Resumo de conhecimento sobre PLC: leitura essencial para engenheiros elétricos!
Resumo de conhecimento sobre PLC: leitura essencial para engenheiros elétricos!
I. Definição e Classificação de CLPs
PLC, ou Controlador Lógico Programável, é uma nova geração de dispositivos de controle industrial universais. É baseado em microprocessadores e integra tecnologia de informática, tecnologia de controle automático e tecnologia de comunicação. Projetados para ambientes industriais, os CLPs apresentam programação de fácil compreensão utilizando uma “linguagem natural” orientada para processos de controle e usuários. Eles são caracterizados pela simplicidade, facilidade de operação e alta confiabilidade.
Evoluídos a partir do controle sequencial de relés, os CLPs são centrados em microprocessadores e servem como versáteis dispositivos de controle automático. Vamos nos aprofundar nos detalhes:
1. Definição
Um PLC é um sistema eletrônico digital projetado para aplicações industriais. Ele utiliza uma memória programável para armazenar instruções para operações como computação lógica, controle sequencial, temporização, contagem e aritmética. Através da interface com entradas e saídas digitais e analógicas, os PLCs controlam vários equipamentos mecânicos e processos de produção. Tanto os CLPs quanto seus dispositivos periféricos são projetados para se integrarem perfeitamente aos sistemas de controle industrial e para facilitar a expansão funcional.
2. Classificação
Os produtos PLC vêm em uma ampla variedade, com diferentes especificações e capacidades de desempenho. Eles são amplamente classificados com base na forma estrutural, nas diferenças funcionais e no número de pontos de E/S.
2.1 Classificação por Forma Estrutural
Os CLPs podem ser categorizados em tipos integrais e modulares com base em sua forma estrutural.
(1) CLP integral
Os CLPs integrais abrigam componentes como fonte de alimentação, CPU e interfaces de E/S em um único gabinete. Eles são conhecidos por sua estrutura compacta, tamanho pequeno e preço acessível. PLCs de pequeno porte normalmente adotam essa estrutura integral. Um PLC integral consiste em uma unidade básica (também conhecida como unidade principal) com diferentes pontos de E/S e uma unidade de expansão. A unidade básica contém a CPU, interfaces de E/S, uma porta de expansão para conexão com unidades de expansão de E/S e interfaces para conexão com um programador ou gravador de EPROM. A unidade de expansão, por outro lado, contém apenas componentes de E/S e fonte de alimentação, sem CPU. A unidade básica e a unidade de expansão são geralmente conectadas através de um cabo plano. Os CLPs integrais também podem ser equipados com unidades de funções especiais, como unidades analógicas e unidades de controle de posição, para expandir suas capacidades.
(2) CLP Modular
Os CLPs modulares apresentam módulos separados para cada componente, como módulos de CPU, módulos de E/S, módulos de fonte de alimentação (às vezes integrados ao módulo de CPU) e vários módulos de função. Esses módulos são montados em uma estrutura ou backplane. A vantagem dos PLCs modulares reside na sua configuração flexível, permitindo a seleção de diferentes escalas de sistema conforme necessário. Eles também são fáceis de montar, expandir e manter. CLPs de médio e grande porte geralmente adotam uma estrutura modular.
Além disso, alguns CLPs combinam as características dos tipos integral e modular, formando o que é conhecido como CLP empilhado. Em CLPs empilhados, componentes como CPU, fonte de alimentação e interfaces de E/S são módulos independentes conectados por meio de cabos e podem ser empilhados camada por camada. Este design não só oferece configuração flexível do sistema, mas também permite um tamanho compacto.
2.2 Classificação por Função
Com base em suas capacidades funcionais, os CLPs podem ser divididos em três categorias: low-end, mid-range e high-end.
(1) CLP de baixo custo
Os CLPs de baixo custo possuem funções básicas como operações lógicas, temporização, contagem, mudança, autodiagnóstico e monitoramento. Eles também podem incluir uma quantidade limitada de entradas/saídas analógicas, operações aritméticas, transferência e comparação de dados e funções de comunicação. Esses CLPs são usados principalmente para sistemas de controle de máquina única envolvendo controle lógico, controle sequencial ou uma pequena quantidade de controle analógico.
