Básico de CLP – Parte 2: Estrutura

No primeiro post da série introduzimos o conceito do que é um CLP, histórico, aplicações e vantagens de utilização. Neste post vamos falar da estrutura de um CLP. Entender a estrutura de um CLP é crucial para um programador, pois o sucesso de uma aplicação de automação não depende apenas de lógica, mas também de configuração e entendimento das funções dos hardwares que compõem um CLP.

Estrutura

O mercado possui diversos fabricantes que oferecem diversos modelos de CLPs e com isto, a arquitetura interna de um PLC possa variar de um fabricante para outro. No entanto, a arquitetura e alguns princípios de operação são basicamente os mesmos em qualquer CLP.

De uma forma simplificada, os principais blocos que compõem a estrutura de um hardware de CLP estão destacados em cinza na imagem a seguir:

Arquitetura simplificada de um CLP e periféricos

Os principais blocos que compõem um CLP são:

• CPU
• Módulos de entradas
• Módulos de saídas
• Fonte de alimentação

CPU

O PLC, assim como qualquer sistema computadorizado possui uma CPU, que é em analogia o “cérebro” do sistema. CPU é a sigla inglesa de “Central Processing Unit”, ou “Unidade Central de Processamento”. É nela que são executados as instruções e cálculos, além do controle de informações e de como o Program opera.

O termo CPU é frequentemente confundido com o termo processador. Entretanto, a CPU engloba todos os elementos necessários que formam o sistema inteligência do CLP, como:

• Processador
• Memória
• Interface de comunicação (portas de comunicação) com dispositivos externos
• Leds indicadores de status
• Interface de programação do usuário

O processador do CLP

O processador é responsável por comandar e gerenciar as atividades de todo o sistema. Ele realiza operações matemáticas, tratamento de dados, e rotinas de diagnóstico que não eram possíveis com controle de processo via painéis de relés.

Outra função do processador é escanear e executar a aplicação do usuário. Ele verifica se há uma aplicação do usuário na memória e caso houver, a executa. É neste processo que ela efetua a leitura dos estados das entradas, e de acordo com o programa do usuário atualiza as saídas. Este processo é chamado de Scan e será tratado no sétimo capítulo desta série. A aplicação do usuário é uma série de instruções escritas por um programador de CLP, que podem ser desenvolvidas em linguagem Ladder, de blocos, SFC, ST, LL984, entre outras. Esta aplicação é desenvolvida pelo usuário através de um software de programação compatível com o modelo do CLP.

Estes softwares possuem uma interface amigável, funções de detecção de erros e inconsistências e até permitem a simulação da aplicação em um CLP virtual, auxiliando assim o programador na fase do desenvolvimento. O usuário então conecta ao CLP através de um cabo dedicado e transfere o programa do PC para o CLP. Antes da transferência, este programa é convertido em um “programa binário”, que nada mais é do que um programa compilado e em linguagem de máquina (ou linguagem de baixo nível), pronta para ser interpretada pela CPU. Exemplos de softwares de programação o Control Expert (Antigo Unity Pro), da Schneider, o TIA Portal da Siemens e o Studio 5000, da Rockwell.

O processador também verifica o status do sistema e sua integridade, monitorando a ocorrência de falhas durante a operação do sistema. Na ocorrência de alguma falha, ele deve alertar ao operador ou ao sistema através de indicadores que estão localizados normalmente na parte frontal da CPU ou até mesmo interrompendo o ciclo de execução do programa de controle. As falhas detectadas pelo processador também são armazenadas na memória da CPU, e podem ser consultadas pelo usuário através de um terminal de programação.

Detalhe de uma CPU (segundo módulo, com a chave) da GE Automation, da família de PLCs 90-70 e seus leds indicadores de status do sistema.

Diagnósticos típicos incluem status da fonte de alimentação, bateria, memória, processador, entre outros. Algumas CPUs possuem disponível um contato seco de relé que pode ser usado para enviar um sinal a um circuito de alarme em caso de ocorrência de falha. Dependendo da gravidade da mesma, o processador envia um comando para parar o CLP por completo, a fim de preservar a integridade do sistema, equipamentos e de usuários.

