Automação-CLP Rev. 1

8/17/2019 Automação-CLP Rev. 1

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Instituto Nossa Senhora da Glória (INSG) – ETEC

MAXIMIANO KANDA FERRAZ

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

MACAÉ, 2009


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Trabalho acadêmico referente ao Ensino Técnico(ETEC) de mecatrônica para apresentar aoProfessor Alessandro Roberto de Oliveira, comorequisito à obtenção de nota, sob a orientação doPróprio.

MACAÉ, 2009


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TERMO DE APROVAÇÃO



Trabalho a ser apresentado como requisito parcial para obtenção de nota na disciplina de

redes do Curso Técnico de Mecatrônica do Instituto Nossa Senhora da Glória - INSG, para:

________________________________________

Alessandro Roberto de Oliveira

MACAÉ, 2009


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RESUMO

O Trabalho apresentado se foca na área da automação, descrevendo seu surgimento, processos, cada tipo do mesma e onde é utilizada, focando principalmente nos conceitos deControladores Lógico Programáveis e sua correspondente programação, a linguagem Ladder.Com esse estudo foi possível realizar a expansão de parte dos conhecimentos obtidos atravésdo estudo da engenharia, e entender o funcionamento e aplicações da automação emdiferentes setores.

Palavras-chave: Controlador, Lógica, Ladder, Programáveis.

ABSTRACT

The work presented focuses on the area of automation, describing its emergence processes ofeach type and where it is used, focusing mainly on the concepts of programmable logic

controllers and their corresponding programming language Ladder. With this study it was possible to achieve the expansion of the knowledge acquired through the study of

engineering, and understanding the workings and applications of automation in varioussectors.

Keywords: Controller, Logic, Ladder, Programmable.


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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO................................................................................................. 6

1.1 HISTÓRICO DA ELETRÔNICA .......................................................................... 6

1.2 HISTÓRICO DA AUTOMAÇÃO ........................................................................ 7

2. AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL............................................................................. 9

3. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL .............................................. 11

3.1 INTERFACES HOMEM-MÁQUINA ................................................................ 13

4. LINGUAGEM LADDER ................................................................................... 15

5. TECNOLOGIA FIELDBUS .............................................................................. 19

5.1 VANTAGENS ............................................................................................... 20

6. CONCLUSÃO................................................................................................. 21

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.............................................................. 22


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1. INTRODUÇÃO

A palavra automação está diretamente ligada ao controle automático, ou seja ações que

não dependem da intervenção humana. Este conceito é discutível pois a “mão do homem”

sempre será necessária, pois sem ela não seria possível a construção e implementação dos

processos automáticos. RIBEIRO (2001, p.13) define a automação como “a substituição do

trabalho humano ou animal por máquina, com a mínima interferência do operador humano.”

Ele prossegue, concluindo que a automação é o “controle de processos com mecanismo de

atuação própria, capaz de executar uma ação em certas condições”.

1.1 HISTÓRICO DA ELETRÔNICA

A utilização de equipamentos e máquinas nas indústrias teve início na Revolução

Industrial, no século XVIII, onde eram utilizadas para realizar tarefas que outrora eram

manuais. Daquela época em diante, as máquinas e equipamentos utilizados na indústria

passaram por várias melhorias e modificações, a fim de tornarem a produção cada vez mais

rápida, precisa e confiável, reduzindo esforços dos operadores, como também aumentando a

precisão no controle do equipamento.

Com o aperfeiçoamento da eletrônica, nos séculos XIX e XX, surgiram cada vez mais

invenções famosas (a lâmpada incandescente, o telégrafo, a televisão, os componentes

eletrônicos como diodos e capacitores, etc...), e os primeiros computadores industriais,

começaram a ser utilizados na indústria a partir de 1961, quando também surgiram os

primeiros robôs industriais. A partir daí, os computadores de base de válvulas já tinham sido


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suplantados pelos transistorizados, que por sua vez, foram substituídos pelos computadores

atuais, com circuitos integrados, que executam 100 milhões de instruções por segundo.

Esse crescimento dos sistemas de controle e a modernização de equipamentos

atingiram uma velocidade espantosa, que ampliaram as possibilidades, passando a ser

empregados em diversos ramos da sociedade e da instrumentação industrial. O emprego de

computadores CLP (Controlador Lógico Programável) na indústria de processos se justifica

pelo fato de que o mesmo pode auxiliar no aumento da produção e redução de gastos, através

da automação das máquinas e desenvolvidos especialmente para efetuar operações e controles

lógicos sobre os equipamentos com possibilidade de reprogramação de suas funções. É aí que

entra a automação atual.

