Configuração e Especificação de Controladores Programáveis

Em 1854, foi apresentado um sistema de análise lógica, pelo matemático George Boole, conhecido como álgebra de Boole. A álgebra de Boole foi utilizada ao longo do tempo para implementar os circuitos lógicos. Nas funções lógicas, temos apenas dois estados: Estado 0 e Estado 1.

No caso, então, o Estado 0 representará, por exemplo: portão fechado, aparelho desligado, ausência de tensão e chave aberta. O Estado 1 representará: portão aberto, aparelho ligado, presença de tensão, chave fechada etc. Em 1938, o Engenheiro Claude Shannon, por meio das teorias de Boole, encontra a solução de problemas de circuitos de telefonia com relés - interruptores comandados com sinais elétricos - e que podiam, portanto, ligar ou desligar circuitos muito rapidamente. Até hoje, os relés são empregados. Aqui, começou a implementação das funções lógicas que compõem os circuitos lógicos (E, OU, NÃO E, NOU etc.).

Os circuitos lógicos derivam da álgebra de Boole, sendo as variáveis e expressões chamadas de variáveis e expressões booleanas. Nossa primeira função é o E (AND). Para demonstrar seu funcionamento em um circuito lógico, nada melhor do que apresentar um circuito lógico que utiliza a função E.

O circuito apresentado Figura 3.1 demonstra que a lâmpada

somente acenderá SOMENTE SE ambas as chaves estiverem fechadas e, seguindo a convenção, tem-se: CH A=1, CH B=1, resulta em S=1.Pode-se, desta forma, escrever todas as possíveis combinações de operação das chaves na chamada Tabela da Verdade, um mapa onde se depositam todas as possíveis situações de entrada com seus respectivos resultados de saída, logo podemos verificar que o números de possíveis combinações é \(2^n\), onde n é o número de variáveis de entrada (CAPELLI, 2007, p. 135).

As portas lógicas são representadas na lógica de Boole, respectivamente, pelos símbolos a seguir.

Temos, também, a função OU (OR), que determina dois possíveis caminhos para o fluxo de um circuito lógico. No circuito lógico apresentado na sequência, o sinal de saída irá para nível lógico 1, se qualquer uma das entradas estiver em nível lógico 1 (THOMAZINI; ALBUQUERQUE, 2005).

Dessa forma, temos o circuito demonstrado na Figura 3.3, que apresenta a lâmpada acendendo, quando qualquer uma das chaves estiver fechada, e permanece apagada, se ambas estiverem abertas, ou seja, CH A=0, CH B=0 resulta em S=0.

Temos, também, a função NÃO (NOT) ou função inversora. No circuito lógico a seguir, o sinal de saída irá para o nível lógico 1, se a entrada for 0 e vice-versa.

Podemos verificar, ao observar os circuitos, que a lâmpada estará acesa somente se a chave estiver aberta (CH A=0, S=1). Quando a chave fecha, a corrente desvia por ela e a lâmpada apaga (CH A=1, S=0). O inversor é o bloco lógico que executa a função NÃO.

Temos, também, a função NÃO E (NAND), que é a combinação da função NÃO e da função E. No circuito lógico a seguir, o sinal de saída irá para o nível lógico 1, se, pelo menos, uma das entradas estiver em nível lógico 0.

Observa-se que a lâmpada apaga somente quando ambas as chaves são fechadas, ou seja, CH A=1, CH B=1 implica em S=0.

Temos, também, a função NÃO OU (NOR), que é a combinação de uma porta NÃO e de uma OU. No circuito demonstrado na Figura 3.6, temos que o sinal de saída irá para o nível lógico 1, SOMENTE SE as entradas estiverem em nível lógico 0.

Ao analisar este circuito, é possível concluir que a lâmpada fica acesa somente quando as duas chaves estão abertas. Assim, CH A=0, CHB=0 resulta em S=1.

Ademais, tem-se a função OU EXCLUSIVO (XOR), que é a combinação das portas E e OU e Inversoras. No circuito lógico a seguir, o sinal de saída irá para o nível lógico 1, SOMENTE SE as entradas forem diferentes.

