Básico de CLP – Parte 3: Entradas e saídas

Bem-vindo a terceira parte da série “Básico de CLP”. Se ainda não leu a primeira parte (Introdução) e a segunda parte (Estrutura), considere lê-las.

Já vimos na parte 1 a história e conceitos básicos de CLP. Na parte 2 vimos sobre sua estrutura e agora iremos falar de entradas e saídas em um CLP e levar seu conhecimento a um outro nível.

Há muito o que se falar sobre este tema e abordar todos os conceitos faria com que este post ficasse muito longo. Por hora, focaremos no básico.

Visão geral de um CLP

Para o CLP executar sua principal função, que é controlar um processo, ele precisa “enxergar” o estado deste processo e suas variáveis importantes para poder tomar decisões e interferir no mesmo. E ele faz isto através de dois componentes de sua estrutura: As entradas e saídas, ou interface de I/O. O termo I/O vem do inglês Input (entradas) / Output (saídas). Também é comum vermos o termo em português E/S, abreviação de Entradas e Saídas).

O diagrama abaixo (já apresentado na segunda parte), ilustra esta relação entre Entradas/CPU/Saídas:

Fluxo de dados entre CLP, entradas e saídas

As entradas e saídas, conforme já dito, fazem com que o CLP “entre em contato” com o processo, coletando sinais elétricos, no caso das entradas e enviando sinais elétricos, no caso das saídas. De uma forma geral, podemos dividir os módulos de entradas e saídas em duas categorias: Analógicas, para sinais contínuos ou Digitais, para sinais discretos. Estes tipos de sinais determinam os tipos de entradas e saídas que são utilizadas por um CLP:

Classificação dos sinais de processo e módulos de entradas e saídas

Sinais discretos e sinais analógicos de um CLP

É através da coleta de sinais elétricos que o CLP se comunica com o processo. Com relação ao tipo, estes sinais podem ser de tensão ou corrente, e com relação à natureza, podem ser digitais ou analógicos.

Sinais digitais: Embora a definição de sinal digital no mundo da eletrônica não se limita apenas para sinais que assumem valores verdadeiro o falso, para a automação iremos considerar que sinais digitais (ou discretos) são sinais binários, ou seja, que podem assumir apenas dois estados: ou verdadeiro, ou falso:

Gráfico de um sinal digital

O estado verdadeiro significa, por exemplo a presença de um sinal de tensão de determinada amplitude (24Vdc, por exemplo), enquanto o estado falso significa a ausência desta tensão (0V). A palavra estado também é comumente referida como nível lógico. São utilizados para elementos situados no processo que podem assumir apenas dois estados, como um botão que pode estar pressionado ou não. Mais à frente será dado mais exemplos destes elementos.

Sinais analógicos: Diferente dos sinais digitais, um sinal de natureza analógica é o sinal que tem uma variação em sua amplitude em função do tempo que não se limita apenas a zero e um. Eles podem assumir qualquer valor dentro de uma faixa limitada por um valor mínimo e máximo (range):

Gráfico de um sinal analógico

Um sinal analógico também é também referido como sinal contínuo.

Existem muitas propriedades acerca de sinais analógicos e digitais, mas para efeito de simplificação, estes conceitos mais básicos já são suficientes para falarmos agora sobre os tipos de entradas e saídas.

Entradas em um CLP

Todo o fluxo de informação que o CLP coleta do processo se dá através das entradas. Por exemplo, para saber uma chave de emergência está ou não atuada ou se um valor de nível de um tanque está dentro dos limites, é necessário antes coletar estes sinais e enviá-los à CPU, para serem utilizados pelo programa do usuário. E isto é feito através dos módulos de entradas. Estes módulos são divididos de acordo com a natureza dos sinais que eles coletam e podem ser de dois tipos: módulos de entradas digitais e módulos de entradas analógicas.