1.2 HISTÓRICO DA AUTOMAÇÃO

As primeiras iniciativas do homem para atividades manuais ocorreram na pré-história.

Invenções como a roda, o moinho movido pelo vento ou força animal e as rodas d’água

demonstram a criatividade do homem para poupar esforços. ROSÁRIO (2009, p.15) chega a

analisar essa questão no âmbito contemporâneo, afirmando que nos últimos anos, com a

globalização, foi necessária a modernização de parques industriais, visando à competitividade

de produtos, por meio do aumento da qualidade, redução de custos e preços mais acessíveis,dando origem a um conjunto de técnicas e procedimentos designados de automação.

Suas aplicações são diversas, e estão presentes nos produtos de consumo (Eletro-

Eletrônicos, como televisores e computadores), indústrias mecânicas (Robôs controlados por

computador, CAD/CAM, CNC), bancos (Caixas automáticos), comunicações, transportes

(Sistemas de radar, pilotos automáticos) e medicina.


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Contudo, também há impactos na sociedade, como o aumento do nível de desemprego,

extinção de empregos (telefonistas), ausências no trabalho, falta de coleguismo, entre outros

fatores que alteram o comportamento dos indivíduos no ambiente de trabalho.


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2. AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

Atualmente a automação industrial é muito aplicada para melhorar a produtividade e

qualidade nos processos considerados repetitivos, estando presente no dia-a-dia das empresas

para apoiar conceitos de produção tais como os Sistemas Flexíveis de Manufatura e até

mesmo o famoso Sistema Toyota de Produção.

A automação industrial pode ser entendida como uma tecnologia integradora de três

áreas: a eletrônica responsável pelo hardware, a mecânica na forma de dispositivos mecânicos

(atuadores) e a informática responsável pelo software que irá controlar todo o sistema. Desse

modo, para efetivar projetos nesta área exige-se uma grande gama de conhecimentos,

impondo uma formação muito ampla e diversificada dos projetistas, ou então um trabalho de

equipe muito bem coordenado com perfis interdisciplinares. Os grandes projetos neste campo

envolvem uma infinidade de profissionais e os custos são suportados geralmente por grandes

empresas.

Os sistemas automatizados podem ser aplicados em simples máquina ou em toda

indústria, como é o caso das usinas de cana e açúcar. A diferença está no número de

elementos monitorados e controlados, denominados de “pontos”. O processo sob controle tem

o diagrama semelhante ao mostrado na figura 2.1 e 2.2, onde os citados pontos correspondemtanto aos atuadores quanto aos sensores.

Figura 2.1 – Diagrama

simplificado de um sistema

de controle automático


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Figura 1.2 – Arquitetura de rede simplificada para um sistema automatizado

Os sensores são os elementos que fornecem informações sobre o sistema,

correspondendo as entradas do controlador. Os atuadores são os dispositivos responsáveis

pela realização de trabalho no processo ao qual está se aplicando a automação. Podem ser

magnéticos, hidráulicos, pneumáticos, elétricos, ou de acionamento misto.

O controlador é o elemento responsável pelo acionamento dos atuadores, levando em

conta o estado das entradas (sensores) e as instruções do programa inserido em sua memória,esse elemento será denominado de Controlador Lógico Programável (CLP).


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3. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL

O Controlador Lógico Programável (CLP) foi idealizado nos Estados Unidos da

América, no final da década de 1960, pela indústria automobilística, que na época, tinha a

necessidade de criar um elemento de controle versátil e, ao mesmo tempo, com uma rápida

capacidade de modificação de sua programação.

É um aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para armazenar

internamente instruções e para implementar funções específicas, tais como lógica,

seqüenciamento, temporização, contagem e aritmética, controlando, por meio de módulos de

entradas e saídas, vários tipos de máquinas ou processos. Os CLP's estão muito difundidos nas

áreas de controle de processos ou de automação industrial. No primeiro caso a aplicação se dá

nas industrias do tipo contínuo, produtoras de líquidos, materiais gasosos e outros produtos,

no outro caso a aplicação se dá nas áreas relacionadas com a produção em linhas de

montagem, por exemplo na indústria do automóvel.

