladores programáveis na indústria é o investimento inicial, que
comparativamente aos painéis de relês convencionais resulta, atualmente, entre
1 e 10 vezes maior. Contudo, sabe-se que, se forem levados em conta os fatores
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de facilidade e rapidez de manutenção, tempo de parada por defeito, confiabilidade, versatilidade e segurança a partir dos primeiros anos de utilização, o controlador programável passa a ser mais barato que o painel convencional respectivo.
Não existe um padrão para os CLP’s disponíveis no mercado mundial.
Eles são construídos de vários formatos e com características de entrada e saída, capacidade de memória, tempo de processamento que dependem do tipo
de aplicação, contudo pode-se separar em 04 grandes blocos: Micro CLP’s;
CLP’s compactos; CLP’s modulares CLP’s modulares de grande porte.
Os micros CLP’s – que na realidade são reles industriais programáveis,
tais como: LOGO; EASY, ZÉLIO; SMART; QUICK; etc. Estes reles normalmente
são utilizados em pequenas aplicações isoladas, onde não é necessário um
grande número de entradas e saídas (E/S).
Figura 6 – Exemplo de rele programável
Os CLP´s compactos são montados em uma única caixa, onde além da
fonte e CPU (Unidade central de processamento), estão disponíveis algumas
E/S digitais, e em alguns casos, E/S analógicas. Estes CLP´s possuem uma
capacidade de memória limitada (8 a 32 kbytes), e para determinados fabricantes não existe a possibilidade de expansões remotas além de seis ou sete expansões locais. Apesar da aparente limitação dos CLP´s compactos, eles são
muito utilizados, pois atendem a grande maioria das aplicações.
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Figura 7 – Exemplos de CLP´s compactos
Os CLP´s modulares são montados em Racks (bastidores) onde são inseridos os cartões separadamente. Para cada dispositivo (fonte, CPU, entradas
digitais, etc) existe uma placa (módulo) específica. Quando existe a necessidade de uma maior capacidade, velocidade de processamento e numero de entradas e saídas, os modelos modulares são mais aplicáveis. Outro critério que
leva a escolha de CLP´s modulares é quando existe necessidade de troca à
quente de algum módulo de E/S.
Os CLP´s modulares de grande porte são equipamentos grande capacidade de processamento e memória (acima de 1Mbytes). Estes CLP´s podem
controlar milhares de E/S (entre locais e remotas) e alguns fabricantes disponibilizam CPU´s que podem trabalhar em redundância via hardware em sistemas
tolerantes a falhas. Na figura 8 são especificados os múltiplos da disponibilidade
para CPU redundantes comparados com o sistema padrão (baseline).
Figura 8 – CPUs redundantes montadas em Racks separados e em único rack e fatores de aumento na disponibilidade
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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 CPU de um controlador programável possui dois estados
de operação: Programação e Execução.
A CPU pode assumir também o estado de erro, que aponta falhas de operação e execução do programa.
No estado de Programação, o CLP 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 chamado off-line (fora de linha).
No estado de Execução, o CLP assume a função de execução do programa do usuário. Neste estado, alguns controladores, podem sofrer modificações no programa. Este tipo de programação é chamado on-line (em linha).
Funcionamento
Ao ser energizado, estando o CLP 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 execução do programa.
Após a execução desta rotina, a CPU passa a fazer uma varredura (ciclo)
constante, isto é, uma leitura seqüencial das instruções em loop (laço).
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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 CPU, 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
CPU 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.
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Figura 9 – Diagrama de blocos de um CLP
Figura 10 - Fluxograma de funcionamento de um CLP
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PROGRAMAÇÃO DE CONTROLADORES PROGRAMÁVEIS
O padrão internacional mais aceito para programação de CLP’s é o (6)
1131-3 do IEC(International Electrotechnical Committee). Nesse padrão existe a
intercambialidade de linguagem de programação, ou seja; um programa que foi
desenvolvido em uma linguagem pode ser bem interpretado em outra linguagem,
