Controles e Automação Industrial - Eduardo Calsan

Controles e Automação Industrial

1- Introdução Até meados da década de 60, todo o controle dos processos fabris, nas indústrias e fabricações em geral, era feito através de lógica de relês.

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Os relês são elementos versáteis que possuem as seguintes qualidades: estrutura multipolar e contatos intercambeáveis, por isso são flexíveis e econômicos; vida útil com centenas de milhares de operações; pessoal responsável pela manutenção conhece-os muito bem.

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Entretanto, os relês têm algumas desvantagens como, por exemplo: os painéis possuírem grandes dimensões; o ambiente hostil corrói seus contatos; a poeira também pode "colar" seu contato; a produção precisava ser paralisada para a configuração de nova lógica.

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Por isso, em 1.966, visando aumentar a sua produtividade, já que precisava ficar com sua produção parada para alteração da lógica dos relês sempre que um novo modelo de automóvel era incorporado (tempo é dinheiro e os carros japoneses estavam começando a chegar ao mercado norteamericano com preços mais competitivos), a GM solicitou à duas empresas parceiras, Allen Bradley e Reliance, um equipamento que tivesse as seguintes características:  fácil manutenção;  capacidade de operar em ambientes industriais com confiabilidade;  fisicamente menor que o sistema de relês (espaço também é dinheiro);  condições de ser ligado a um sistema central de coleta de dados;  preço competitivo. Então, em 1.968, o primeiro controlador programável foi instalado na GM. Após esse primeiro equipamento, surgiram outros mais aperfeiçoados, agora obedecendo a seguinte idéia:

AUTOMAÇÃO

INSTRUMENTAÇÃO

INFORMÁTICA

Seguindo a idéia acima, os fabricantes de equipamentos para automação viram um grande filão ainda pouco explorado naquela época, desenvolvendo elementos "derivados" do controlador programável:  CNC (controle numérico computadorizado): muito utilizado em manufaturas, surgiu para automatizar fresas, furadeiras e outras ferramentas, com seu posicionamento preciso;  SDCD (sistema distribuído de controle digital): próprio para trabalhar com várias informações analógicas;

Escola Técnica Estadual Julio de Mesquita

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SCADA (sistema de controle e aquisição de dados): utiliza para controle de variáveis os sistemas de telemetria, rádio-freqüência, satélite, telefonia, Web; UTR (unidade terminal remota): por possuir alto nível de isolação elétrica, é utilizado em subestações.

2- O que é um controlador programável? Um controlador programável (CP) é m equipamento eletrônico de controle, livremente programável , baseado em microprocessadores, foi projetado para funcionar no ambiente industrial. Pode controlar desde simples máquinas até automatizar completamente uma planta industrial. À semelhança de um operador humano, o CP

sente o meio ambiente,

analisa

as informações que captou e age sobre o este meio ambiente, conforme uma lógica preestabelecida em seu programa.

3- Diagrama de blocos de um controlador programável

UNIDADE DE MEMÓRIA

C A M P O

E N T R A D A S

UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO (CPU)

FONTE DE ALIMENTAÇÃO


S A Í D A S

C A M P O

TERMINAL DE PROGRAMAÇÃO

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ENTRADAS: São o elo de ligação entre o controlador programável e o que acontece no meio ambiente. Através das entradas, o controlador programável toma conhecimento do que está ocorrendo nas máquinas ou processo sob seu controle.  

Podem ser digitais ou analógicas: digitais: informam dois sentidos diferentes. Exemplo: contato aberto ou fechado, existe tensão ou não, existe corrente ou não, etc.. analógica: informa continuamente o estado de uma variável. Exemplo: a temperatura de um processo pode variar continuamente de 0°C a 150°C. Por meio de uma entrada analógica, o CLP poderá saber o valor da temperatura no momento.