Fig 3.1: Representação esquemática e o princípio de funcionamento de um CLP

Memória de sistema: Como a CPU é um elemento híbrido. Por exemplo, o mesmo

componente pode ser encontrado dentro de uma calculadora ou de um vídeo cassete. Portanto,


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o que faz a CPU agir como um CLP é o programa encontrado na memória de sistema.

Memória de usuário: É a memória que armazena o programa de usuário, ou seja, o programa

que irá controlar o processo.

Entradas: O CLP recebe todos os sinais provenientes de botões, sensores, chaves, entre

outros, para conhecimento do estado do processo.

Saídas: Conectam-se todos os elementos passivos do processo, como por exemplo: Motores,

lâmpadas, eletro-válvulas, sirenes, entre outros. Uma vez conectadas às entradas e saídas,

utiliza-se um microcomputador para programar o funcionamento desejado de um processo.

Fig. 3.2: O aspecto físico de um CLP

O CLP pode receber ou enviar informações para o processo, através de sinais,

classificados como sinais digitais ou sinais analógicos. Os sinais digitais são os que possuem

dois estados definidos: Ligado ou desligado. Como exemplo de sinais digitais de entrada

podem ser citados: Botões de controle; sensores de presença; chaves de fim-de-curso; entre


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outros. E, como exemplo de sinais digitais de saída, tem-se: Lâmpadas de controle; sirenes;

displays; eletro-válvulas; chaves magnéticas; entre outros.

Muitas vezes, não basta apenas saber se um elemento foi acionado ou não, mas o

quanto foi acionado; Para estas situações, utilizam-se sinais analógicos. Nestes casos, são

sinais que indicam um valor de uma variável através de um sinal de tensão (0 a 10Vcc; -5V a

+5V; -10V a +10V) ou de corrente (0 a 20mA; 4 a 20mA).

Como exemplo de sinais analógicos de entrada, tem-se: Sensores de temperatura;

umidade; pressão; nível; entre outros. E, de sinais digitais de saída, tem-se: servo-mecanismos

de um modo geral (como o utilizado na movimentação e posicionamento de câmeras ou

outros elementos móveis) como as servo-válvulas (válvulas que abrem e fecham

completamente ou parcialmente, se desejado); entre outros.

Os sinais analógicos de entradas ao serem recebidos pelo CLP, são convertidos em

números binários e se diferenciam também com respeito a sua precisão; isto pode ser indicado

pelo número de bits compostos pelo valor obtido.

Assim sendo, devido à capacidade de trabalhar com qualquer tipo de sinal, pode-se

dizer que um CLP é o elemento ideal para se controlar um sistema, ou processo, seja ele,

analógico ou digital. Além da possibilidade de funcionamento autônomo, o CLP pode ser

integrado com outros CLP´s (não necessariamente do mesmo fabricante) através da

implementação de placas de redes ProfBus, InterBus, ModBus, etc.

3.1 INTERFACES HOMEM-MÁQUINA

Com a grande difusão do CLP nesta última década, surgiram também novas

necessidades do usuário, como por exemplo, a possibilidade de verificar e/ou modificar certos


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parâmetros dentro de um programa, tais como: O preset de um temporizador ou contador; o

preset de uma temperatura desejada; a indicação de uma nova velocidade para um servo-

motor; entre outros, sem a necessidade de conectar-se a um computador para a realização

desta tarefa. Em face desta necessidade, surgiram as chamadas interfaces homem-máquina,

também conhecidas como IHM’s.

Numa interface alfa-numérica, a IHM é ligada ao CLP através de sua porta de

comunicação. O princípio de funcionamento consiste em pré-programar mensagens, onde

cada mensagem possui um número. As teclas de função podem funcionar como botões de

comando para acionar qualquer elemento no CLP. A cada tecla é atribuído um endereço de

memória do CLP. Ao acionar a tecla na IHM, este bit é “setado”, permitindo assim que o

programa do CLP possa utilizá-lo para acionar, por exemplo, uma saída que liga um motor de

uma bomba de recalque.

Tal possibilidade é muito vantajosa, pois, além de não se precisar ter um painel

convencional, de grandes dimensões, com botões e lâmpadas de controle, é possível enviar

mensagens pelo display, ou acionar leds frontais, economizando-se assim entradas e saídas

que seriam destinadas a estes elementos, pois, a IHM se comunica com o CLP através da

porta serial de comunicação.

