INTRODUÇÃO
Os Controladores Lógicos Programáveis ou CLPs, são equipamentos eletrônicos utilizados em sistemas de automação flexível. São ferramentas de trabalho muito úteis e versáteis para aplicações em sistemas de acionamentos e controle, e por isso são utilizados em grande escala no mercado industrial. Permitem desenvolver e alterar facilmente a lógica para acionamento das saídas em função das entradas. Desta forma, podemos associar diversos sinais de entrada para controlar diversos atuadores ligados nos pontos de saída. 1. Mercado Atual – Rápido e Flexível A roda viva da atualização, da qual fazemos parte, movimenta e impulsiona o mercado mundial atualmente. Os profissionais buscam conhecimentos para se tornarem mais versáteis, adequando-se às necessidades das empresas, que por sua vez, buscam maior variedade e rapidez de produção para atender ao cliente, que se torna cada vez mais exigente. As empresas estão se reorganizando para atender as necessidades atuais de aumento de produtividade, flexibilidade e redução de custos. Destas necessidades surgiram as necessidades de os equipamentos se adequarem rapidamente às alterações de configurações necessárias para produzirem diversos modelos de produtos, com pequenas alterações entre si. 2. Automação Em princípio, qualquer grandeza física pode ser controlada, isto é, pode Ter seu valor intencionalmente alterado. Obviamente, há limitações práticas; uma das inevitáveis é a restrição da energia de que dispomos para afetar os fenômenos: por exemplo, a maioria das variáveis climatológicas poder ser medida mas não controlada, por causa da ordem de grandeza da energia envolvida. O controle manual implica em se ter um operador presente ao processo criador de uma variável física e que, de acordo com alguma regra de seu conhecimento, opera um aparelho qualquer (válvula, alavanca, chave, ...), que por sua vez produz alterações naquela variável. No início da industrialização, os processos industriais utilizavam o máximo da força da mão-de-obra. A produção era composta por etapas ou estágios, nos quais as pessoas desenvolviam sempre as mesmas funções, especializando-se em certa tarefa ou etapa da produção. Assim temos o princípio da produção seriada. O mesmo ocorria com as máquinas de produção, que eram específicas para uma aplicação, o que impedia seu uso em outras etapas da produção, mesmo que tivesse características muito parecidas. Com o passar do tempo e a valorização do trabalhador, foi preciso fazer algumas alterações nas máquinas e equipamentos, de forma a resguardar a mão-de-obra de algumas funções inadequadas à estrutura física do homem. A máquina passou a fazer o trabalho mais pesado e o homem, a supervisioná-la.
Com a finalidade de garantir o controle do sistema de produção, foram colocados sensores nas máquinas para monitorar e indicar as condições do processo. O controle só é garantido com o acionamento de atuadores a partir do processamento das informações coletadas pelos sensores. O controle diz-se automático quando uma parte, ou a totalidade, das funções do operador é realizada por um equipamento, freqüente mas não necessariamente eletrônico. Controle automático por realimentação é o equipamento automático que age sobre o elemento de controle, baseando-se em informações de medida da variável controlada. Como exemplo: o controle de temperatura de um refrigerador. O controle automático por programa envolve a existência de um programa de ações, que se cumpre com base no decurso do tempo ou a partir de modificações eventuais em variáveis externas ao sistema. No primeiro caso temos um programa temporal e no segundo um programa lógico. Automatizar um sistema, tornou-se muito mais viável à medida que a Eletrônica avançou e passou a dispor de circuitos capazes de realizar funções lógicas e aritméticas com os sinais de entrada e gerar respectivos sinais de saída. Com este avanço, o controlador, os sensores e os atuadores passaram a funcionar em conjunto, transformando processo em um sistema automatizado, onde o próprio controlador toma decisões em função da situação dos sensores e aciona os atuadores. Os primeiros sistemas de automação operavam por meio de sistemas eletromecânicos, com relés e contatores. Neste caso, os sinais acoplados à máquina ou equipamento a ser automatizado acionam circuitos lógicos a relés que disparam as cargas e atuadores. As máquinas de tear são bons exemplos da transição de um sistema de automação rígida para automação flexível. As primeiras máquinas de tear eram acionadas manualmente. Depois passaram a ser acionadas por comandos automáticos, entretanto, estes comandos só produziam um modelo de tecido, de padronagem, de desenho ou estampa.