(2) CLP de médio alcance
Além das funções de CLPs de baixo custo, os CLPs de médio porte oferecem recursos mais fortes em entrada/saída analógica, operações aritméticas, transferência e comparação de dados, conversão de sistema numérico, E/S remota, sub-rotinas e rede de comunicação. Alguns também podem apresentar funções de controle de interrupção e controle PID, tornando-os adequados para sistemas de controle complexos.
(3) CLP de última geração
Os CLPs de última geração, além dos recursos dos CLPs de médio porte, incluem funções avançadas, como operações aritméticas assinadas, cálculos matriciais, operações lógicas de bits, cálculos de raiz quadrada e outras operações de funções especiais. Eles também apresentam recursos de criação e transferência de tabelas. Os CLPs de última geração apresentam funcionalidades aprimoradas de comunicação e rede, permitindo o controle de processos em grande escala ou a formação de sistemas de controle de rede distribuídos, alcançando assim a automação da fábrica.
2.3 Classificação por Pontos de E/S
Dependendo do número de pontos de E/S, os PLCs podem ser classificados em categorias pequenas, médias e grandes.
(1) CLP pequeno
CLPs pequenos têm menos de 256 pontos de E/S, apresentam uma única CPU e utilizam processadores de 8 ou 16 bits. A capacidade de memória do usuário normalmente é inferior a 4 KB.
(2) CLP Médio
CLPs médios possuem entre 256 e 2.048 pontos de E/S, empregam CPUs duplas e possuem capacidade de memória de usuário variando de 2 KB a 8 KB.
(3) CLP grande
CLPs grandes possuem mais de 2.048 pontos de E/S, utilizam múltiplas CPUs e são equipados com processadores de 16 ou 32 bits. A capacidade de memória do usuário varia de 8 KB a 16 KB.
Em todo o mundo, os produtos PLC podem ser categorizados em três tipos regionais principais: americanos, europeus e japoneses. As tecnologias PLC americanas e europeias foram desenvolvidas de forma independente, resultando em diferenças distintas entre os seus produtos. A tecnologia PLC japonesa, introduzida nos Estados Unidos, herda certas características dos PLCs americanos, mas concentra-se em PLCs de pequeno porte. Enquanto os PLCs americanos e europeus são conhecidos pelas suas ofertas de médio e grande porte, os PLCs japoneses são famosos pelos seus homólogos de pequeno porte.
II. Funções e campos de aplicação de PLCs
Os CLPs combinam as vantagens do controle relé-contator e a flexibilidade dos computadores. Este design exclusivo fornece ao PLC vários recursos incomparáveis em comparação com outros controladores.
1. Funções dos CLPs
Como um dispositivo de controle automático industrial universal centrado em microprocessadores e integrando tecnologia de computador, tecnologia de controle automático e tecnologia de comunicação, os CLPs oferecem uma infinidade de vantagens. Isso inclui alta confiabilidade, tamanho compacto, forte funcionalidade, design de programa simples e flexível, versatilidade e fácil manutenção. Consequentemente, os PLCs encontram amplas aplicações em áreas como metalurgia, energia, produtos químicos, transporte e geração de energia, emergindo como um dos três pilares do controle industrial moderno (ao lado de robôs e CAD/CAM). Com base nas características dos CLPs, suas formas funcionais podem ser resumidas da seguinte forma:
(1) Controle lógico de comutação
Os PLCs possuem capacidades robustas de computação lógica, permitindo-lhes alcançar vários controles lógicos simples e complexos. Este é o domínio mais fundamental e amplamente aplicado dos CLPs, substituindo o controle tradicional de relé-contator.
