O que é um Controlador Programável ? Como surgiu ?
Mesmo antes da industrialização da eletrônica digital, os projetistas de comando
elaboravam circuitos digitais como contatos programáveis. O programa era armazenado
em plugs multi-pinos e as instruções codificadas por meio de ligações elétricas
entre os pinos destes plugs. Esses programas eram muito limitados, e, sua principal
função era a seleção das operações das maquinas e/ou processos.
Desta forma, além de uma operacionalidade muito baixa, existiam outros
problemas: alto consumo de energia, difícil manutenção, modificações de comandos
dificultados e onerosos com muitas alterações na fiação ocasionando número de
horas paradas, além das dificuldades em manter documentação atualizada dos
esquemas de comando modificado.
Com a industrialização da eletrônica, os custos diminuíram, ao mesmo
tempo em que a flexibilidade aumentou, permitindo a utilização de comandos
eletrônicos em larga escala.
Mas alguns problemas persistiram, e quem sentia estes problemas de
forma significativa era a industria automobilística, pois a cada ano com o
lançamento de novos modelos, muitos painéis eram sucateados pois os custos
para alteração eram maiores do que a instalação de novos painéis.
Porém, em l968 a GM através de sua Divisão Hidromatic preparou as
especificações detalhadas do que posteriormente denominou-se Controlador Lógico Programável (CLP). Estas especificações retratavam as necessidades da
indústria, independentemente do produto final que iria ser fabricado.
Em 1969 foi instalado o primeiro CLP na GM executando apenas funções
de intertravamento.
Historicamente os CLP’s tiveram a seguinte evolução: De 1970 a 1974,
em adição às funções intertravamento e sequenciamento (lógica), foram
acrescentadas funções de temporização e contagem, funções aritméticas,
manipulação de dados e introdução de terminais de programação de
CRT (Cathode Ray Tube).De 1975 a 1979 foram incrementados ainda maiores recursos de software
que propiciaram expansões na capacidade de memória, controles analógicos de
malha fechada com algoritmos PID, utilização de estações remotas de interfaces de
E/S (Entradas e Saídas) e a comunicação com outros equipamentos “inteligentes”.
Com os desenvolvimentos deste período, o CLP passou a substituir o
microcomputador em muitas aplicações industriais.
Nesta década atual, através dos enormes avanços tecnológicos, tanto de
hardware como de software, podemos dizer que o CP evoluiu para o conceito
de controlador universal de processos, pois pode configurar-se para todas as necessidades de controle de processos e com custos extremamente atraentes.
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
O Controlador Programável, como todo sistema microprocessado, tem
seu princípio de funcionamento baseado em três passos:
Com a partida, o CLP executará as seguintes tarefas:
1. Transferirá os sinais existentes na interface de entrada para a memória
de dados (RAM).
2. Iniciará a varredura do software aplicativo armazenando na memória
de programa (SCAN), utilizando os dados armazenados na memória de dados.
Dentro deste ciclo, executará todas as operações que estavam programadas
no software aplicativo, como intertravamentos, habilitação de
temporizadores/contadores, armazenagem de dados processados na memória
de dados, etc...
3. Concluída a varredura do software aplicativo, o CP transferirá os dados
processados (resultados de operações lógicas) para a interface de saída.
Paralelamente, novos dados provenientes da interface de entrada irão alimentar
a memória de dados.
ASPECTO DE HARDWARE
O diagrama de blocos abaixo representa a estrutura básica de um
controlador programável com todos os seus componentes. Estes componentes
irão definir o que denominamos configuração do CLP. (Fonte, CPU, Ent/Saídas.)
1. FONTE DE ALIMENTAÇÃO
A fonte fornece todos os níveis de tensão exigidos para as operações internas
do CP (Ex.: CPU, Memória, E/S).
2. CPU
A CPU é o cérebro do sistema. Ela lê o sinal das entradas na memória de
dados, executa operações aritméticas e lógicas baseadas na memória de
programa, e gera os comandos apropriados para a memória de dados
controlar o estado das saídas.
Abaixo são apresentadas algumas considerações e características principais:
Utiliza microprocessadores ou microcontroladores de 8,16 ou 32 bits e,
em CLP’s maiores, um coprocessador (microprocessador dedicado)
adicional para aumentar a capacidade de processamento em cálculos
complexos com aritmética de ponto flutuante.