Fig. 3.1.1:O aspecto físico de uma IHM simples


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4. LINGUAGEM LADDER

Quando os microprocessadores entraram em cena no fim dos anos 70, percebeu-se que

eles poderiam fornecer o hardware básico para uma forma mais flexível de controle lógico

industrial e desta forma o CLP surgiu. Com o uso do CLP pôde-se dispensar o uso dos relés,

pois os mesmos foram substituídos por um software que utiliza a lógica ladder e com isso

obteve-se um controlador flexível.

A linguagem ladder, diagrama ladder ou diagrama de escada é um auxílio gráfico para

programação Controladores Lógicos Programáveis (CLPs) no qual as funções lógicas são

representadas através de contatos e bobinas, de modo análogo a um esquema elétrico com os

contatos dos transdutores e atuadores.

O nome (ladder , escada em inglês) provem do fato que a disposição dos contatos e

bobinas é realizada, de maneira geral, na horizontal, que lembra o formato de uma escada.

Existem 3 tipos de elementos na linguagem ladder :

as entradas (ou contatos), que podem ler o valor de uma variável booleana;

as saídas (ou bobinas) que podem escrever o valor de uma variável booleana;

os blocos funcionais que permitem realizar funções avançadas (contadores,

temporizadores, bobinas de set ou reset, etc.);

Mesmo tendo sido a primeira linguagem destinada especificamente à programação de

PLCs, a Linguagem Ladder mantém-se ainda como a mais utilizada, estando presente

praticamente em todos os PLCs disponíveis no mercado. Por ser uma linguagem gráfica,

baseada em símbolos semelhantes aos encontrados nos esquemas elétricos (contatos e

http://pt.wikipedia.org/wiki/Controlador_l%C3%B3gico_program%C3%A1velhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Fun%C3%A7%C3%A3ohttp://pt.wikipedia.org/wiki/L%C3%B3gicahttp://pt.wikipedia.org/wiki/Transdutorhttp://pt.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADngua_inglesahttp://pt.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADngua_inglesahttp://pt.wikipedia.org/wiki/Transdutorhttp://pt.wikipedia.org/wiki/L%C3%B3gicahttp://pt.wikipedia.org/wiki/Fun%C3%A7%C3%A3ohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Controlador_l%C3%B3gico_program%C3%A1vel


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bobinas), as possíveis diferenças existentes entre os fabricantes de PLCs, quanto à

representação das instruções, são facilmente assimiladas pelos usuários.

Verifique por exemplo o esquema conceitual de um sistema PLC, mostrado na figura

abaixo. As entradas físicas reais estão fixadas a um módulo de entrada (esquerda) enquanto as

saídas estão fixadas a um módulo de saída (direita). No centro, vê-se a representação lógica

que a CPU deve processar, na linguagem Ladder. Neste caso, se o Input 1 (interruptor

normalmente aberto) for fechado, a Output 1 (campainha) é ligada.

Portanto, a cada Lógica de Controle existente no Programa de Aplicação dá-se o nome

de rung, a qual é composta por Colunas e Linhas, conforme apresentado na figura a seguir.

A quantidade de Colunas e Linhas, ou Elementos e Associações, que cada rung pode conter

é determinada pelo fabricante do PLC, podendo variar conforme a CPU utilizada. Em geral,

este limite não representa uma preocupação ao usuário durante o desenvolvimento do


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Programa de Aplicação, pois os Softwares de Programação indicam se tal quantidade foi

ultrapassada, por meio de erro durante a compilação do Programa de Aplicação.

Cada Elemento (contato ou bobina, por exemplo) da Lógica de Controle representa

uma Instrução da Linguagem Ladder sendo alocada em um endereço específico e consumindo

uma quantidade determinada de memória (word) disponível para armazenamento do

Programa de Aplicação, conforme a CPU utilizada. Um mesmo símbolo gráfico da

Linguagem Ladder (Contato Normalmente Aberto, por exemplo) pode representar Instruções

diferentes, dependendo da localização na Lógica de Controle.

A figura seguinte apresenta a equivalência entre o Programa de Aplicação em

Linguagem Ladder e o mesmo Programa em Linguagem de Lista de Instruções (Linguagem

de Máquina-mnemônicos). Como pode ser visto, cada Instrução utilizada na Linguagem

Ladder ocupou apenasum endereço de memória, o que é verificado pelo incremento simples

de endereço em Linguagem de Lista de Instruções. Porém, há instruções que ocupam mais de

um endereço de memória, conforme a CPU utilizada.