(2) Controle Analógico
PTOs Cs são equipados com módulos de conversão A/D e D/A. O módulo A/D converte grandezas analógicas do campo – como temperatura, pressão, vazão e velocidade – em grandezas digitais. Essas grandezas digitais são então processadas pelo microprocessador dentro do PLC (já que os microprocessadores só podem lidar com grandezas digitais) e posteriormente usadas para controle. Alternativamente, o módulo D/A converte grandezas digitais novamente em grandezas analógicas para controlar o objeto controlado, permitindo assim que os PLCs exerçam controle sobre grandezas analógicas.
(3) Controle de Processo
CLPs modernos de médio e grande porte normalmente apresentam módulos de controle PID, permitindo controle de processo em malha fechada. Quando uma variável se desvia durante o processo de controle, o PLC calcula a saída correta utilizando o algoritmo PID, ajustando assim o processo de produção e mantendo a variável no setpoint. Atualmente, muitos CLPs de pequeno porte também incorporam funcionalidade de controle PID.
(4) Controle de tempo e contagem
Os CLPs possuem fortes recursos de temporização e contagem, capazes de fornecer dezenas, centenas ou até milhares de temporizadores e contadores. A duração do tempo e os valores de contagem podem ser definidos arbitrariamente pelo usuário ao escrever o programa do usuário ou por operadores no local por meio de um programador. Isso permite o controle de tempo e contagem. Se os usuários precisarem contar sinais de alta frequência, poderão optar por módulos de contagem de alta velocidade.
(5) Controle Sequencial
No controle industrial, o controle sequencial pode ser obtido por meio de instruções passo a passo do CLP ou programação de registradores de deslocamento.
(6) Processamento de Dados
Os CLPs modernos não são apenas capazes de realizar operações aritméticas, transferência de dados, classificação e consulta de tabelas, mas também podem realizar comparação de dados, conversão de dados, comunicação de dados, exibição de dados e impressão. Eles possuem capacidades robustas de processamento de dados.
(7) Comunicação e Networking
A maioria dos CLPs modernos incorpora tecnologias de comunicação e rede, apresentando interfaces RS-232 ou RS-485 para controle remoto de E/S. Vários PLCs podem ser conectados em rede e se comunicarem entre si. Unidades de processamento de sinais de dispositivos externos podem trocar programas e dados com um ou mais controladores programáveis. A transferência de programas, transferência de arquivos de dados, monitoramento e diagnóstico podem ser obtidos através de interfaces de comunicação ou processadores de comunicação, que utilizam interfaces de hardware padrão ou protocolos de comunicação proprietários para facilitar a transferência de programas e dados.
2. Campos de Aplicação de PLCs
Atualmente, os PLCs são amplamente empregados tanto nacional quanto internacionalmente em vários setores, incluindo ferro e aço, petróleo, produtos químicos, energia, materiais de construção, fabricação mecânica, automóveis, têxteis leves, transporte, proteção ambiental e entretenimento cultural. Suas aplicações podem ser amplamente categorizadas da seguinte forma:
(1) Controle lógico de comutação
Este é o domínio mais fundamental e extensivamente aplicado dos CLPs, substituindo os circuitos de relés tradicionais para obter controle lógico e sequencial. Os PLCs podem ser usados para controle de máquina única, bem como controle de grupo de múltiplas máquinas e linhas de produção automatizadas, como máquinas de moldagem por injeção, máquinas de impressão, máquinas de grampeamento, máquinas-ferramentas combinadas, retificadoras, linhas de produção de embalagens e linhas de montagem de galvanoplastia.
(2) Controle Analógico
Nos processos de produção industrial, inúmeras grandezas que variam continuamente – como temperatura, pressão, vazão, nível de líquido e velocidade – são grandezas analógicas. Para permitir que os CLPs manipulem grandezas analógicas, as conversões A/D e D/A entre grandezas analógicas e digitais devem ser realizadas. Os fabricantes de CLP produzem módulos de conversão A/D e D/A para facilitar aplicações de controle analógico para CLPs.
