Saiba Tudo Sobre CLP
Neste artigo eu vou apresentar a você
os conceitos básicos de um CLP, como ele é composto, as suas
funcionalidades e de que forma podemos programar um controlador. No final do
artigo você saberá distinguir um rack, os tipos de entradas e saídas, o
processo de varredura, os tipos de status e também vai entender um pouco sobre
a lógica Ladder. Caso ainda houver
dúvidas, você pode postar nos comentários que terei o prazer de responder.
O CLP ou controlador lógico programável é
um tipo especial de computador muito utilizado não somente na indústria, mas em
controles de máquinas e processos em diferentes aplicações. Sendo um
computador, este dispositivo compartilha termos comuns de um PC pois ele é
composto por uma CPU (Central Processing Unit ou processador), memória RAM
(memória de leitura e gravação) e ROM (memória de apenas leitura) e também
portas de comunicação (COMMs).
Com relação as similaridades com um
PC, a principal diferença é que um CLP foi projetado para trabalhar em
condições industriais extremas e ambientes agressivos, de forma a suportar
poeira, temperaturas e vibrações. O CLP também possui a característica
de ser flexível e possibilita a inserção de módulos de entradas e saídas
ou comunicação para diferentes aplicações, permitindo a interface com
vários dispositivos de chão de fábrica.
Como Funciona o CLP?
Os componentes modulares que compõe
um CLP podem ser divididos em quatro áreas
principais:
- O backplane ou rack com a fonte de
alimentação;
- A unidade de processamento central (CPU);
- As seções de entradas e saídas;
- A seção do programa ou software.
Os CLPs de mercado possuem diferentes
formatos e tamanhos. Alguns conseguem ser tão pequenos que poderiam caber no
seu bolso enquanto que outros podem ser bem maiores com grandes
quantidades de módulos de entradas e saídas no rack. Os
controladores menores geralmente são concebidos com entradas e saídas
fixas podendo variar de 4 a 6 entradas/saídas até 256. No entanto para um
melhor entendimento, vamos considerar neste artigo um CLP maior
e modular com rack capaz de agregar partes distintas para compor um
sistema. Eles são chamados modulares porque o rack é capaz de aceitar módulos
com diferentes configurações e diferentes I/Os (Entradas e Saídas) que podem
ser encaixados ou desencaixados facilmente do backplane ou rack.
Consequentemente, um CLP deste tipo, por permitir a
customização torna-se uma boa opção pois é capaz de atender diferentes
configurações e abranger tanto as aplicações pequenas quanto as maiores e
mais complexas.
O Backplane – Rack e Fonte de
Alimentação
Então, vamos começar com o rack que
tem a função de fornecer uma montagem física para os I/Os bem como a conexão
elétrica dos barramentos entre os módulos. O barramento se refere ao barramento
de dados que estabelece um link de comunicação entre todos os módulos de I/O e
o controlador. Na Figura abaixo é possível ver um backplane.
O rack acima é um rack Série A da
Mitsubishi com 8 slots de cartão I/O (suporte o encaixe de 8 cartões de
entradas/saídas) e uma unidade de alimentação. Olhando a Figura, você pode
imaginar que o rack não é grande coisa, mas ele é a espinha dorsal do CLP sendo
responsável por interconectar todas as partes e permitir tanto a
alimentação destas quanto a comunicação entre elas. Agora, se você olhar
atentamente para a Figura acima podemos observar que o rack não tem um slot
para a CPU. Isso porque este rack da ilustração é o que chamamos de rack de
expansão. Já o rack com CPU pode ser visualizado na Figura abaixo:
Veja que após encaixar o CPU no rack
é necessário conectar os módulos de I/Os e comunicação de forma a compor o
sistema necessário para as aplicações de controle e monitoramento. Abaixo
podemos ver uma Figura de um CLP já instalado no painel.
Na imagem acima, podemos ver que o
CLP instalado possui conexões para comunicação e conexões de entradas e saídas.
Geralmente nas entradas são ligados sensores analógicos ou
digitais e comandos de outros dispositivos. Já nas saídas são ligados
atuadores. Assim, por exemplo, um sensor pode enviar um
sinal de comando para o CLP através de sua entrada, o clp processa o sinal e
por sua vez e dá o comando através da saída que envia o sinal para um contator
e aciona um motor.