A introdução de um sistema automático flexível no mecanismo de uma máquina de tear, tornou possível produzir diversos padrões de tecido em um mesmo equipamento. Com o avanço da eletrônica, as unidades de memória ganharam maior capacidade e com isso armazenam todas as informações necessárias para controlar diversas etapas do processo. Os circuitos lógicos tornaramse mais rápidos, compactos e capazes de receber mais informações de entrada, atuando sobre um número maior de dispositivos de saída. Chegamos assim, aos microcontroladores responsáveis por receber informações das entradas, associá-las às informações contidas na memória e a partir destas desenvolver um a lógica para acionar as saídas. Toda esta evolução nos levou a sistemas compactos, com alta capacidade de controle, que permitem acionar diversas saídas em função de vários sinais de entradas combinados logicamente. Um outra etapa importante desta evolução é que toda a lógica de acionamento pode ser desenvolvida através de software, que determina ao controlador a seqüência de acionamento a ser desenvolvida. Este tipo de alteração da lógica de controle caracteriza um sistema flexível. Os CLPs são equipamentos eletrônicos de controle que atuam a partir desta filosofia.
Histórico
O Controlador Lógico Programável – CLP – nasceu dentro da General Motors, em 1968, devido a grande dificuldade de mudar a lógica de controle dos painéis de comando a cada mudança na linha de montagem. Tais mudanças implicavam em altos gastos de tempo e dinheiro. Sob a liderança do engenheiro Richard Morley, foi preparada uma especificação que refletia as necessidades de muitos usuários de circuitos e relés, não só da indústria automobilística como de toda a indústria manufatureira. Nascia assim um equipamento bastante versátil e de fácil utilização, que vem se aprimorando constantemente, diversificando cada vez mais os setores industriais e suas aplicações, o que justifica hoje um mercado mundial estimado em 4 bilhões de dólares anuais.
Vantagens
- menor espaço ·
- menor consumo de energia elétrica ·
- reutilizáveis ·
- programáveis ·
- maior confiabilidade ·
- maior flexibilidade ·
- maior rapidez na elaboração dos projetos ·
- interfaces de comunicação com outros CLPs e computadores
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Podemos apresentar a estrutura de um CLP dividida em três partes: entrada, processamento e saída.
Os sinais de entrada e saída dos CLPs podem ser digitais ou analógicos. Existem diversos tipos de módulos de entrada e saída que se adequam as necessidades do sistema a ser controlado.
Os módulos de entrada e saídas são compostos de grupos de bits, associados em conjunto de 8 bits (1 byte) ou conjunto de 16 bits, de acordo com o tipo da CPU.
As entradas analógicas são módulos conversores A/D, que convertem um sinal de entrada em um valor digital, normalmente de 12 bits (4096 combinações).
As saídas analógicas são módulos conversores D/A, ou seja, um valor binário é transformado em um sinal analógico. Os sinais dos sensores são aplicados às entradas do controlador e a cada ciclo (varredura) todos esses sinais são lidos e transferidos para a unidade de memória interna denominada memória imagem de entrada.
Estes sinais são associados entre si e aos sinais internos. Ao término do ciclo de varredura, os resultados são transferidos à memória imagem de saída e então aplicados aos terminais de saída. Este ciclo esta representado na figura 2.
INTRODUÇÃO A PROGRAMAÇÃO
Lógica matemática e binária A lógica matemática ou simbólica visa superar as dificuldades e ambigüidades de qualquer língua, devido a sua natureza vaga e equívoca das palavras usadas e do estilo metafórico e, portanto, confuso que poderia atrapalhar o rigor lógico do raciocínio. Para evitar essas dificuldades, criou-se uma linguagem lógica artificial.