(3) Controle de Movimento
CLPpode ser usado para controle de movimento rotativo ou linear. Em termos de configuração do sistema de controle, as primeiras aplicações conectavam diretamente sensores de posição e atuadores para comutar módulos de E/S. Hoje em dia, módulos especializados de controle de movimento são geralmente empregados. Esses módulos podem acionar o controle de posição de eixo único ou multieixo para motores de passo ou servomotores. Quase todos os produtos dos principais fabricantes de PLC em todo o mundo apresentam recursos de controle de movimento, que são amplamente utilizados em diversas máquinas, máquinas-ferramentas, robôs, elevadores e outras aplicações.
(4) Controle de Processo
O controle de processo refere-se ao controle de malha fechada de grandezas analógicas, como temperatura, pressão e vazão. Possui amplas aplicações em áreas como metalurgia, engenharia química, tratamento térmico e controle de caldeiras. Como computadores de controle industrial, os CLPs podem ser programados com uma variedade de algoritmos de controle para realizar o controle em malha fechada. O controle PID é um método de regulação comumente usado em sistemas de controle de malha fechada. Tanto CLPs de médio quanto grande porte são equipados com módulos PID e, atualmente, muitos CLPs de pequeno porte também possuem este módulo funcional. O processamento PID geralmente envolve a execução de uma sub-rotina PID dedicada.
(5) Processamento de Dados
Os CLPs modernos são equipados com operações matemáticas (incluindo cálculo de matrizes, cálculo de funções, operações lógicas), transferência de dados, conversão de dados, classificação, consulta de tabela e funções de manipulação de bits. Eles podem realizar aquisição, análise e processamento de dados. Estes dados podem ser comparados com valores de referência armazenados na memória para realizar operações de controle específicas ou transmitidos a outros dispositivos inteligentes através de funções de comunicação. Eles também podem ser impressos e tabulados. O processamento de dados é normalmente usado em sistemas de controle de grande escala, como sistemas de fabricação flexíveis não tripulados, e em sistemas de controle de processos, como aqueles na fabricação de papel, metalurgia e indústria alimentícia.
(6) Comunicação e Rede
A comunicação PLC abrange a comunicação entre PLCs e entre PLCs e outros dispositivos inteligentes. Com o desenvolvimento do controle por computador, as redes de automação fabril avançaram rapidamente. Todos os fabricantes de PLCs dão grande ênfase às capacidades de comunicação dos PLCs e introduziram os seus respectivos sistemas de rede. Os PLCs produzidos recentemente estão equipados com interfaces de comunicação, tornando a comunicação muito conveniente.
III. Estrutura Básica e Princípio de Funcionamento de PLCs
Como computadores de controle industrial, os CLPs compartilham semelhanças estruturais com computadores comuns. No entanto, surgem diferenças devido a diversos cenários e objetivos de uso.
1. Componentes de Hardware de CLPs
O diagrama de estrutura básica de um host PLC é mostrado na figura abaixo: [Figura]
No diagrama, o host PLC consiste em uma CPU, memória (EPROM, RAM), unidades de entrada/saída, interfaces de E/S periféricas, interfaces de comunicação e uma fonte de alimentação. Para CLPs integrais, todos esses componentes estão alojados no mesmo gabinete. Nos CLPs modulares, cada componente é empacotado independentemente como um módulo, e os módulos são conectados por meio de um rack e cabos. Todas as partes do host são interconectadas por meio de barramentos de energia, barramentos de controle, barramentos de endereço e barramentos de dados. Dependendo dos requisitos do objeto de controle real, vários dispositivos externos são configurados para formar diferentes sistemas de controle PLC.
Dispositivos externos comuns incluem programadores, impressoras e gravadores de EPROM. Os CLPs também podem ser equipados com módulos de comunicação para se comunicarem com máquinas de nível superior e outros CLPs, formando assim um sistema de controle distribuído para CLPs.
Abaixo está uma introdução a cada componente do PLC e sua função, para ajudar os usuários a compreender melhor os princípios de controle e processos de trabalho dos PLCs.
(1) CPU
A CPU é o centro de controle do PLC. Sob o controle da CPU, o PLC coordena e opera ordenadamente para obter controle sobre vários equipamentos no local. Composta por um microprocessador e um controlador, a CPU pode realizar operações lógicas e matemáticas e coordenar o trabalho de diversos componentes internos do sistema de controle. O controlador gerencia a operação ordenada de todas as partes do microprocessador. Sua principal função é ler instruções da memória e executá-las.