Podemos verificar que as chaves CH A_ e CH B_ estão abertas (há caminho para a corrente circular e a lâmpada não acende; a respectiva lâmpada continua apagada, quando as chaves CH A e CH B estão fechadas, pois quando estão abertas, interrompem o fluxo de corrente).

Por fim, temos a função NÃO OU EXCLUSIVO, conhecida, também, como função coincidência, que é uma combinação das funções E e OU e INVERSORAS. No circuito lógico a seguir, podemos identificá-la.

Quando as chaves CH A_ e CH B_ estão abertas na linha superior, e estão fechadas na linha inferior do circuito, a corrente circula pela lâmpada, que será acesa.

Observe a figura a seguir.

Temos, então, os seguintes blocos lógicos básicos nos circuitos lógicos, como apresentado na Figura 3.9.

Originado em 1968, o Controlador Lógico Programável (CLP) é derivado do nome do seu primeiro fabricante, Modular Digital Controller, com o nome de MODICON, idealizado e criado por Richard Morley. Sua ideia inicial era projetar um equipamento mais robusto, adaptável, confiável e de fácil manuseio e modificação (BEGA, 2006).

Os CLPs são componentes amplamente difundidos nos sistemas dinâmicos industriais. São dispositivos que permitem o comando de máquinas e equipamentos de maneira simples e flexível, de forma a possibilitar alterações rápidas no modo de operá-los, por meio de aplicação de programas dedicados e armazenados em memória EPROM (MAMEDE, 2017).

Os CLPs podem substituir, com grandes vantagens, os tradicionais comandos de máquinas e equipamentos industriais, tais como botoeiras, chaves comutadoras, contadores e relés. Existe, no mercado, uma grande diversidade de CLPs destinados a diferentes níveis de automação e controle, em conformidade com a complexidade de cada aplicação (FIALHO, 2014).

Os CLPs são constituídos por um gabinete contendo um determinado número de cartões, cada um desempenhando funções específicas, ou seja:

• fontes de alimentação: os CLPs podem ser alimentados em diferentes tipos de tensões (V), com corrente alternada ou em corrente contínua, dependendo do tipo de máquina ou equipamento industrial. Normalmente, apenas a unidade fundamental precisa de alimentação. É comum que os CLPs que variam de 110 a 220 V recebam alimentação por meio de um circuito de uma única fase (monofásico), respectivamente com os condutores de proteção, o neutro e a fase, ambos vinculados à terra do sinal eletrônico;
• componentes de entrada e saída: nos componentes de entrada e saída, temos cartões responsáveis pela interface entre os periféricos e o processador lógico. Na entrada, os circuitos tratam os sinais das fontes externas e enviam estes para a unidade de processamento. O componente de saída é descrito por amplificadores de chaveamento utilizados no controle dos periféricos, que costumam ser constituídos por bobinas, lâmpadas de sinalização, contadores etc., conforme exemplo a seguir.

Cada CLP tem uma quantidade determinada de terminais de entrada e saída, que dependem da capacidade, conforme a função da máquina ou do próprio componente industrial. Cada terminal costuma, também, ter um LED, o qual é utilizado para o monitoramento do sinal lógico (THOMAZINI; ALBUQUERQUE, 2005). Os sinais de saída utilizados para a comutação de cargas indutivas são compostos de dispositivos, como diodos e varistores, que são protegidos por fusíveis.