A CPU de um CLP pode conter mais de um processador, a fim de dividir as tarefas e consequentemente ganhar velocidade de processamento e execução das tarefas. CPUs que contém mais de um processador, geralmente são conhecidas como multiprocessadas.

Em uma CPU multiprocessada, um processador pode, por exemplo, executar as tarefas básicas do sistema como o scan do programa, leitura das entradas e atualização das saídas, enquanto o segundo processador fica responsável por as rotinas de verificação de integridade do sistema e gerenciar a comunicação com dispositivos externos.

O processador é um hardware e executa estas informações citadas através de um software já gravado em sua memória de fábrica. Este software é conhecido como programa executivo, firmware, sistema operacional, dentre outros e fica em uma área de memória permanente e é considerado como parte do sistema que compõe um CLP.

Memória do CLP

A unidade de memória é onde está o programa do usuário, que contém as ações de controle a serem exercidas pelo processador. É nela onde os valores lidos das entradas são armazenados (memória das entradas) para posterior processamento da lógica. As saídas também possuem sua área reservada na memória de um PLC (memória de saída). É na memória onde o programa executivo citado anteriormente está armazenado

Além das memórias de entradas e saídas, há as memórias internas, utilizadas para cálculos e processamentos da lógica. Quando o CLP comunica com dispositivos externos e outros CLPs , estes dados de sua memória interna também são armazenados (no caso em que o CLP está lendo um dado externo) ou enviados (no caso em que o CLP está enviando um dado para um dispositivo externo).

A memória pode ser dividida em memória volátil (não retentiva) e não volátil (retentiva) e é um fator importante na especificação correta de um CLP. Mais detalhes serão vistos em um post à parte.

Interfaces de entradas e saídas

O CLP é um dispositivo de controle. Ele recebe informação das entradas e toma decisões para energizar ou desenergizar as saídas. É através destes dois blocos que o CLP “entra em contato” com o processo. Os módulos de entradas/saídas fazem a comunicação entre a CPU e o meio externo (através de sensores e atuadores), além de garantir isolação e proteção à CPU. O diagrama abaixo ilustra esta relação entre Entradas/CPU/Saídas:

Fluxo de dados entre PLC, entradas e saídas

Existem módulos de entrada para sinais digitais, analógicos, termopares, encoders etc. Existem também módulos de saída para sinais digitais e analógicos, bem como módulos para fins especiais, como acionamento de Servo motores.

Cada entrada e saída possui um endereço exclusivo que pode ser utilizado no programa do usuário. OS Módulos cuidam do isolamento elétrico para proteger o PLC e muitas vezes têm funções integradas para processamento de sinal. Isso significa que os sinais de entrada e saída podem ser conectados diretamente sem necessidade de usar qualquer circuito eletrônico extra, pois os módulos já fazem todo o tratamento internamente.

Um post à parte será dedicado para entrar mais em detalhes sobre módulos de entradas e saídas.

Fonte de alimentação do CLP

Os CLPs são energizados pela rede de distribuição comercial, que pode ser 120Vac ou 220Vac. Em alguns casos, tensões de alimentações específicas de uma planta também são utilizadas, como 24Vdc, 48Vdc, 125vdc, dentre outras. Contudo os componentes dos CLPs, como a CPU, circuitos internos, tanto da CPU quanto dos módulos de entradas e saídas requerem um nível de tensão diferente, geralmente tensão contínua. A fonte de alimentação fornece alimentação à CPU, módulos entrada e saída e demais módulos conectados ao Rack (ou ao conjunto, no caso de CLPs compactos), convertendo a tensão da rede elétrica a um nível de tensão adequado para estes módulos.

Além disso, a fonte de alimentação desempenha um papel de proteção aos circuitos, pois monitora continuamente a qualidade e níveis de tensão e corrente fornecidos a ela pela rede de alimentação e na sua saída, a qual alimenta os circuitos. No caso de detecção de anomalias nos níveis de tensão e/ ou corrente, a fonte de alimentação interage diretamente com o processador, gerando um alarme ou até mesmo interrompendo a execução do programa de aplicação da CPU.