LÓGICA DE CONTROLE: É o bloco que analisa, processa e decide. Obedecendo a um programa armazenado em sua memória, este bloco analisa as variáveis e, de acordo com um programa, atua sobre o meio ambiente através das saídas. As variáveis analisadas pela lógica de controle podem ser entradas ou variáveis internas, tais como contadores, temporizadores, etc.. Pode executar uma série de funções, tais como operações lógicas, aritméticas, comparações, contagens, etc..  

A lógica de controle é composta fundamentalmente por dois setores: o processador (microprocessador): executa as funções de acordo com o programa gravado nas memórias; memórias de programa: armazenam os comandos para o processador agir.

SAÍDAS: Através das saídas é que os controladores programáveis agem sobre o meio ambiente (máquinas ou processos sob seu controle).  

Podem ser digitais ou analógicas: digitais: podem estar "ligadas" ou "desligadas" apresentando, ou não, tensão elétrica em seu terminal correspondente. A estas saídas são conectadas válvulas solenóides, contatores, relês, lâmpadas, sirenes, etc.. analógicas: apresentam uma tensão variável pelo programa e podem acionar válvulas proporcionais, reguladores de temperatura, de tensão, etc..

Dessa forma, o controlador programável sente e age em um processo industrial, controlando ciclos de trabalhos que podem ser bastante complexos.


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MEMÓRIA: Para entendermos como a memória do controlador programável está dividida, precisamos estudar antes algumas unidades utilizadas e, também, alguns tipos de memórias encontradas: BIT: é a menor unidade de informação no sistema de numeração binário, representado pelos dígitos 0 e 1; BYTE: é uma seqüência de dígitos binários geralmente operados como uma unidade; ENDEREÇO: onde os dados são armazenados na memória do controlador programável; MEMÓRIA ROM: apenas para leitura; MEMÓRIA RAM: para leitura e escrita; MEMÓRIA PROM: programável só para leitura; MEMÓRIA EPROM: apagável só para leitura; MEMÓRIA EAROM: eletricamente alterável só para leitura; MEMÓRIA EEPROM: eletricamente apagável e programável; MEMÓRIA NOVRAM: não volátil para ler e escrever. A capacidade de memória dos controladores programáveis de grande porte é "k" palavras (k = 1024 bits), sendo cada palavra constituída de dois bytes e considerada como uma localização de memória. MEMÓRIA EXECUTIVA: normalmente trata-se de uma memória EPROM que contém o programa que inicializa o controlador programável, armazena os programas executivos (sistema) e gerencia o roteiro de dados e a seqüência de operação. Ele é elaborado pelo fabricante e já acompanha o controlador quando o mesmo é adquirido. MEMÓRIA DO USUÁRIO: é uma memória RAM de aplicação, que armazena o programa do usuário. Esta área, reservada ao programa do usuário, contém alguns kbytes de palavras livres (informações) que serão processadas pela CPU. É nesta área que gravamos o programa que desejamos executar em relação ao equipamento, máquina ou processo a ser automatizado. MEMÓRIA DE DADOS: é uma área reservada para controle do programa do usuário. Nesta área encontram-se dados referentes ao processamento do programa do usuário. Todos os bytes desta área são de controle: trata-se de uma tabela de valores manipuláveis. MEMÓRIA IMAGEM DAS ENTRADAS E SAÍDAS: é uma área de memória reservada para interligação entre o controlador programável e os equipamentos/processos. Nesta área são gravadas todos os dados da planta, sejam eles de entrada ou saída: ela é a imagem real das entradas e saídas do controlador programável.


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memória imagem das E/S

INFORMAÇÕES SOBRE OS EQUIPAMENTOS QUE SERÃO PROCESSADAS NO CP

E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8

MÓDULO DAS ENTRADAS

E8 E7 E6 E5 E4 E3 E2 E1

S8 S7 S6 S5 S4 S3 S2 S1 MÓDULO DAS SAÍDAS

INFORMAÇÕES DO CP QUE CONTROLARÃO O EQUIPAMENTO/PROCESSO

S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8

A memória imagem das E/S depende da quantidade de entradas e saídas do controlador programável.