(2) Memória
Os CLPs são equipados com dois tipos de memória: memória de sistema e memória de usuário. A memória do sistema armazena programas de gerenciamento do sistema, que os usuários não podem acessar ou modificar. A memória do usuário armazena programas aplicativos compilados e estados de dados de trabalho. A parte da memória do usuário que armazena os estados dos dados de trabalho também é conhecida como área de armazenamento de dados. Inclui áreas de imagem de dados de entrada/saída, áreas de dados de valores predefinidos e atuais para temporizadores/contadores e zonas de buffer para armazenar resultados intermediários.
A memória PLC inclui principalmente os seguintes tipos:
Memória somente leitura (ROM)
Memória somente leitura programável (PROM)
Memória somente leitura programável apagável (EPROM)
Memória somente leitura programável eletricamente apagável (EEPROM)
Memória de acesso aleatório (RAM)
(3) Módulos de entrada/saída (E/S)
① Módulo de entrada de comutação
Os dispositivos de entrada de comutação incluem vários interruptores, botões, sensores, etc. Os tipos de entrada do PLC podem ser CC, CA ou ambos. A fonte de alimentação do circuito de entrada pode ser fornecida externamente ou, em alguns casos, fornecida internamente pelo PLC.
② Módulo de saída de comutação
O módulo de saída converte os sinais de controle de nível TTL emitidos pela CPU ao executar o programa do usuário em sinais necessários no local de produção para acionar equipamentos específicos, acionando assim o mecanismo de execução.
(4) Programador
O programador é um dispositivo externo essencial para PLCs. Ele permite que os usuários insiram programas na memória de programa do usuário do PLC, depurem programas e monitorem a execução do programa. Programaticamente, os programadores podem ser categorizados em três tipos:
Programador portátil
Programador Gráfico
Programador Geral de Computadores
(5) Fonte de alimentação
A unidade de fonte de alimentação converte energia externa (por exemplo, 220 Vca) em tensão interna de trabalho. A fonte de alimentação conectada externamente é transformada na tensão de trabalho exigida pelos circuitos internos do PLC (por exemplo, DC 5V, ±12V, 24V) através de um regulador de tensão de modo de comutação dedicado dentro do PLC. Ele também fornece uma fonte de alimentação de 24 Vcc para dispositivos de entrada externos (por exemplo, interruptores de proximidade) (somente para pontos de entrada). A fonte de alimentação para acionamento de cargas PLC é fornecida por...
(6) Interfaces Periféricas
Os circuitos de interface periférica conectam programadores portáteis ou outros programadores gráficos, exibições de texto e podem formar uma rede de controle PLC por meio da interface periférica. Os CLPs podem se conectar a computadores usando um cabo PC/PPI ou uma placa MPI através de uma interface RS-485, permitindo programação, monitoramento, rede e outras funções.
2. Componentes de Software de CLPs
O software PLC compreende programas de sistema e programas de usuário. Os programas do sistema são projetados e escritos pelos fabricantes do CLP e armazenados na memória do sistema do CLP. Os usuários não podem ler, escrever ou modificá-los diretamente. Os programas de sistema normalmente incluem programas de diagnóstico de sistema, programas de processamento de entrada, programas de compilação, programas de transferência de informações e programas de monitoramento, entre outros.
VocêOs programas ser são compilados por usuários usando linguagens de programação PLC com base nos requisitos de controle. Em aplicações PLC, o aspecto mais crítico é usar linguagens de programação PLC para escrever programas de usuário para atingir os objetivos de controle. Como os CLPs são desenvolvidos especificamente para controle industrial, seus principais usuários são técnicos elétricos. Para atender aos seus hábitos tradicionais e capacidades de aprendizagem, os PLCs empregam principalmente linguagens dedicadas que são mais simples, mais compreensíveis e mais intuitivas em comparação com as linguagens de computador.