Módulo de entradas digitais

Um módulo de entrada digital (ou entrada discreta) recebe e indica apenas dois estados em suas entradas: 0 (entrada energizada) ou 1 (entrada desenergizada). Um módulo possui mais de uma entrada, podendo ser 8, 16, 32 e até existem módulos de alta densidade, com 64 entradas. Cada entrada é também chamada de “ponto”. Cada entrada (ponto), irá coletar o sinal de um determinado dispositivo do processo e enviar seu estado para a CPU.

Módulos de entradas digitais

É comum vermos a palavra módulo de entrada sendo referida como “cartão de entrada”. O termo “cartão” é utilizado também para fazer referência a qualquer tipo de módulo de entradas e saídas.

Dispositivos do tipo discreto podem ser interruptores, botões de emergência, contatos de relés, foto-sensores, sensores de proximidade etc. Quando conectados à uma entrada digital, estes dispositivos fornecem ou não à esta entrada uma determinada tensão.

Este nível de tensão que vem do processo não é enviado diretamente à CPU. Dentro de um módulo de entrada digital há um circuito eletrônico que trata os sinais de cada ponto. Este circuito eletrônico primeiramente filtra o sinal, e depois isola eletricamente o sinal de campo da CPU, gerando um sinal sem contato elétrico com o campo e de menor nível de tensão, que de fato irá manipular a memória dentro da CPU. Esta isolação se dá através de diodos emissores de luz (LEDs) e foto transistores ou foto DIACs, formando um circuito conhecido como opto acoplador. Esta configuração de opto acoplamento (sinal de campo isolado no módulo de entrada digital) protege a integridade do conjunto do CLP de transientes que possam ocorrer no campo, como picos de tensão e outros fenômenos que poderiam causar danos ao CLP.

Como isto ocorre? Quando um sinal de campo aciona uma entrada, ele energiza um LED que por sua vez irá excitar um foto transistor. O sinal desta foto transistor irá, por fim manipular um endereço único de memória da CPU, que está designada a representar o estado desta entrada. Embora este circuito interno possa variar de fabricante para fabricante, a representação a seguir aproxima muito do que é mais comum de se ver:

Circuito típico interno de uma entrada digital BMX DA 1604, da Schneider Electric. Os circuitos variam de fabricante para fabricante

Cada canal de entrada tem seu próprio circuito opto acoplador e este circuito manipula um endereço único de memória do CLP. Este endereço é o que o programador irá utilizar para desenvolver a lógica da aplicação.

Ao especificar um módulo de entrada digital, deve-se observar alguns parâmetros como:

Número de pontos: Existem módulos de diferente quantidade de entradas. Os mais comuns são de 8 e 16 entradas. Existem outras quantidades, como módulos de alta densidade, com 32 e 64 entradas.

Tipo de tensão de entrada: O tipo de tensão de entrada de um módulo de entrada digital deve ser compatível com o tipo de tensão fornecido pelo dispositivo no campo, que pode ser tensão alternada (Vca) ou tensão contínua (Vdc).

Nível de tensão de entrada: Além do tipo de tensão, seu nível deve ser compatível. Valores típicos são de 24Vcc, 48Vcc, 110Vac, 220Vac etc. Há módulos de entradas que aceitam um range de tensão, por exemplo de 24Vdc a 48Vdc.

É importante se atentar a estes detalhes no momento de especificar um módulo de entrada digital (ou até mesmo todo o conjunto de CLP, no caso dos CLPs compactos). Seria uma surpresa desagradável descobrir que um CLP que foi comprado possui módulos de entradas de 24Vdc e quando for fazer a ligação no processo descobrir que a tensão de campo é 120Vca.

Módulos de entradas analógicas

Um módulo de entrada analógica é utilizado para ler grandezas físicas que assumem diversos valores no tempo, como temperatura, nível, pressão. Enquanto um sinal digital de uma chave de emergência pode assumir o valor verdadeiro o falso, um sinal analógico de um sensor de nível pode assumir valores que vão de 0 a 100%, por exemplo.

