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Controladores Lógicos Programáveis

Os Controladores Lógicos Programáveis (CLPs) são definidos como computadores industriais projetados para controlar máquinas e processos, tendo evoluído originalmente como substitutos para sistemas de controle baseados em relés. Diferente de um computador pessoal, o CLP é construído para operar em ambientes industriais severos, suportando variações de temperatura, umidade e ruídos elétricos.

CLP

1. Arquitetura e Componentes de Hardware

Um sistema de CLP padrão consiste em quatro partes essenciais:

  • Unidade Central de Processamento (CPU): Composto por um microprocessador que executa a lógica do programa, gerencia a memória e controla a comunicação entre os módulos.

  • Seção de Entrada/Saída (E/S): Forma a interface com os dispositivos de campo. As entradas recebem sinais de sensores e botões, enquanto as saídas acionam atuadores como motores e válvulas. Existem dois tipos principais de configurações:

    • fixas: típicas de CLPs pequenos, onde CPU e E/S estão no mesmo gabinete;
    • modulares:que utilizam um rack ou chassi para conectar diversos módulos.

  • Fonte de Alimentação: Fornece a tensão e corrente contínua (CC) necessária para o funcionamento interno dos módulos do CLP.

  • Dispositivo de Programação: Geralmente um computador pessoal (PC) com software específico, utilizado para redigir a lógica e transferi-la para a memória do processador.

Partes

2. Princípio de Funcionamento (Ciclo de Varredura)

O CLP opera como um sistema de tempo real através de um processo repetitivo chamado varredura ou scan. Este ciclo consiste em três etapas principais:

  1. Leitura das Entradas: O processador examina o estado (ligado/desligado ou valor analógico) de cada dispositivo de entrada e grava esses dados em sua memória.

  2. Execução do Programa: A CPU executa as instruções da lógica ladder, degrau por degrau, utilizando os estados das entradas armazenados.

  3. Atualização das Saídas: Com base nos resultados da lógica, o processador atualiza os dispositivos de saída físicos.

Scan

3. Fundamentos de Programação e Linguagem Ladder

A linguagem de programação mais popular para CLPs é a Ladder (LD), que utiliza símbolos gráficos semelhantes aos diagramas de contatos elétricos, porém existem outras linguagens de programação para CLP, como Structured Text (ST), Instruction List (IL), Function Block Diagram (FBD), e Sequential Function Chart (SFC), que foram padronizadas pela IEC 61131-3, de modo a padronizar e facilitar a integração de diferentes sistemas de controle.

iec61131-3

4. Tipos de Sinais

  • Sinais Digitais (ou Discretos): Possuem apenas dois estados, como ligado/desligado ou 0/1. Exemplos comuns incluem botões de pressão e chaves-limite.

  • Sinais Analógicos: Representam grandezas físicas que variam continuamente em uma escala, como temperatura e pressão. Operam geralmente em faixas de 0 a 10 V ou 4 a 20 mA.

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5. Vantagens do Uso de CLPs

A substituição da lógica de relés por CLPs oferece benefícios significativos:

  • maior flexibilidade: as mudanças são feitas via software;
  • confiabilidade elevada: componentes de estado sólido sem partes móveis;
  • facilidade na verificação de defeitos através do monitoramento em tempo real;
  • redução de custos.

6. Contexto Histórico

O final da década de 60 proporcionaram para o desenvolvimento tecnológico industrial um marco de extrema importância para o grande desenvolvimento da automação no chão de fábrica, o nascimento do primeiro controlador programável.

A General Motors, já uma grande montadora de veículos automotores, lançou um desafio técnico, que refletia um grande inconveniente para a produção, que precisava ser expandida, mas que possuia um gargalo tecnológico no setup da linha de produção.

Figura 1: General Motors - Linha de montagem
chevrolet

Para a alteração de um modelo de fabricação na linha de montagem, era necessário redesenhar todo o processo, remontando os paineis de acionamento e dispositivos, devido a alteração da lógica de acionamento, que era completamente realizada por circuitos a rele.

Figura 2: Paineis montados com lógica de contatos - Reles
painel_reles

Todo este processo demandava muito tempo, o que impedia a produção de ser executada em toda troca de modelo de produção, implicando em altos gastos de tempo e dinheiro.

Assim, a Hydronic Division da GM, em 1968, propôs que gostaria de um dispositivo com as seguintes características:

  1. Facilidade de programação e reprogramação, linguagem de contatos;
  2. Possibilidade de manutenção e reparo, blocos de entradas e saídas modulares;
  3. Confiabilidade, para ser utilizado em ambiente industrial;
  4. Redução de tamanho;
  5. Custo competitivo.

No ano seguinte, a Bedford Associate cumpriu o desafio com o seu Modular Digital Controller (MODICON 084), projeto este liderado pelo engenheiro Richard E. Morley (01/12/1932 –17/10/2017), entrando para a história pelo desenvolvimento de um dos mais importantes equipamentos tecnológicos da todos os tempos, revolucionando a indústria e impulsionando de forma inédita a automação industrial.