TERMINAL DE PROGRAMAÇÃO:   

Neste bloco, poderemos ter uma das seguintes configurações: portátil com display de cristal líquido; portátil com display CRT e qualquer tipo de teclado; tipo microcomputador.

4- Circuito das entradas São circuitos eletrônicos que recebem informações sobre o equipamento ou processo e que as transferem para a memória imagem das entradas e saídas. Realiza a interface entre os dispositivos liga/desliga (chaves seletoras, botoeiras, chaves fim-de-curso, etc.) e os níveis lógicos exigidos pelo controlador programável.


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Controles e Automação Industrial E1 E2 E3 E4 controlador programável realiza "leitura"

E1=110V E2=0V E3=110V E4=0V

módulo de entradas (110V)

0 1 0 1 E4 E3 E2 E1 memória imagem das entradas

Memória do controlador programável: E4 ~ E1 = byte do módulo de entrada em análise bit E1 = "1" ou energizado, logo entrada E1 = 110V bit E2 = "0" ou desenergizado, logo entrada E2 = 0V

Se a entrada E1 receber 110V, isso quer dizer que o dado referente a este ponto está ligado ou acionado e o circuito de entrada transfere "1" (nível lógico) para a memória imagem das E/S. Se E1 receber 0V, isto quer dizer que o dado referente a este ponto está desligado ou não acionado e que o circuito de entrada transfere "0" (nível lógico) para a memória imagem das E/S.

ENTRADAS EM CORRENTE CONTÍNUA: Tipicamente os módulos em CC são disponíveis em 5, 12, 24 e 48V. Esteja seguro em adquirir aqueles que sejam adequados aos dispositivos de entrada que estão sendo utilizados. Quando utilizamos dispositivos digitais regulares (botoeiras, chaves seletoras, contatos de relês, etc.) não temos muito com que nos preocupar. Apenas deveremos prestar atenção na tensão de alimentação das referidas entradas.

Entradas 1 2 A polaridade da fonte é indiferente

3 4 C


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Quando utilizamos sensores (foto-células, de proximidade indutivo ou capacitivo, etc.) temos sempre que verificar a configuração de saída dos mesmos uma vez que, tais sensores, utilizam transistores (PNP ou NPN) nas saídas, trabalhando com chaves digitais.

C

+

+ FONTE -

1 2 3 4

+ SENSOR NPN -

SENSOR NPN

1 2 3

+ SENSOR PNP -

4 C -

SENSOR PNP + FONTE -

ENTRADAS EM CORRENTE ALTERNADA: Uma tensão alternada não é polarizada, ou seja, não temos "positivo" e "negativo" para preocupar-nos. Tipicamente os módulos CA são disponíveis em 24, 48, 110 e 220V. Esteja seguro em adquirir aqueles que sejam adequados aos dispositivos de entrada que estão sendo utilizados. Entradas em CA são menos comuns nos dias de hoje, uma vez que os sensores utilizam transistores em suas saídas.


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De uma forma mais comum, as entradas em CA podem ser ligadas conforme mostrada a seguir: Entradas 1 2 3 4 C ~

5- Circuito das saídas São circuitos eletrônicos que recebem informações sobre o processamento do equipamento ou processo através da memória imagem das E/S e as transferem para o equipamento ou processo em controle. Contem circuitos eletrônicos necessários para partida de motores (contatores), solenóides ou outros dispositivos de controle e sinalização (lâmpadas, sirenes, etc.).

S1 S2 S3 S4 controlador programável realiza "escrita"

S1=24V S2=0V S3=0V S4=24V

módulo de saída (24V)

1 0 0 1 E4 E3 E2 E1 memória imagem das saídas

Memória do controlador programável: S4 ~ S1 = byte do módulo de saída em análise bit S1 = "1" ou energizado, logo saída S1 = 24V bit S2 = "0" ou desenergizado, logo saída S2 = 0V

Se a saída S1 tiver 24Vcc, isso quer dizer que o dado referente a este processamento foi ligado ou acionado pelo programa do usuário. Se a saída S1 tiver 0V, isso quer dizer que o dado referente a este processamento foi desligado ou não-acionado (nível lógico "0").