• Temporizadores e contadores: os contadores e os temporizadores contêm circuitos dedicados por meio de hardware. A quantidade de temporizadores e de contadores pode mudar, conforme a capacidade dos cartões dos CLPs. Já nos temporizadores, temos ajustes de 1ms a 1.020s, que são realizados por meio de chaves binárias ou com potenciômetros. Os contadores realizam a contagem de eventos de 0 a 999, com ajustes de chaves com indicadores que variam de 0 a 9.
• Memórias: os CLPs possuem cards de memória que auxiliam nos processadores lógicos. Já os sistemas operacionais utilizam-nos para o armazenamento dedicado. Podemos ter dois tipos principais de memória: as memórias RAM e as memórias EPROM. Normalmente, as memórias classificam-se em diferentes tipos, por exemplo, a memória de trabalho, que é utilizada para o armazenamento de aplicações utilizadas pelo processador lógico, que costuma ser uma memória RAM, com velocidade e capacidade vinculada a CLP. Por sua vez, a memória de programa é utilizada para o armazenamento de programas em linguagem lógica, sendo, normalmente, memórias EPROM, com velocidade e capacidade vinculadas ao CLP. Quanto à memória de programa, que é utilizada para o armazenamento dos programas por meio de linguagem lógica, costuma ser EPROM, com velocidade e capacidade vinculada ao CLP. Em memória de sinal, que é utilizada para o sistema operacional e para o armazenamento de dados dos contadores, componentes e temporizadores, consuma-se ser uma memória RAM.

Os CLPs (Controladores Lógicos Programáveis) são utilizados em vários tipos de aplicações industriais, sendo possível a sua utilização sozinha ou acoplada a outras unidades. Nos projetos em áreas muito extensas, como esteiras rolantes, utilizadas no transporte de minérios, com processos de carga e descarga de materiais, é fundamental a utilização de inúmeros CLPs acoplados, para sincronizar todo o processo de controle (NATALE, 2007).

Nesta situação, a arquitetura da automação é descentralizada e divide-se a responsabilidade com várias unidades de CLPs, que estão localizadas em vários pontos estratégicos.

Ao intercâmbio de informações entre CLPs dá-se o nome de acoplamento, sendo que a hierarquia é gerenciada por software dedicados, em que os CLPs ficam dedicados.

Dessa forma, caso um CLP de processo necessite realizar intercomunicação com outro CLP, a comunicação parará pelo CLP mestre. É possível, também, implementar configurações de acoplamento de CLPs, a depender da solução atribuída ao processo. Com as facilidades obtidas com o acoplamento, podemos utilizar estações remotas, com distância de cerca de 1.000 m, sem o emprego de um modem específico, lembrando que, com o emprego do modem, não temos limite de distância (CAPELLI, 2007). O acoplamento também permite a implementação de uma arquitetura de sistema funcional e distribuída. Na indústria, empregamos os CLPs para:

• microprocessamento: o microprocessamento é uma das funções dos CLPs e destina-se a executar operações aritméticas, armazenando e transmitindo informações. As operações aritméticas são processos de soma, subtração, multiplicação, divisão, totalização e comparação. O recurso de transmissão e armazenamento é comum dentro da automação de sistemas industriais;
• sinalização: a sinalização permite que o CLP realize o monitoramento de eventos. Com programas dedicados, a função de sinalização é vinculada a anunciar alarmes, o que permite a identificação de sequência de eventos;
• controle de malha: temos dois tipos de controle de malha na produção industrial: malha aberta e malha fechada, conforme podemos ver no fluxograma a seguir.

Temos o controle de malha aberta, que é utilizado nos processos de produção que não têm necessidade de comparar a variável controlada com os valores de referência pré-ajustados. Por exemplo, caso quiséssemos comparar a variável controlada com um outro valor de referência, nesse caso, a ideia é identificar um processo industrial de verificação automática de engarrafamento de bebida. A condição assumida é, então, engarrafada ou não engarrafada. Ou seja, temos uma variável digital: sim e não. A verificação de qualidade de enchimento da garrafa, ou seja, se a garrafa está 50% cheia ou 100% cheia, deve-se ocorrer em outra malha de produção. Já o controle de malha fechada é utilizado nos processos de produção. Nestes, a variável de controle é constantemente comparada a um valor de referência. No caso, temos uma correspondência biunívoca entre a variável controlada e o sistema de controle.

O controle da malha fechada implica na utilização de interfaces de sinais analógicos ou conversores analógicos/digitais e digitais/analógicos. Podemos, ainda, para melhorar a compreensão, dividir dois tipos básicos: controle de malha fechada em máquina operatriz e controle de malha fecha em processo.