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A relação entre a condição do dispositivo de entrada (acionado ou não) e o Elemento utilizado

na Lógica de Controle (Contato Normalmente Aberto ou Normalmente Fechado) pode causar

certa confusão inicial ao usuário durante a implementação de Programas de Aplicação para

PLCs.


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5. TECNOLOGIA FIELD-BUS

Para uma rede aplicada à interligação de elementos a nível de chão-de-fábrica (CLPs,

válvulas, indicadores dedicados, sensores, transdutores, atuadores, etc) é utilizada a

denominação genérica de "barramento de campo", ou Fieldbus.

Figura 5.1 – Exemplo de esquema do FieldBus

O termo fieldbus descreve uma rede de comunicação digital que veio substituir o

sistema de sinal analógico 4 - 20mA existente ainda hoje nas indústrias (e muito difundido

devido a sua imunidade à interferências eletromagnéticas, apesar de sua tecnologia

ultrapassada desenvolvida na década de 60).

O fieldbus pode ser definido como uma rede digital, bidirecional (de acesso

compartilhado), multiponto e serial, utilizado para interligar os dispositivos primários de


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automação (dispositivos de campo) a um sistema integrado de automação e controle de

processos. Cada dispositivo de campo pode possuir uma "inteligência" (microprocessado), o

que o torna capaz de executar funções simples em si mesmo, tais como diagnóstico, controle e

funções de manutenção, além de possibilitar a comunicação entre dispositivos de campo (não

apenas entre o engenheiro e o dispositivo de campo). Em outras palavras, o fieldbus veio para

substituir o controle centralizado pelo distribuído.

Portanto o fieldbus é muito mais que um mero substituto do padrão analógico 4 -

20mA, pois promove a melhora de qualidade, a redução de custos e o aumento de eficiência.

5. 1 VANTAGENS

A instalação de uma rede fieldbus (que é multiponto) requer 1/5 menos cabos do que

as ponto-a-ponto. Com relação ao padrão 4 - 20mA, que requer um par de fios para cada

dispositivo, o fieldbus requer apenas um par-trançado de fios para toda a rede.

O sistema fieldbus requer menos trabalho para instalação e economiza dinheiro devido

a redução de material necessário para instalação. Há uma maior rapidez no projeto do layout

de um sistema fieldbus devido a sua pouca complexidade.

A baixa complexidade do fieldbus traz uma maior segurança e uma menor necessidade

de manutenção. A depuração de um sistema fieldbus também é facilitada devido a

possibilidade de diagnóstico online dos dispositivos de campo.

Fieldbus permite um aumento de flexibilidade na hora de projeto, pois alguns

algoritmos e procedimentos de controle podem ficar no próprio dispositivo de campo e não

mais no programa de controle. Isto reduz o custo total do sistema e torna as expansões futuras

muito mais fáceis.


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6. CONCLUSÃO

Em sistemas de automação a questão da integridade da operação é um aspecto

extremamente importante. Por esse motivo, utiliza-se sistema com mais de um nível de

redundância. A segurança de uma planta industrial cada vez mais depende de elementos

relacionados com a automação, vide os sistemas de desligamento automático (shutdown), os

sistemas de detecção de fogo e gás, sistemas de gerenciamento de alarmes, sistemas de

diagnóstico de processos, sistemas especialistas e mais recentemente, o uso de transponder em

válvulas como permissivos para a realização de operações locais.

Sistemas com operação remota possibilitam operações nas quais a presença de

operadores torna-se menor, diminuindo os problemas, tais como erros, exposição de vidas

humanas aos riscos operacionais (áreas classificadas) e aos ambientes agressivos (processos

insalubres). O CLP, portanto, é essencial em todo o processo de automação industrial atual.

Outra grande preocupação está relacionada com a validação / testes de sistemas de

automação, visto que uma falha simples não tratada para causar grandes problemas. Observa-

se que, se por um lado automação possibilita o aumento da produção, por outro pode

contribuir para a redução de postos de trabalho.


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7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ROSÁRIO, João. Automação Industrial. São Paulo: Baraúna, 2009.

BISHOP, Robert. The Mechatronics Handbook. Nova York: CRC Press, 2002.

RIBEIRO, Marco. Automação Industrial. Salvador: Tek, 2001.

Disponível em: . Acesso

em: 09/10/2009, 19:30

Disponível em: . Acesso

em: 09/10/2009, 19:46

Disponível em: . Acesso em:

09/10/2009, 19:48

Disponível em: .

Acesso em: 09/10/2009, 20:10

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Automação-CLP Rev. 1