Como uma espinha dorsal humana, o
rack tem um backplane por trás que dá o suporte físico necessário para os
módulos e cartões do CLP permitindo que todos os módulos se comuniquem com a
CPU ou processador através do barramento de dados. Este barramento é muito
importante para que o CLP acesse diretamente cada módulo individualmente.
A fonte de energia no rack fornece
alimentação em corrente contínua (geralmente 24V) para todos os módulos do rack
sendo que as fontes mais populares possuem uma entrada universal AC podendo ser
ligada tanto em 110V quanto em 220V que por sua vez é convertido em uma saída
de 24V. Geralmente estas fontes de alimentação suprem somente a energia do CLP
e dos módulos, sendo que caso sejam utilizados relês de saída nos painéis, pode
ser que seja necessário redimensionar as fontes para alimentar todos os
dispositivos.
O CPU – Central Única de
Processamento
A forma como o controlador lógico
programável trabalha é descrita pela sua CPU, que podemos chamar do
cérebro do CLP. Este módulo tipicamente fica no slot ao lado da fonte de
alimentação ou até mesmo incorporado com a fonte de alimentação. Os fabricantes
de CLPs oferecem diferentes tipos de CPUs e combinações baseado na complexidade
requerida para cada aplicação.
O CPU é composto por vários componentes
como microprocessador, chip de memória, interface de I/O e outros circuitos
integrados para controlar a lógica e monitorar a comunicação. Ele pode variar a
velocidade de operação, sendo que a medida que a velocidade de processamento
aumenta, o preço também aumenta proporcionalmente. O CPU por si só possui 4
modos de operação:
- Modo de Programação
- Modo Run
- Modo Stop
- Modo Reset
No Modo Programação ele
aceita o download da lógica do programa desenvolvido por uma pessoa através de
uma conexão com um PC ou notebook. Após o download do programa, a CPU pode ser
colocada em modo Run para então rodar o programa.
No Modo Run, o CLP está
operando por completo, realizando todas as checagens, funções e operações
definidas pelo programa e fazendo o tempo todo a leitura das entradas,
processamento e acionamento das saídas conforme ordena o programa. Também no
modo Run, o CLP pode “conversar” com outros CLPs ou IHMs
através de comunicações rs232, profibus, sistemas SCADA, CC Link, etc.
Já no Modo Stop, como o
próprio nome diz, o CPU fica parado, de forma a desligar todas as saídas
permitindo assim que as entradas sejam checadas. Neste modo não temos o
programa rodando e nem é possível fazer o download do software.
Quando o Modo Reset é
acionado, o CLP é restaurado para as condições iniciais de operação, ou seja,
todas os chaveamentos causados pela lógica do CLP são restaurados para as
condições iniciais. Quando isto é feito sem resetar qualquer dado dos
registradores de memória, chamamos de Warm Reset (Reset a quente). Por outro
lado, se o reset for por completo, apagando todas as I/Os e os dados de memória
e registradores, chamamos de Cold Reset (Reset a Frio).
O Scan-Time ou Tempo de Varredura
Abaixo, podemos ver um fluxograma básico de como o CLP trabalha
e processa os I/Os, o programa de operação e as checagens de erros, processo
este conhecido como Scan ou Varredura. O tempo de varredura é o tempo que o CLP
leva para dar um loop completo voltando para o início sendo que este tempo pode
variar dependendo de quantos processos fazem parte de cada caixinha do fluxograma.
A velocidade de Scan é bem ráPIDa sendo realizado quase que em tempo
real em algumas situações. Para se ter uma idéia, este tampo de scan nos CLPs
atuais acontece na ordem de 1/1.000.000 de segundos. Novamente, este tempo pode
variar dependendo das entradas e saídas, das funções do programa e de sua
complexidade.
Parte inferior do formulário
O modo de trabalho dos CLPs é similar
ao de qualquer CPU, sendo que o programa faz um auto scan primeiramente para
checar erros como erros de memória, circuitos acoplados ou operações corretas e
em um próximo passo faz a checagem de erros nos módulos de I/O acoplados
no rack. Isto pode incluir entradas, saídas, módulos rs232 e
qualquer outro módulo acoplado. Se após seguir esta sequência acender um LED
verde, é sinal de que o programa de controle pode iniciar.
Antes de iniciar o programa
desenvolvido pelo usuário, o CLP vai realizar um Scan nas entradas e somente
após isso vai executar o programa do usuário que fica armazenado na memória RAM
não volátil, o que significa que se a energia for cortada, o programa não será
perdido, armazenando ainda os status dos I/Os e dos dados armazenados em
memória.