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SAÍDA A RELÉ: É um dos mais comuns tipos de saída utilizados. Um relê pode ser usado tanto com cargas em CC quanto em CA. Sempre verifique a especificação de sua carga, uma vez que deve-se ter a absoluta certeza sobre a máxima corrente consumida pela mesma, dentro das especificações da saída do controlador programável. Caso contrário, poderá danificá-la seriamente. Saídas 1

1

2

2

3

3

4

4

CARGA 1

PODE SER CC TAMBÉM

CARGA 1

~

C -C -

CIRCUITO INTERNO

BOBINA

C

BOBINA

1

2

SAÍDA A TRANSISTOR: Esse tipo de saída só pode chavear em CC, portanto, não pode ser usada em CA. Uma pequena corrente aplicada na base do transistor possibilita chavear uma corrente bem maior na saída. O controlador programável aplica uma pequena corrente na base do transistor e, dessa forma, a saída do mesmo "fecha-se", fazendo com que o dispositivo conectado à saída do controlador programável seja ligado.


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Aqui também é preciso verificar qual o tipo de saída (NPN ou PNP) utilizaremos e nunca excederemos a máxima corrente de chaveamento. Saída NPN Saídas 1

1

2

2

3

3

4

4

CARGA 1

CARGA 1

+

C -C -

Saída PNP Saídas 1

1

2

2

3

3

4

4

CARGA 1

CARGA 1

+

C -C -

6- Varredura/SCAN O controlador programável tem uma forma particular de trabalhar, que caracteriza o seu funcionamento. O controlador opera executando uma seqüência de atividades definidas e controladas pela memória executiva. Este modo de operação ocorre em um ciclo, chamado de ciclo de varredura ou SCAN, que consiste em:  leitura das entradas externas;  executa o programa do usuário;  atualização das saídas externas. Na fase da leitura das entradas, o processador endereça o sistema de E/S, obtém os estados dos dispositivos que não estão conectados e armazena estas informações na forma de bits "1" e "0", dependendo do estado obtido (ponto energizado eqüivale ao binário "1" e o ponto desenergizado ao "0"). A região da memória utilizada para armazenar estas informações é chamada de memória imagem das entradas (MIE).


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Na fase de execução da lógica programada pelo usuário, a CPU consulta a MIE para obter os estados dos dispositivos. Nesta fase, os resultados das lógicas programadas cujas saídas tenham um ponto correspondente no rack de saída são armazenados em uma área da memória chamada memória imagem das saídas (MIS). As lógicas que possuem saídas internas serão armazenas na área correspondente. Durante a execução da lógica programada, se for necessário a referência a uma saída qualquer, dentro do mesmo ciclo, esta tabela é consultada. Observe que, durante esta fase não é feita nenhuma referência a pontos externos (entrada ou saída), a CPU opera com informações obtidas na memória. Na fase de atualização de saídas, a CPU executa uma varredura na tabela MIS e atualiza as saídas externas, endereçando o sistema de E/S para atualizar o estado dos dispositivos externos de acordo com o resultado da lógica programada. A seguir, o ciclo é reiniciado e a operação continua enquanto mantém-se o controlador no modo de execução.

Varredura das E/S +/- 0,5ms p/ 128 E/S

Início do programa do usuário

Varredura do programa do usuário +/- 0,6ms p/ 1k de instrução

O tempo necessário para a varredura varia de controlador para controlador e depende de muitos fatores (tamanho da palavra, clock, instruções programadas, etc.). O fabricante especifica este tempo baseado na quantidade de instruções, normalmente instruções booleanas, e quantidade de entradas/saídas. Qualquer outra função programada aumenta este tempo de varredura. Como resumo, podemos considerar os seguinte fluxograma:


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leitura das entradas (grava na MIE) (*)

executa o programa do usuário (**)

atualiza as saídas (grava na MIS) (*)

(*) varredura das E/S; (**) varredura do programa.


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Controles e Automação Industrial - Eduardo Calsan

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