Transmissores de nível, pressão, temperatura são exemplos de dispositivos que fornecem sinais analógicos provenientes do processo. Estes dispositivos leem a grandeza física do processo (temperatura, por exemplo) e convertem para uma faixa de tensão ou corrente proporcional à grandeza lida e enviam aos módulos de entradas analógicas. Como a CPU trabalha apenas com zeros e uns, e não com valores variantes de corrente/tensão, o módulo coleta, trata e digitaliza o sinal através de um conversor A/D interno a ele. Só então ele envia este sinal digitalizado para a memória da CPU.

Coleta, tratamento e envio de um sinal analógico para o CLP

Você deve ficar atendo a alguns conceitos para evitar erros quando tiver trabalhando com módulos de entradas analógicas:

Tipo de sinal: Os tipos de sinais mais comuns são de tensão, corrente e resistência. A interligação elétrica no módulo de entrada analógica é diferente de um tipo para outro. Tenha em mente isto, pois erros na interligação elétrica dos sinais em um módulo podem fazer com que o valor não seja lido corretamente (ou não lido) pelo CLP ou até mesmo danificar um canal do módulo (se não o módulo inteiro).

Faixa de operação: Define os valores mínimos e máximos de tensão / corrente que as entradas do módulo operam. Se o módulo for de entrada analógica a corrente, as faixas mais utilizadas são 0 a 20mA e 4 a 20mA. No caso de tensão, as faixas mais utilizadas são 0 a 5Vcc, 0 a 10Vcc, 1 a 5Vcc, -5 a + 5Vcc, -10 a + 10Vcc. Há módulos mistos onde é possível programar diferentes tipos de sinais e diferentes faixas de operações.

É importante ter em mente que a faixa de operação não é o valor que será exibido pelo CLP. A faixa de operação é a faixa de valores permitidos (de tensão ou corrente) o que o módulo de entrada lê de um dispositivo no campo. Este valor (tensão ou corrente) é tratado e convertido internamente a um valor numérico de valor proporcional e enviado para a memória do CLP. Como exemplo, enquanto a faixa de operação de um canal de entrada analógica está configurada para ler valores de tensão que variam de 0 a 10Vdc, o valor que será mostrado na memória do CLP irá variar proporcionalmente de 0 a 32767, onde 0Vdc na entrada do módulo irá representar o valor numérico 0 na memória do CLP e 10Vdc na entrada do módulo irá representas 32767, fazendo com que o valor na memória do CLP tenha uma relação linear ao da entrada do módulo.

Figura 8: Gráfico de relação entre sinal lido na entrada e valor convertido para o CLP

Esta relação de linearização é um conceito importante para se ter em mente, visto que este mesmo sinal de 0 a 10Vdc pode gerar uma faixa de valor diferente de 0 a 32767 dependendo do fabricante e modelo do módulo de entrada analógica. Esta faixa depende de um outro conceito importante: a resolução.

Resolução: Um conceito importante a ser levado em consideração em um cartão de entrada analógica é sua resolução. A resolução de um cartão de entrada analógica é medida em bits e pode ser entendida como sendo o menor incremento ou decremento do valor da grandeza lida por ele. Outra informação que ela nos dá é a quantidade total de incrementos desde o valor mínimo ao máximo permitido pelo módulo. Esta quantidade de incrementos é dada pela fórmula , onde n é a resolução e pode ser entendida como o maior valor numérico que o CLP consegue representar um sinal analógico lido no campo.

Para exemplificar melhor este conceito, vamos considerar um cartão de entrada analógica de tensão, faixa de 0 a 10 Volts.