Figura 3: Modular Digital Controller - MODICON 084
modicon084

O Controlador Digital e Modular

O objetivo do MODICON 084 e de sua linhagem, até os dias atuais é, controlar máquinas ou processos por meio da leitura de sinais de entrada (como chaves ou sensores) e decidir, por meio de instruções pré-programadas, as ações a serem realizadas no acionamento de contatores, válvulas, motores e demais cargas.

Figura 4: Controlador Digital e Modular
ideia

Desta forma, é possível substituir todo o volume de reles responsáveis por realizar as lógicas de acionamento de forma física, por operações lógicas processadas pelo controlador, sobrando apenas a interface simples entre os dispositivos de entrada de dados, inicialmente, de lógica booleana, como sensores, chaves, fins de curso, e dispositivos de saída, como contatores, válvulas e sinaleiros.

Figura 5: Diagrama elétrico de comando e com o controlador digital modular
diagrama

Assim, para mudanças lógicas, no comportamento de um equipamento ou sistema sem mudar sua interface, não é necessário remontar todo o painel de comandos, apenas alterar o programa que está na memória do controlador que o comportamento do sistema muda.

7. A Norma

Existem várias definições para o Controlador Lógico Programável (CLP), que convergem, mas com graus de profundidades diferentes, entre Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), National Electrical Manufacturers Association (NEMA) e a International Electrotechnical Commission (IEC). Apresento aqui a definição desta última:

“Sistema eletrônico operando digitalmente, projetado para uso em um ambiente industrial, que usa uma memória programável para a armazenagem interna de instruções orientadas para o usuário para implementar funções específicas, tais como lógica, sequencial, temporização, contagem e aritmética, para controlar, através de entradas e saídas digitais ou analógicas, vários tipos de máquinas ou processos. O controlador programável e seus periféricos associados são projetados para serem facilmente integráveis em um sistema de controle industrial e facilmente usados em todas suas funções previstas.”

8. Fabricantes e o Mercado

CLP é marca registrada da Rockwell Automation, assim é comum, mesmo em português, o uso da sigla PLC de Programmable Logic Controller ou de forma mais genérica a denominação Controlador Programável.

Figura 8: Principais fabricantes de CLP
fabricantes
Figura 9: Mercado de CLP
mercado
Fonte: Where Siemens, Emerson, Rockwell Automation, ABB, and Schneider Electric place emphasis - Carlos Unda - LinkedIn

9. IEC-61131

Para que equipamentos industriais de automação sejam facilmente integráveis como pressupõe a norma, foram criados grupos de trabalho da IEC para avaliar e padronizar o projeto de CLPs em vários aspectos, tais como:

  • Hardware;
  • Forma de instalação;
  • Procedimento de testes;
  • Documentação;
  • Formas de programação e comunicação.

Assim foi desenvolvida a norma IEC 61131 e suas várias seções:

  • IEC 61131-1: Informações gerais. Nomenclaturas e conceitos.
  • IEC 61131-2: Requisitos de Equipamentos e Testes. Parte eletrônica e mecânica;
  • IEC 61131-3: Linguagens de Programação. Linguagens e forma de execução de programas;
  • IEC 61131-4: Diretrizes de usuário. Instalação, manutenção etc;
  • IEC 61131-5: Comunicação. Funções de comunicações com outros equipamentos;
  • IEC 61131-6: Reservada;
  • IEC 61131-7: Reservada para Lógica Fuzzy (Ferramenta Computacional);
  • IEC 61131-8: Orientações para as formas de simplementação das linguagens de programação.
Figura 10: Linguagens definidas pela Norma IEC 61131-3
iec61131-3

10. Material Complementar

  1. Modicon: 50 anos de Pioneirismo e Inovações - Blog Schneider Electric
  2. A história dos controladores programáveis - Altus
  3. Curiosidades sobre os CLPs ou PLC - O Professor Leandro
  4. The Modicon 084 PLC Literally Changed the World - Kalil4.0
  5. Who is the Father of the PLC ? - RealPairs
  6. Programable Logic Controller Basics Explained - automation engineering - The Engineering Mindset

Referências

  1. PETRUZELLA, Frank D. Controladores Lógicos Programáveis. Tradução de Romeu Abdo; revisão técnica de Antonio Pertence Júnior. 4. ed. Porto Alegre: AMGH, 2014.
  2. GEORGINI, Marcelo. Automação Aplicada: Descrição e Implementação de Sistemas Sequenciais com PLCs. 9. ed. São Paulo: Érica, 2007.
  3. SILVA FILHO, Bernardo Severo da. Curso de Controladores Lógicos Programáveis. Rio de Janeiro: UERJ, Faculdade de Engenharia, Laboratório de Engenharia Elétrica, [s.d.].
  4. MITSUBISHI ELECTRIC BRASIL. CLP: O que é, para que serve e como funciona na indústria. [s.l.]: YouTube, [s.d.]. 1 vídeo.
  5. ALTUS. O que é CLP e quando utilizá-lo?. São Leopoldo: Altus, [s.d.]. Disponível em: Blog da Altus.