O controlador programável é um dispositivo de estado sólido usado para controlar máquinas ou processos por meio de um programa armazenado e realimentado por dispositivos de entrada e saída. A NEMA - National Electrial Manufactures Association definiu, em 1978, um padrão para controladores programáveis como sendo um aparelho eletrônico digital que usa uma memória programável para armazenamento interno de instruções para implementar funções específicas tais como lógica, sequenciamento, temporização, contagem e operações aritméticas, para controlar máquinas ou processos através de módulos de entradas/saídas analógicas ou digitais.
A figura ilustra o diagrama em blocos do controlador.
Um controlador programável, independente do tamanho, custo ou complexidade, consiste de cinco elementos básicos:
1 - Processador
2 - Memória
3 - Sistema de Entradas/Saídas
4 - Fonte de Alimentação
5 - Terminal de Programação
As tres partes principais (processador, memória e fonte de alimentação) formam o que chamamos de CPU - Unidade Central de Processamento.
O processador, lê dados de entrada de vários dispositivos, executa o programa do usuário armazenado na memória e envia dados de saída para comandar os dispositivos de controle. Este processo de leitura das entradas, execução do programa e controle das saídas é feito de uma forma contínua e é denominado de ciclo de varredura.
O sistema de entrada/saída forma a interface pelo qual os dispositivos de campo são conectados ao controlador. O propósito desta interface é condicionar os vários sinais recebidos ou enviados ao mundo externo mais provenientes de sensores são conectados aos terminais aos módulos de entrada. Dispositivos que devem ser controlados são conectados aos terminais aos módulos de saída.
A fonte de alimentação fornece todas as tensões necessárias para a devida operação do CLP e da interface dos módulos de entrada e saída.
Dependendo de como estas partes estão físicamente organizadas podemos ter dois tipos de estrutura. A primeira é do tipo compacta, onde todos os componentes são colocados em uma única estrutura física, isto é, o processador, a memória, a fonte e o sistema de entrada/saida são colocados em um gabinete ficando o usuário com acesso somente aos conectores do sistema E/S. Este tipo de estrutura é normalmente empregada para CLP's de pequeno porte.
A segunda estrutura apresenta uma abordagem modular onde cada componente ou um conjunto deles é colocado em um módulo. Podemos ter processador e memória em um único módulo com fonte separada ou então estas tres partes juntas em um único gabinete. O sistema de entrada/saída é decomposto em módulos de acordo com suas características. Estes módulos são então colocados em rack formando uma configuração de médio e grande parte.
Outro componente de controlador programável é o dispositivo de programação. Embora seja considerado como parte do controlador, o terminal de programação, como era chamado antes, é requerido apenas para entrar com o programa de aplicação na memória do controlador. Uma vez carregado o programa terminal pode ser desconectado do controlador. Atualmente se usa o microcomputador para programar o CP e devido à incapacidade de processamento do mesmo, este também é utilizado para monitoração e depuração do programa.
ENTRADAS E SAÍDA DISCRETAS
DISPOSITIVOS DE ENTRADA: DISPOSITIVOS DE SAÍDAS
Chaves seletoras Alarmes
Push buttons Relés de controle
Fotoelétricos Ventiladores
Chaves limites Lâmpadas
Contatos de relés Buzinas
Chaves de nível Motores
Chaves de proximidade Válvulas solenóides
Cada entrada ou saída é alimentada por alguma fonte de alimentação que podem ser ou não de mesma magnitude ou tipo (p.ex. 120 VCA, 24 VDC). Por esta razão, circuitos de interface são disponíveis para vários valores de tensão AC e DC.
Quando em operação, se a chave de entrada é fechada, a interface de entrada monitora a tensão fornecida e a converte em um sinal aceitável para o processador indicando o estado do dispositivo. Um estado lógico 1 indica um estado ON ou fechado do dispositivo externo e um estado lógico 0 indicado um estado OFF ou aberto do dispositivo.