• Para uma resolução de 1 bit, temos dois valores possíveis de incremento 2¹ = 2 e o valor máximo indicado no CLP será 1:

Sinal analógico de 0 a 10V amostrado com uma resolução de 1 bit

• Para uma resolução de 2 bits, temos 4 valores possíveis de incremento 2² = 4 e o valor máximo indicado no CLP será 3:

Sinal analógico de 0 a 10V amostrado com uma resolução de 2 bits

• Para uma resolução de 3 bits, temos 8 valores possíveis de incremento 2³ = 8 e o valor máximo indicado no CLP será 7:

Sinal analógico de 0 a 10V amostrado com uma resolução de 3 bits

Este mesmo sinal de 10V amostrado em 15bits, teria 32768 valores possíveis entre 0v e 10V, variando internamente entre 0 e 32767 dentro da memória do CLP. Percebe-se que quanto maior a resolução, menor o valor de incremento ou decremento, e maior a amostragem do sinal. A medição então torna-se mais precisa e fiel ao sinal de campo.

Tipo de interligação elétrica: Além das variações de tipos e níveis de sinal de campo, há instrumentos que a interligação ao canal de entrada analógica se dá por meio de dois, três ou 4 fios. Há módulos que permitem qualquer uma das configurações, porém deve-se ficar atento nas especificações para tomar o cuidado de não adquirir um módulo que lê apenas sinais a dois fios para interligar sensores de campo que são a 3 fios. Detalhes de interligação de sensores a 2, 3 e 4 fios ficarão de fora deste post.

Não iremos aprofundar muito em mais conceitos de módulos de entradas para não tornar o post muito complexo, pois a intenção é de mostrar um conceito básico para uma familiarização inicial. Agora que falamos sobre os dois tipos de módulos de entradas, vamos falar sobre módulos de saídas.

Saídas em um CLP

Vimos como o CLP coleta dados do processo através das entradas. Neste processo de coleta de dados, há um fluxo de informações em forma de sinais elétricos que saem do processo em direção ao CLP. Para o CLP efetuar o controle do processo energizando ou desenergizando uma válvula, por exemplo, ocorre o contrário: O fluxo de informações (sinais elétricos) sai do CLP em direção ao processo. Quem permite este fluxo são os módulos de saídas.

Os módulos de saída têm como função converter o sinal de controle proveniente da memória do CLP em uma faixa de sinal requerido pelos circuitos ou dispositivos controlados. O acionamento destes dispositivos se converte em uma condição física, que pode ser o acionamento de um motor para realização de trabalho, ou de um ventilador para resfriamento do óleo em um reservatório, por exemplo.

Assim como os módulos de entradas, estes módulos são divididos de acordo com a natureza dos sinais que eles enviam ao processo e podem ser de dois tipos: módulos de saídas digitais e módulos de saídas analógicas.

Módulos de saídas digitais

Os módulos de saídas digitais atuam dispositivos no campo que podem assumir apenas dois estados em: 0 (ligados) ou 1 (desligado). Exemplo de dispositivos que são acionados por saídas digitais são relés, alarmes, sinalizadores, solenoides etc. Os módulos de saídas digitais podem fornecer em suas saídas tensão alternada ou contínua e estes módulos contém mais de uma saída, podendo ser 8, 16, 32 e 64 saídas, no caso de módulos de alta densidade. Cada saída de um módulo também é chamada de “ponto”.

De uma maneira similar às entradas digitais, as saídas digitais possuem um circuito interno opto acoplador que permite ao CLP enviar sinais elétricos para o processo sem que haja um contato elétrico direto entre os dois. Este circuito interno pode ser variar de fabricante para fabricante, mas representação a seguir aproxima muito do que é mais comum de se ver:

Circuito típico interno de uma saída BMX DAO 1605 da Schneider Electric. Os circuitos variam de fabricante para fabricante

Neste exemplo vimos o diagrama de um módulo de saída digital que aciona um TRIAC. Módulos que acionam internamente TRIACs são destinados a acionar cargas de corrente alternada em campo. Dependendo do tipo do módulo, no lugar do TRIAC pode haver um transistor ou um relé:

Circuito típico interno de uma saída a relé BMX DRA 1605 da Schneider Electric. Os circuitos variam de fabricante para fabricante

Cada canal de saída tem seu próprio circuito opto acoplador, que é acionado por um endereço único de memória do CLP. Quando se quer manipular uma determinada saída, manipula-se este endereço de memória, alterando seu estado para verdadeiro para acionar o circuito opto acoplador e consequentemente a saída ou manipulando seu estado para falso, desenergizando o circuito opto acoplador e consequentemente a saída.