Somente após checar as entradas e
processar o programa, que o CLP vai atualizar as saídas de acordo com as
condições estabelecias no programa. O CLP então repete este processo várias e
várias vezes enquanto estiver em modo Run. Alguns modos de operação variam
de fabricante para fabricante, mas este processo básico é valido para todos os
tipos de Controladores disponíveis no mercado.
As Entradas e Saídas (I/Os)
Na imagem acima você pode ver um
diagrama elétrico (chamado de esquemático) onde podemos visualizar o CLP ligado
em uma fonte de 24V. Para mostrar como ele funciona, representamos aqui o CLP
como apenas uma caixa com terminais conectados nela. Na Figura, temos 8
entradas (X0 a X7) e 6 saídas (Y0 a Y5) e você pode ver que as chaves
(Start, Stop, Reset, etc) estão ligadas de uma forma com que quando acionadas
fecham circuito alimentando uma entrada no CLP com 24V. Já as saídas são
ligadas em relês (representados por R0 a R5) para que seja possível acionar
circuitos e ao mesmo tempo proteger as saídas. Assim, caso ocorrer um curto
circuito, a saída do CLP fica protegida não queimando o mesmo.
Sabendo os tipos, quantas entradas e
saídas precisamos e também qual a comunicação desejada, é possível
especificarmos o CLP, o rack e os cartões necessários e então montar
o conjunto para atender a aplicação desejada. Quando os cartões são montados,
eles recebem um endereço que por sua vez são atribuídos a parâmetros que serão
utilizados na programação Ladder (Tipo de programação utilizada
para desenvolver a lógica do CLP) que veremos como funciona mais a frente.
As Entradas
Um dispositivo de entrada significa
qualquer coisa que possa fornecer uma entrada para o Controlador Lógico
Programável e influenciar a operação do programa. Pode ser uma entrada do
tipo digital, analógica, chaveamento, sensores, dispositivos
inteligentes e até mesmo módulos de comunicação.
Você então pode especificar um cartão
ou módulo de entrada digital a fim de ligar sinais discretos provenientes de
botoeira, micro-switchs, sensor fotocélula, sensor indutivo, sensor capacitivo, enfim qualquer sinal que
possui 2 estados (1/0) ou Bit.
Estes módulos de entradas digitais
podem conter de 8 a 128 entradas em um mesmo cartão acoplado no rack. No
entanto cartões acima de 16 entradas geralmente demandam conectores especiais
pois dificilmente é possível ligar muitos cabos somente utilizando terminais
parafusados (Figura abaixo):
Um conector especial geralmente é
composto por várias vias compactas de forma similar a um data cable que
simplesmente se encaixa no cartão através de pinos. Estes conectores suportam
muito mais entradas nos cartões ou módulos.
Já os cartões de entrada analógicos
precisam ser capaz de traduzir um sinal variável que é acoplado em uma de suas
entradas, sendo que este sinal pode ser em forma de tensão (0 a 10V -10V a
+10V) ou em forma de corrente (4 a 20mA). Como estes sinais são em forma de
corrente ou tensão, eles precisam ser digitalizados pelos módulos de entrada
analógicos dos CLPs. Somente após esta operação que o programa pode interpretar
as informações.
Alguns exemplos de dispositivos
analógicos são potenciômetros, transdutores de pressão, medidores de nível ou
vazão, sensores ultrassônicos,
encoders, termoacopladores e sensores de temperatura, sendo que os valores
destes dispositivos podem ser representados por níveis previamente
digitalizados ou um conjunto de bits.
Também temos no mercado dispositivos
analógicos que se comunicam em rs232 ou
outros protocolos que necessitam somente ser conectados a rede do CLP para
serem lidos. Estes dispositivos podem incluir drives AC/DC para motores,
inversores e IHMs (Interfaces Homem Máquina) e mesmo
sensores sofisticados como sensor de visão, sensor de cor ou Micrômetro Laser.
As Saídas
Os módulos de saída também podem ser
do tipo digital ou analógico. Uma das boas razões para dizermos que os CLPs
funcionam tão bem é porque eles são capazes de converter sinais. Assim se você
possui uma tensão ou entrada de referência, mais cedo ou mais tarde você
precisará de uma tensão ou corrente de saída. Assim o fluxo da informação
funciona da seguinte forma: o cartão de entrada analógica converte o sinal para
digital (conversão A/D). Após isso o programa processa a informação e envia
para um cartão de saída analógica que converte o sinal digital em analógico
(conversão D/A). Como você pode ver ocorre um processo reverso.