A maioria dos fabricantes de CLP’s especificam os tempos de varredura
como função do tamanho do programa (p.e.10ms/1k de programa), e
situam-se na faixa de 0,3 até 10ms/k, caracterizando a existência de CLP’s
rápidos e lentos.
Alguns fabricantes provêem recursos de hardware e software que
possibilitam interrupções na varredura normal de forma a “ler” uma entrada
ou “atualizar” uma saída imediatamente.
Recursos de auto-diagnose para detecção e indicação de falhas
(Comunicação, memória, bateria, alimentação, temperatura, etc.) são também
disponíveis em alguns CLP’s. Normalmente os indicadores estão localizados
na parte frontal do cartão da UCP.
3. MEMÓRIAS
Memória de Dados : também conhecida como memória de rascunho.
Serve para armazenar temporariamente os estados E/S, marcadores presets de
temporizadores/contadores e valores digitais para que o CPU possa processá-los.
A cada ciclo de varredura a memória de dados é atualizada.
Geralmente memória RAM.
Memória de Usuário : serve para armazenar as instruções do software
aplicativo e do usuário ( programas que controlam a máquina ou a operação do
processo), que são continuamente executados pela CPU. Pode ser memória
RAM, EPROM,EPROM, NVRAM ou FLASH-EPROM.
4. INTERFACES DE ENTRADA/SAÍDA.
O hardware, de E/S, freqüentemente chamado de módulos de E/S, é a
interface entre os dispositivos conectados pelo usuário e a memória de dados. Na
entrada, o módulo de entrada aceita as tensões usuais de comando
(24VCC,110/220 VCA) que chegam e as transforma em tensões de nível lógico
aceitos pela CPU. O módulo de saída comuta as tensões de controle fornecidas,
necessárias para acionar vários dispositivos conectados.
Os primeiros CLP’s, como já mencionado anteriormente, eram limitados a
interfaces de E/S discretas, ou seja, admitiam somente a conexão de dispositivos
do tipo ON/OFF (liga/desliga, aberto/fechado, etc.), o que, naturalmente, os
limitavam um controle parcial do processo, pois, variáveis como temperatura,
pressão, vazão, etc., medidas e controladas através de dispositivos operados
normalmente com sinais analógicos, não eram passíveis de controle. Todavia,
os CLP’s de hoje, provêem de uma gama completa e variada de interfaces
discretas e analógicas, que os habilitam a praticamente qualquer tipo de controle.
As entradas e saídas são organizadas por tipos e funções, e agrupadas
em grupos de 2, 4, 8, 16 e até 32 “pontos” (circuitos) por interface (cartão eletrônico)
de E/S. Os cartões são normalmente do tipo de encaixe e, configuráveis, de forma
a possibilitar uma combinação adequada de pontos de E/S, digitais e analógicas.
A quantidade máxima de pontos de E/S, disponíveis no mercado de CLP’s,
pode variar desde 16 a 8192 pontos normalmente, o que caracteriza a existência de
pequenos, médios e grandes CLP’s.
Embora uma classificação de CP’s devesse considerar a combinação de
diversos aspectos (n.º de pontos de E/S, capacidade de memória, comunicação,
recursos de software e programação, etc.)
INTERFACEAMENTO DE PERIFÉRICOS
COMUNICAÇÃO SERIAL: É a mais comumente utilizada para a maioria
dos periféricos e é feita utilizando-se simples cabos de par traçado. Os padrões
mais utilizados são o RS 232C, loop de corrente 20mA, e o RS-422/RS-485
em alguns casos.
RS-232C: Este padrão define basicamente as características dos sinais
elétricos, bem como os detalhes mecânicos (pinagem) da interface.
É empregada para velocidades de transmissão de até 20k baud (bits/seg) e
distância máxima de 15 metros. (Com a utilização dos modems esta distância
pode ser ampliada).
RS-422/RS-485: É uma versão melhorada do padrão RS-232C. Ela
possibilita, principalmente, o emprego de velocidade de transmissão de até
100k baud para distância de até 1200m, podendo alcançar velocidades da
ordem de MBaud para distâncias menores.
LOOP DE CORRENTE 20mA: A interface de loop de corrente é idêntica
a RS-232C e, evidentemente como é baseada em níveis de corrente em vez
de tensão, possibilita o emprego em distâncias bem maiores. Muitos CLP’s
oferecem ambos os padrões, RS-232C e loop de corrente.