Fonte de alimentação “standalone” e sua distribuição de alimentação no barramento interno de um PLC

Alguns fabricantes possuem modelos de CLPs modulares que podem ser instaladas duas fontes no rack. Quando o rack é alimentado por duas fontes, a disponibilidade do sistema aumenta, pois se uma fonte queima, a outra mantém o CLP energizado. Para garantir ainda mais disponibilidade, é comum neste tipo de configuração utilizar dois barramentos independentes de alimentação externa das fontes, pois se houver algum problema com o barramento de alimentação principal e consequentemente falha na fonte principal, o barramento de alimentação redundante e a fonte redundante assumem. Este tipo de configuração de alimentação com duas fontes é comumente chamado de alimentação redundante.

Fonte de alimentação “redundante” e sua distribuição de alimentação no barramento interno de um PLC

Design

Há duas configurações mecânicas mais comuns de CLPs : compacta e modular. Ambos têm as mesmas funções básicas, independente do design. No entanto, esses dois sistemas são muito diferentes quando se trata da aplicação / processo que se deseja controlar.

Detalhes de duas CPUs: A da esquerda, uma CPU Siemens, família S7200, modelo CPU224, com fonte, entradas e saídas conjugadas. A da direita, um rack com uma CPU modular da Schneider modelo 140CPU67160 da família Quantum e demais módulos separados (a CPU é o módulo que contém o LCD)

Os CLPs compactos geralmente são de pequeno porte, onde a CPU, fonte e até mesmo as entradas e saídas estão conjugados em um único bloco. Estes tipos de CLPs são comumente usados para controlar pequenos processos. Outros termos utilizados para definir CLPs  compactos são CLPs fixos e/ou CLPs integrados. Geralmente são mais baratos em relação aos CLPs moldurares e são utilizados para realizar tarefas isoladas, como controle de uma máquina isolada ou pequenos processos, sem muita complexibilidade.

Quando você for especificar CLPs compactos, perceberá que as entradas e saídas são fixas, determinada pelo fabricante. Portanto, tenha em mente a quantidade de pontos que seu sistema irá demandar, pois geralmente eles não irão permitir expansão da capacidade de entradas e saídas.

Para controle de processos maiores, com muitos números de pontos de entradas e saídas, geralmente são utilizados CLPs modulares. O tipo modular consiste em módulos separados para fonte de alimentação, CPU, módulos de entradas e saídas etc., que geralmente são montados em uma placa com trilhos que os conectam eletricamente. Esta placa é denominada rack. Estes racks contém slots ou ranhuras, que são soquetes onde os módulos são encaixados e fixados.

Figura : PLC modular da Família Quantum, Fabricante Schneider Electric. Rack com 10 sots, 7 utilizados e 3 vagos

Com os CLPs modulares, é possível expandir a capacidade de pontos de um sistema acrescentando módulos de entradas e saídas e até mesmo módulos de funções específicas, como comunicação com dispositivos externos em determinado protocolo.

Como estes tipos de CLPs são mais caros, são recomendados para processos em que o custo de aquisição seja compensado pelos benefícios da sua utilização. Dentre vários benefícios, podemos citar:

• É possível combinar diferentes tipos de módulos, para atender as mais diferentes necessidades
• Fácil expansão de capacidade do sistema
• Reparos mais baratos (não se perde todo o conjunto quando determinado módulo queima)
• Vasta gama de módulos para serem utilizados

Finalizando

Agora seu entendimento sobre CLPs já se estendeu além de definições. No próximo post iremos levar seu conhecimento a um próximo nível, onde falaremos com um pouco mais de detalhes sobre os módulos de entradas e saídas, que são a “ponte” entre o CLP e o processo. Todo um processo é sentido e controlado através delas.

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Muito obrigado pela leitura, um grande abraço e até o próximo post!