O cartão analógico vai converter um
sinal digital em um valor analógico na forma de tensão (0-10V DC, -10 a +10V DC)
ou corrente (4-20mA) e pode ser utilizado para controlar servo drives e
posicionamento bem como reguladores de pressão e controle de sistemas de nível.
O cartão de saída digital por sua vez
faz acionamentos simples como ligar ou desligar lâmpadas, contatores, válvulas
solenoides e relês. Estes cartões estão disponíveis com 8 ou até 128 entradas
por cartão, mas novamente aqui temos o problema de conectores quando aumenta-se
o número de saídas assim como n cartão de entrada.
O Programa
Para programar um CLP necessitamos de
um computador, onde deve-se instalar um software de programação dedicado para o
CLP específico. Cada fabricante possui um software diferente sendo que alguns
são pagos e outros gratuitos.
A maioria dos CLPs de mercado
utilizam a linguagem Ladder para programação. A lógica Ladder é uma linguagem de fácil
entendimento que utiliza símbolos específicos ao invés de linhas ou códigos de
programação. Ela foi desenvolvida com a finalidade de representar os circuitos
elétricos no mundo real e consequentemente facilitar a programação.
Apesar do Ladder ser uma linguagem quase que
padrão, existem alguns CLPs que utilizam programação avançada (STL, código
direto) a fim de oferecer recursos complexos para controle, mas geralmente a
maioria das aplicações podem ser implementadas com a linguagem Ladder devido a possibilidade de utilizar
bibliotecas de blocos de lógica complexos durante o desenvolvimento da lógica.
Na lógica Ladder, os símbolos de entrada são
representados por chaves (switch) normalmente abertas ou normalmente fechadas.
Já as saídas representam bobinas conectadas por linha. Podemos visualizar
abaixo como é esta representação.
Acima podemos ver o mais simples
programa que pode ser escrito no CLP e que vai funcionar. Uma entrada digital,
que poderia ser uma botoeira conectada na primeira entrada do cartão de
entrada. Quando a botoeira é acionada, a entrada do cartão recebe o comando e o
programa interpreta que deve acionar a saída (bobina) colocando ela em estado
de ligada, o que poderia ser a energização de uma luz indicadora ligada ao CLP.
Abaixo podemos ver um programa um
pouco mais elaborado para entendermos um pouco como funciona a lógica Ladder:
No programa acima, quando a entrada
X0 é acionada, seja por um sensor indutivo, sensor capacitivo ou uma botoeira, a
posição de memória M0 é setada (liga). Logo na linha abaixo podemos ver que a
combinação da posição de memória M0 ligada com o sinal invertido da entrada X1
(AND) faz com que a posição de memória M1 seja ligada. Assim, X1 poderia ser
por exemplo um sensor indutivo NF
(Normalmente fechado) que quando não está atuado emite um sinal de bit 1 e
quando está atuado emite sinal de bit 0. Neste caso como ele está ligado na
entrada X1, quando ele atuar, o mesmo vai para zero, mas a entrada no programa
está invertida, interpretando ele como 1. Como M0 também está 1, pela
lógica AND a saída M1 vai para 1(liga).
Já na terceira linha temos que quando
a entrada X2 é acionada, ela passa por um temporizador de 3 segundos. Isso
significa que após 3 segundos, a saída do temporizador T0 vai para 1. A combinação
de T0 com o sinal invertido da entrada X3 e o sinal da memória M1 em 1
setam a saída M2 que por sua vez acionam a saída Q0. Nesta penúltima linha
temos uma lógica AND com 3 variáveis.
Veja que a lógica Ladder realmente tenta reproduzir na
programação a forma como realmente os circuitos funcionam facilitando o entendimento
das pessoas quando trabalham com este tipo de programação. Por isto ela é tão
popular e utilizada pela maioria dos técnicos e engenheiros.
Bom, gostaria de encerrar este artigo
reforçando que o intuito é realmente fornecer os conceitos básicos sobre os
dispositivos que compõem um CLP bem como a programação que é utilizada para o
desenvolvimento da lógica. Espero que esta explicação básica de como
funcionam estes dispositivos possam ter contribuído de alguma forma na sua
busca de conhecimento e qualquer dúvida pode postar nos comentários. Até a
próxima.
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