Estrutura de instrução gráfica
Variáveis e constantes explícitas
Estrutura simplificada do programa
Processo simplificado de geração de software aplicativo
Ferramentas de depuração aprimoradas
3. Princípio Básico de Funcionamento de PLCs
O processo de digitalização do PLC é dividido principalmente em três estágios: amostragem de entrada, execução do programa do usuário e atualização de saída. Conforme mostrado na figura: [Figura]
Estágio de amostragem de entrada
Durante o estágio de amostragem de entrada, o PLC lê sequencialmente todos os status e dados de entrada de maneira digitalizada e os armazena nas unidades correspondentes da área de imagem de E/S. Após a conclusão da amostragem de entrada, o processo passa para os estágios de execução do programa do usuário e atualização de saída. Nestes dois estágios, mesmo que os status de entrada e os dados mudem, os status e os dados nas unidades correspondentes da área de imagem de E/S não serão alterados. Portanto, se a entrada for um sinal de pulso, a largura do pulso deverá ser maior que um ciclo de varredura para garantir que a entrada possa ser lida em qualquer circunstância.
Estágio de execução do programa do usuário
Durante a etapa de execução do programa do usuário, o PLC sempre faz a varredura do programa do usuário (diagrama ladder) em uma sequência top-down. Ao digitalizar cada diagrama ladder, ele primeiro verifica o circuito de controle formado pelos contatos no lado esquerdo do diagrama ladder. As operações lógicas são executadas no circuito de controle da esquerda para a direita e de cima para baixo. Então, com base nos resultados das operações lógicas, o status do bit correspondente na área de armazenamento RAM do sistema para a bobina lógica é atualizado, ou o status do bit correspondente na área de imagem de E/S para a bobina de saída é atualizado, ou é determinado se devem ser executadas as instruções de função especial especificadas pelo diagrama ladder.
Isto é, durante a execução do programa do usuário, apenas os status e dados dos pontos de entrada na área de imagem de E/S permanecem inalterados, enquanto os status e dados de outros pontos de saída e dispositivos flexíveis na área de imagem de E/S ou na área de armazenamento RAM do sistema podem mudar. Os diagramas ladder posicionados mais acima afetarão os resultados de execução dos diagramas ladder inferiores que fazem referência a essas bobinas ou dados. Por outro lado, os status ou dados atualizados das bobinas lógicas nos diagramas ladder inferiores influenciarão apenas os diagramas ladder superiores no próximo ciclo de varredura.
Estágio de atualização de saída
Quando a varredura do programa do usuário for concluída, o PLC entra no estágio de atualização de saída. Durante esta fase, a CPU atualiza todos os circuitos de saída de acordo com os status e dados na área de imagem de E/S e aciona os periféricos correspondentes através dos circuitos de saída. Isto marca a verdadeira saída do PLC.
Fenômeno de atraso de entrada/saída
Do processo de trabalho do PLC, podem ser tiradas as seguintes conclusões:
Os programas são executados em modo de varredura, resultando em um atraso inerente na relação lógica entre os sinais de entrada e saída. Quanto mais longo for o ciclo de digitalização, mais grave será o atraso.
Além do tempo ocupado pelos três principais estágios de trabalho – amostragem de entrada, execução do programa do usuário e atualização de saída – o ciclo de varredura também inclui o tempo consumido pelas operações de gerenciamento do sistema. O tempo necessário para a execução do programa está relacionado à duração do programa e à complexidade das operações das instruções, enquanto outros fatores permanecem relativamente constantes. Os ciclos de varredura são normalmente da ordem de milissegundos ou microssegundos.
Durante a enésima execução de varredura, os dados de entrada nos quais se confia são o valor amostrado X obtido durante a fase de amostragem desse ciclo de varredura. Os dados de saída Y(n) são baseados no valor de saída Y(n-1) da varredura anterior e no valor de saída atual Yn. O sinal enviado ao terminal de saída representa o resultado final Yn após todos os cálculos terem sido executados durante este ciclo.
O atraso na resposta de entrada/saída não está apenas relacionado ao método de varredura, mas também à organização do design do programa.