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.

clp rack

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:

clp rack cpu mitsubishi

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.

clp painel cpu mitsubishi

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

clp scan mode

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.

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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)

CLP entradas saidas

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):

clp cartao entrada

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.

ladder clp

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:

ladder clp codigo linha

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.