A lógica binária possui apenas dois valores que são representados por : 0 e 1. A partir desses dois símbolos construímos então uma base numérica binária. A partir desses conceitos foram criadas as portas lógicas, que são circuitos utilizados para combinar níveis lógicos digitais de formas específicas. Neste curso aprenderemos apenas as portas lógicas básicas: AND, OR e NOT.
Os CLPs vieram a substituir elementos e componentes eletro-eletrônicos de acionamento e a linguagem utilizada na sua programação é similar à linguagem de diagramas lógicos de acionamento desenvolvidos por eletrotécnicos e profissionais da área de controle, esta linguagem é denominada linguagem de contatos ou simplesmente LADDER. A linguagem Ladder permite que se desenvolvam lógicas combinacionais, seqüenciais e circuitos que envolvam ambas, utilizando como operadores para estas lógicas: entradas, saídas, estados auxiliares e registros numéricos. A Tabela 1 nos mostra os 3 principais símbolos de programação.
Para entendermos a estrutura da linguagem vamos adotar um exemplo bem simples: o acionamento de uma lâmpada L a partir de um botão liga/desliga Na figura 3 temos o esquema elétrico tradicional, o programa e as ligações no CLP. Para entendermos o circuito com o CLP, vamos observar o programa desenvolvido para acender a lâmpada L quando acionamos o botão B1.
O botão B1, normalmente aberto, está ligado a entrada I0.0 e a lâmpada está ligada à saída Q0.0. Ao acionarmos B1, I0.0 é acionado e a saída Q0.0 é energizada. Caso quiséssemos que a lâmpada apagasse quando acionássemos B1 bastaria trocar o contato normal aberto por um contato normal fechado, o que representa a função NOT. Podemos desenvolver programas para CLPs que correspondam a operações lógicas combinacionais básicas da álgebra de Boole, como a operação AND. Na área elétrica a operação AND corresponde a associação em série de contatos, como indicado na figura 4.
Outra operação lógica básica é a função OR, que corresponde a associação em paralelo de contatos, como indicado na figura 5.
Assim podemos afirmar que todas as funções lógicas combinacionais podem ser desenvolvidas em programação e executadas por CLPs, uma vez que todas derivam dos básicos: NOT, AND e OR. A flexibilidade dos CLPs é percebida neste momento pois as alterações lógicas podem ocorrer com grande facilidade, sem que sejam necessárias alterações do hardware ou inclusão de componentes eletrônicos ou elétricos.
Esta é a principal característica dos sistemas de automação flexíveis e o que faz dos CLPs ferramentas de grande aplicação nas estruturas de automação. Além da linguagem de contatos, existem outras formas de programação características de cada fabricante.
Concluímos então que os projetos de automação e controle envolvendo CLPs reduzem o trabalho de desenvolvimento de hardware dos circuitos lógicos do acionamento, bem como os dispositivos e potência para acionamento de cargas e dos atuadores, uma vez que podemos escolher módulos de saída já prontos, adequados ao tipo de carga que desejamos acionar.
A utilização desses controladores contemplam, por conseguinte alguns passos genéricos:
- definição da função lógica a ser programada
- transformação desta função em programa assimilável pelo CLP
- implementação física do controlador e de suas interfaces com o processo
Neste curso introdutório estaremos tratando da programação básica do CLP S7-200 através do programa STEP 7 para Windows. Serão consideradas apenas os recursos básicos, que são: contato normal aberto, contato normal fechado, contadores e temporizadores.
ACESSÓRIOS E NOVAS TECNOLOGIAS
Os módulos de saída podem ser encontrados com drivers a transistor para carga DC, a relé para cargas AC e DC e a tiristores para cargas AC de potência. As configurações de CLPs variam de fabricante a fabricante, e os módulos de entradas e saídas, sejam elas digitais ou analógicas, podem ser encontrados em grupos separados ou associados. Existem também cartões de comunicação entre CLPs ou entre computadores, sejam eles industriais ou PCs. Estes cartões são muito utilizados e de extrema importância na automação de processos e máquinas, pois permitem que um sinal recebido por um PLC, possa acionar um contato de outro PLC ou de uma placa conversora A/D instalada em um computador, que estejam distantes.