VALORES PADRÕES PARA INTERFACES DISCRETAS
ENTRADAS SAÍDAS
12/48 VCA 12/48 VCA
12/48 VDC 12/48 VDC
110/220 VCA 110/220 VCA
Nível TTL Contato de relé
DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDAS NUMÉRICAS
ENTRADAS SAÍDAS
Transdutor de temperatura Válvulas proporcionais
Transdutor de pressão Atuadores
Células de carga Registradores
Transdutores de umidade Drivers de motores
Transdutores de fluxo Medidores analógicos
Chaves thumbwheel Display de 7 segmentos
Leitoras de códigos de barra Painéis inteligentes
Esta interface geralmente aceita tensões na faixa de 5 VDC (TTL) a 24 VDC e são agrupados em um módulo contendo 16 ou 32 entradas que corresponde a 1 ou 2 registros I/O. Instruções de manipulação de dados, como GET ou similar, são utilizadas para acessar os dados numéricos de entrada.
A interface de saída numérica fornece uma comunicação paralela entre o processador de dispositivos de saída, tal como display de 7 segmentos. Instruções como PUT ou similares são utilizadas para colocar os dados disponíveis nas saídas.
A interface de entrada analógica contém os circuitos necessários para aceitar sinais analógicos de tensão ou corrente dos dispositivos de campo. A tensão ou corrente de entrada é convertida para um código digital proporcional ao valor analógico, através de um conversor analógico digital (ADC). O código digital gerado é armazenado na memória do controlador como um registro para uso posterior. A Figura 20 apresenta o diagrama de blocos de uma entrada analógica.
O valor analógico é geralmente expresso como um valor BCD ou decimal em uma faixa que dependerá da implementação realizada pelo fabricante. Por exemplo poderemos ter os seguintes casos:
• Valor analógico de 4 a 20 mA na faixa de O a 32000;
• Valor analógico de O a 5 V na faixa de 0000 a 0255.
A interface para saídas analógicas recebe do processador dados numéricos que são convertidos em valores proporcionais de corrente ou tensão e aplicados nos dispositivos de campo. A interface contém um conversor digital analógico (DAC) e realiza a isolação através de opto-acopladores.
As faixas de valores de tensão e corrente para entradas e saídas analógicas mais utilizadas na indústria são: -10 a +10 VDC, -5 a +5 VDC, O a +5 VDC, O a +10 VDC, +1 a +5 VDC, O a 20 mA e 4 a 20 mA. Os conversores A/D e D/A normalmente são de 8, 10 ou 12 bits. As conexões de um módulo de entradas e saídas analógicas podem ser vistas na Figura 21.
A Figura 22 ilustra as características de diversos módulos de entradas e saídas analógicas da GE-FANUC.
Módulos de entrada
Os módulos de entrada são responsáveis pela aquisição de dados do meio externo tais como sinais elétricos de sensores, medidores, botões, etc. Existem módulos de entrada para sinais digitais (110VAC, 24VDC, etc) ou analógicos (-10V a +10V, 4 a 20mA, etc) através de conversores A/D, contemplando os mais diversos tipos de dispositivos de instrumentação existentes. Normalmente, os circuitos internos dos módulos de entrada são isolados opticamente dos circuitos externos, evitando que sejam danificados por eventuais anomalias.
Módulos de saída
Após a aquisição e processamento das entradas o controlador atua sobre o sistema através dos módulos de saída. Os módulos de saída podem emitir sinais analógicos ou digitais dependendo das configurações do sistema a ser controlado. Através dos módulos de saída é possível acionar válvulas, lâmpadas de sinalização, posicionadores, contatores, controlar a velocidade de motores, etc.
Existem basicamente três tipos de módulos de saída: a relé, a transistor e a tiristor. O emprego de cada tipo depende da carga a ser acionada pelas saídas.
- Saídas a relé: quando o endereço de uma determinada saída na memória-imagem é ativado, uma bobina é energizada, fechando um contato entre dois terminais externos do módulo. A saídas a relé têm a vantagem de acionar tanto cargas AC quanto cargas DC e conduzir correntes da ordem de 5A, além de serem imunes a transientes da rede. Por outro lado, as saídas a relé têm sua vida útil limitada pelo desgaste dos contatos , cerca 150.000 a 300.000 operações.
- Saídas a transistor: indicadas para casos em que há cargas e fontes de corrente contínua e acionamentos repetitivos com grandes frequências de operação. Sua vida útil é maior que a dos módulos a relé, mas sua capacidade de corrente máxima é menor chegando a cerca de 1A. O elemento acionador pode ser um transistor comum tipo NPN ou ainda um transistor do tipo efeito de campo. Sua vida útil é de cerca de 1000.000 de operações.
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