e é nessa linguagem de programação que os CLP’s apresentam sua maior potencialidade. Uma vez conectados os instrumentos ao CLP, toda lógica de comando será definida por um programa, permitindo assim, uma maior flexibilidade
nas mudanças dos comandos uma máquina que contenha CLP.
As linguagens de programação obedecem às mais diversas características, que varia de fabricante para fabricante. As principais que obedecem às especificações da IEC são:
LADDER Diagram (LD):
Uma linguagem gráfica que associa as entradas a
contatos (interruptores) e as saídas a bobinas.
Structured Text (ST):
A STL é baseada na álgebra de Boole, onde
contém instruções do tipo E (and) e OU (or), etc.
Instructions list (IL):
É uma linguagem particular onde cada linha é
composta por um contato contendo, entre outras,
instruções de salto, desvio condicionais.
Além das acima descritas, temos mais outras gráficas: Sequencial Function Charts (SFC), Function Block Diagrams (FBD) e Programação gráfica (PG).
Normalmente podemos programar um controlador através de um software
que possibilita a sua apresentação ao usuário em uma ou mais linguagens diferentes, possibilitando a conversão de uma para outra de forma rápida e sem
nenhum procedimento adicional.
A linguagem LADDER é também conhecida como Diagrama de relés.
Esta forma gráfica de apresentação está muito próxima a normalmente usada
em diagrama de comandos elétricos.
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Figura 11 – Exemplo de parte de um programa em LD
Os diagramas de blocos lógicos é mesma linguagem utilizada em lógica
digital, onde sua representação gráfica é feita através das chamadas portas lógicas.
Figura 12 – Exemplo de parte de um programa em FB
Lista de Instruções é uma Linguagem que está entre as utilizadas na elaboração de programas para computadores pessoais e linguagens em assembly.
Figura 13 – Exemplo de parte de um programa em IL
Programação em LADDER
A seguir será apresentado uma Introdução à elaboração de programas
aplicativos em Linguagem LADDER que é formada por operandos e instruções
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Operandos básicos:
Operando de entrada e saída: Associa um endereço lógico aos pontos físicos de entrada e saída.
Constantes: Usados como valores de referência, limites de temporização, contagem e etc.
Registros (Auxiliares, Marcadores): São posições de memória reservadas para conter valores acumulados, valores vindos de entradas e saída
analógicas, guarda set-point variáveis etc.
Instruções Básicas:
O diagrama LADDER utiliza lógica de relé, com contatos (ou chaves) e
bobinas, e por isso é a linguagem de programação de CLP mais simples de ser
assimilada por quem já tenha conhecimento de circuitos de comando elétrico.
Quando o controle é do tipo liga-desliga ou seqüencial, pontos de entradas
e saídas digitais são suficientes. Nestes casos, são necessários apenas
três tipos de instruções que são:
--| |-- ou –|/|--
Representação
lógica
respectivamente
do
contato normalmente aberto (NA) e do contato
normalmente fechado (NF), de qualquer instrumento
de chaveamento do tipo liga- desliga (ex.: chaves
fim de curso, sensores de proximidade digitais,
pressostato, termostato e etc.).
--( )— ou
-O-
BOBINAS. Representação gráfica de qualquer
instrumento de chaveamento de saída do tipo ligadesliga (ex.: válvulas, motores, relês, etc.).
Conjunto de Instruções
É o conjunto de funções que definem o funcionamento e aplicações de
u m CLP.
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
Funções Lógicas;

Memorização;

Temporização;

Contagem.
Manipulação de variáveis analógicas:

Movimentação de dados;

Funções aritméticas.
Para funções de algoritmos complexos, comunicação de dados, interfaces
homem-máquina, podem ser necessárias:

Saltos controlados;

Indexação de instruções;

Conversão de dados;

PID;

sequenciadores;

aritmética com ponto flutuante.
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REFERÊNCIAS
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1986
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Fibra Ottica – Asourana Editrici, Fermo, 1986
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XPTO – MOS 485 – Manual do Usuário – S. Paulo, 1994
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Ind. LTDA
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- 1997
NATIONAL SEMICONDUCTOR – National Interface Databook – California – 1996
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