Outro acessório importante é a IHM - Interface Homem-Máquina, que é uma painel de controle programável, que apresenta para o usuário mensagens de acordo com as condições dos sinais de entrada e saída, permitindo que um operador normal tome ciência da condição do sistema ou equipamento que está sendo controlado. Este acessório é utilizado como sistema supervisório e apresenta mensagens de emergência ou de parada por problemas técnicos. Atualmente estes painéis estão sendo substituídos por telas de computador, onde é possível reproduzir com grande perfeição o processo industrial, o que torna a interface com o operador muito mais amigável e segura. Dentre os softwares mais conhecidos no mercado estão o FIX e LookOut.
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Conforme a tecnologia avança novos equipamentos e estruturas vão sendo inventados. Uma nova estrutura está sendo difundida e implantada que é a Field Bus, ou barramento de campo. Nesta nova estrutura os sensores e atuadores são interligados por um par trançado de fios o que torna a instalação mais barata. Para adicionar novos sensores e atuadores basta plugá-los neste barramento e reconfigurar o sistema, sem ter que gastar tempo e dinheiro para passar novos fios até a sala de controle, o que é muito complicado em instalações industriais. Essa estrutura é similar a de um computador onde existem vários slots e podemos conectar ou substituir diversos tipos de placas como: placas de vídeo, fax, controladoras de drivers, conversores A/D ou D/A, etc... Essa estrutura está sendo regulamentada e padronizada por associações internacionais como a Fieldbus Foundation
Um sistema similar é o Field Point. Esse sistema possui um computador central e o barramento com os módulos espalhados pelo chão de fábrica. Esses módulos possuem entradas e saídas analógicas e digitais. Possui vantagens similares ao Fiedbus, como a fácil instalação de módulos auxiliares e fácil modificação da estrutura de controle. Tudo é controlado via software instalado no computador central.
Uma outra área avança com grande força que é a instrumentação virtual, onde os sensores e atuadores são conectados a um computador e um software processa as informações, enviando posteriormente as respostas. As grandes vantagens desses softwares são: linguagem de programação gráfica, ferramenta de simulação interativa, aquisição de dados e controle, monitoramento e processamento de imagens. Dentre os softwares mais utilizados estão o LabView e o BridgeView.
SIEMENS SIMATIC S7-200
A família de controladores programáveis S7-200 foi desenvolvida para o controle de uma ampla gama de aplicações de controle e automação .
Há varias opções de programação e a possibilidade de escolha dos equipamentos e da linguagem de programação . O que é necessário para instalar o software ?
O software da SIEMENS S7-200 for Windows pode ser instalado em qualquer PC IBM ou compatível com , no mínimo , um processador Intel 386/33MHz ,08 MB RAM , display VGA color, HD com espaço livre de 35 MB e Windows 3.1, 3.11 ou 95. Como é a comunicação do software ? O Software da SIEMENS S7-200 comunica-se com a CPU S7-200 através da porta do programador na parte inferior da CPU . Você pode usar um cabo PC/PPI para conectar o seu programador nas comunicações online. O computador necessitará de uma porta serial RS-232-C de 09 pinos para fazer a comunicação. Caso o micro tenha uma porta serial DB-25 será necessário um adaptador para DB-09 .
Características do S7-200 - CPU 214 Dimensões : 197 x 80 x 62 mm Fonte : 24 Volts ( Faixa de Tensão: 20,4 à 28,8 Vcc ) Corrente Típica de Alimentação : 60 mA ( Max. 500mA ) Entradas : 14 Portas Estado ON ( Faixa ) : de 15 à 35 Vcc Estado OFF ( Faixa ) : de 0 à 5,0 Vcc Tempo de Resposta : I 0.0 à I 0.3 : 0,2 ms. I 0.4 à I 1.5 : 1,2 ms. I 0.6 à I 1.5 (usando HSC1 e HSC2 ): 30 ms Saídas : 10 Portas Corrente Máxima por Saída : 400 mA Memória : 2 K Words / RAM autonomia 190 Hs 2 K Words / EEPROM (memória extra)
NOTA : Existe um cabo de comunicação especial da SIMENS que é utilizado para conectar mais de um CLP em um computador.