Ao especificar um módulo de saída digital, deve-se observar alguns parâmetros como:

Tipo do circuito de acionamento: O circuito de acionamento interno de um módulo de saída digital pode ser a componentes de estado sólido (transistor, TRIAC) ou relé. Geralmente o módulo de saída a relé é utilizado quando se deseja acionar uma carga que tem um consumo maior de corrente, tensões incompatíveis com a do módulo, para ter uma barreira de isolamento a mais com o campo ou quando as cargas do campo possuem diferentes tipos e níveis de tensões.

Número de pontos: Existem cartões de diferente quantidade de saídas. Os mais comuns são de 8 e 16 saídas. Existem outras quantidades, como cartões de alta densidade, com 32 e 64 saídas.

Tipo de tensão de saída: O tipo de tensão de saída de um módulo de saída digital deve ser compatível com o tipo de tensão a ser fornecido ao dispositivo no campo, que pode ser tensão alternada (Vca) ou tensão contínua (Vdc).

Nível de tensão de saída: Além do tipo de tensão, seu nível deve ser compatível. Valores típicos são de 24Vcc, 48Vcc, 110Vac, 220Vac etc. Há módulos de saídas digitais a relés, que acionam um relé interno e o contato normal aberto deste relé é utilizado para acionar uma carga em campo. Neste caso, pode-se acionar dispositivos de corrente contínua e/ou alternada e a única restrição a se observar é o nível máximo de tensão e corrente a ser aplicado neste contato.

Módulo de saídas analógicas

Os módulos de saídas analógicas convertem valores numéricos fornecidos pela CPU em um sinal elétrico de corrente ou tensão em suas saídas de forma proporcional. Nestes módulos, cada saída comumente é chamada de canal. Quando o módulo de saída fornece corrente, os valores mais comuns são 0 a 20mA e 4 a 20mA. Para módulos que fornecem tensão os valores mais comuns são 0 a 10V e -10 a +10V.

Um exemplo comum de dispositivo controlado por módulos de saída analógica são válvulas proporcionais, onde se deseja controlar sua abertura desde a posição 0% (totalmente fechada) a 100% (totalmente aberta). Inversores de frequências é outro exemplo, onde o sinal de saída analógica é enviado ao mesmo para controlar a referência de velocidade do motor que ele aciona.

O fluxo de informação que ocorre em um módulo de saída analógica é o inverso do módulo de entrada analógica: Um valor manipulado na memória do CLP resulta em um sinal proporcional de corrente ou tensão na saída analógica que está vinculada a esta memória. Ao contrário do módulo de entrada analógica, que possui um circuito interno conversor Analógico/Digital, o módulo de saída analógica possui um circuito conversor Digital/Analógico (conversor D/A), que converte o sinal digitalizado da CPU em um sinal analógico para o campo:

Gráfico de relação entre sinal manipulado na memória do CLP e sinal gerado em uma saída analógica para o CLP

O conceito de resolução que foi abordado para as entradas analógicas também se aplica às saídas, tendo em mente apenas o fluxo de informações, que é o inverso.

Finalizando

Existem muitos outros conceitos relacionados a entradas e saídas que ficaram de fora deste post, mas para “início de conversa” não iremos abordar todos por questão de simplificação.

Dá para ver que há muitos conceitos a aprender para ter sucesso em programar um CLP de forma efetiva. Falando em programar, quando estamos programando CLPs, tudo é sobre manipular sua memória. E é sobre ela que falaremos no nosso próximo post.

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