No controle de malha fechada em máquinas operatrizes, utilizam-se dispositivos de alta sensibilidade para controle dimensional do produto, fazendo as correções necessárias, de forma a manter, dentro de uma faixa de precisão já definida, as dimensões do produto final. No controle de malha fechada, uma quantidade de sensores posicionados ao longo do processo retroalimenta o sistema de controle, com sinais analógicos transformados em variáveis controladas. Esses sinais são permanentemente comparados a um padrão de referência, gerando um sinal de desvio que atua sobre os dispositivos de controle do processo, reconduzindo as variáveis controladas aos valores predefinidos, estabelecendo-se, assim, um controle em malha fechada.  

Trataremos, agora, sobre linguagem de programação e comandos de automação. Inicialmente, precisamos compreender o que é a linguagem de programação, que nada mais é que o emprego da lógica computacional sob uma determinada linguagem. Para que isso funcione e tenhamos comandos de automação, é necessária uma sequência de ações para alcançar um determinado objetivo.

Descrito o contexto, podemos conhecer os comandos de linguagem de programação que realizam a automação de tarefas por meio de instruções computacionais (MONTEIRO, 2007).

Comando de automação: decisão e repetição.

As estruturas de seleção ou decisão são empregadas para interferir na sequência lógica das instruções, conforme podemos verificar a seguir:

Se (Temperatura >= 40.0) Então
‍ Alerta = Ligado
Senão
Alerta = Desligado

Temos, também, além do “Se/Então”, a estrutura de decisão case ou múltipla escolha, em que são testadas condições de decisão:

Selecione (Número do elevador)
Caso 1: Andar = “Primeiro”
Caso 2: Andar = “Segundo”
Caso 3: Andar = “Terceiro”
Caso 4: Andar = “Quarto”
Caso 5: Andar = “Quinto”
Caso 6: Andar = “Sexto”
Caso Outro: Andar = “Nulo”
Fim Selecione

Temos, também, as estruturas de repetição, que são muito utilizadas para automatizar processos computacionais e industriais. Essas estruturas são utilizadas quando se deseja que um determinado conjunto de instruções ou comandos sejam executados mais de uma vez, conforme podemos ver a seguir.

Enquanto (Água < 1.000) Faça
Tanque = Tanque + 1
Fim-Enquanto

No primeiro tipo de estrutura de repetição, realiza-se um teste antes de executar qualquer instrução dentro de seu bloco. Temos, também, a repetição com variáveis de controle While Do.

Para Pressão de 1 até 1000 Faça
reduzir (pressão)
Fim-Enquanto

Podemos ter outras estruturas mais complexas para automatizar cenários mais arrojados, como a recursividade. Entretanto, dentro dos cenários de automação comum, estas são as instruções de controles mais comuns. Destacam-se, também, as linguagens Ladder e Grafcet, como exemplos de linguagens específicas para a implementação de instruções em CLPs. A Ladder foi a primeira linguagem a ser desenvolvida para CLPS e é similar aos diagramas utilizados para lógica de relés, baseando-se em interruptores a bobinas, a fim de orquestrar circuitos lógicos. A seguir, temos um exemplo simples de acionamento de motor, em que um CLP acionando o motor, com um botão de partida, respectivamente, tem-se outra chave que, quando acionada, desliga o motor, com base na linguagem Ladder.

Já a linguagem Grafect tem a mesma finalidade de trabalho com CLPs da linguagem Ladder, a fim de ilustrar circuitos lógicos. Todavia esta foi pensada para a criação de processos com várias etapas simultâneas, utilizando linguagens comuns de programação, sendo, então, uma linguagem de modelagem de sistemas sequenciais.

O Grafect apresenta três estruturas: etapas (ações), transições (condições) e ligações orientadas (conexões entre etapas e transições). Se, por exemplo, quisermos acionar um motor e, respectivamente, desligar o motor, teremos a modelagem com Grafect, exibida na Figura 3.17.