O que são Entradas e Saídas ?
I x.x - Designa uma entrada. É um elemento usado para monitorar uma ação ou um evento, como um interruptor, pressostato, termostato, etc. Na CPU 214 nós temos 14 entradas digitais reais.
São elas: I 0.0, I 0.1, I 0.2, I 0.3, I 0.4, I 0.5, I 0.6, I 0.7, I 1.0, I 1.1, I 1.2, I 1.3, I 1.4, I 1.5.
Q x.x - Designa uma Saída. É usada para controlar um equipamento como um motor, uma válvula ou um LED. Na CPU 214 nós temos 10 saídas digitais reais.
São elas: Q 0.0, Q 0.1, Q 0.2, Q 0.3, Q 0.4, Q 0.5, Q 0.6, Q 0.7, Q 1.0, Q 1.1.
O que são Entradas e Saídas Lógicas e Analógicas ?
Entradas e saídas lógicas são aquelas que possuem apenas dois resultados, 0 e 1. Sendo o resultado 0 = 0V e o resultado 1 = 24V. As Entradas e Saídas Analógicas podem variar passo a passo dentro de seu gradiente de variação. Por exemplo: digamos que o Laboratório tenha um modulo adicional de 02 entradas +02 saídas analógicas 220Vca; Então estas entradas e saídas poderão variar suas tensões entre 0Vca e 220Vca assumindo valores tais como: 40V, 87V 152Vca.
O que são contatos de memória ?
Contatos de memória são entidades virtuais que são utilizados apenas para ajudar o desenvolvimento da lógica de programação escalar interna. Usam uma simbologia de entrada e de saída
No caso da CPU mod. 214 , eles são 56 endereços variando do endereço M 0.0 ao endereço M 7.7 .
O que são entradas e saídas imaginárias?
Entradas e Saídas Imaginárias são aquelas que só podem ser usadas dentro do programa. Mas então elas deixam de ser Entradas e Saídas? Sim, elas serão utilizadas para contatos internos do programa , a não ser que se instale um módulo adicional e então estas entradas e/ou saídas ( depende do modulo ) deixarão de ser imaginárias e se transformarão em reais.
No caso da CPU mod. 214, são elas :
- Entradas: I 1.6 à I 7.7
- Saídas: Q 1.2 à Q 7.7
Nota: Os números que vem depois desses designadores identificam a entrada ou a saída específica que está sendo conectada ou controlada. Esses números vão de 0 a 7. Um grupo de oito pontos é chamado um BYTE. As Entradas e Saídas (I e Q), tem sua área de memória específica, assim uma entrada e uma saída podem ter o mesmo número de endereço, I 0.0 e Q 0.0. Por exemplo, se você deseja conectar um interruptor “liga/desliga” à terceira entrada é preciso liga-lo à entrada I 0.2.
Tela de Abertura
Depois de clicar no ícone, aparecerá em seu micro a tela de abertura . A partir deste ponto, você pode efetuar novos projetos, abrir projetos, alterar as configurações, etc.
Como em outros programas para Windows, os menus são alterados dependendo da tarefa que você esteja executando. Esta tela possui uma barra de comandos e ferramentas com os comandos característicos do Windows como: novo arquivo, abrir arquivo, salvar, imprimir, recortar, copiar e colar. Nesta barra também temos outros ícones específicos que são os seguintes:
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Em alguns estados do Brasil fala-se na obrigatoriedade do ART (Anotação de Responsabilidade Técnica) preenchido pelo profissional eletricista e apresentado ao CREA (Conselho Regional de Engenharia e Agronomia) para a execução da instalação da cerca elétrica.
Figura – Tabela-resistores
Figura – Calculos
Figura – cnc-freak-resistor
Onde:
