Ao projetar um sistema de Controlador Lógico Programável (CLP), o primeiro passo é definir a estratégia de controle; a etapa subsequente envolve a seleção de engenharia do hardware específico do PLC. As características do fluxo do processo e os requisitos específicos da aplicação servem como base primária para este processo de seleção. O PLC e seus equipamentos associados devem ser integrados e padronizados, selecionados de acordo com os princípios de integração perfeita no sistema geral de controle industrial e facilidade de expansão funcional. O sistema PLC escolhido deve ser uma solução madura e confiável, com histórico comprovado de operação bem-sucedida no setor industrial relevante. Além disso, a configuração de hardware, as capacidades de software e os recursos funcionais do sistema devem ser adequadamente adaptados à escala da instalação e aos requisitos de controle específicos. A familiaridade com PLCs, gráficos de funções e linguagens de programação relevantes ajuda a reduzir significativamente o tempo de programação. Portanto, durante as fases de seleção e estimativa de engenharia, é essencial realizar uma análise detalhada das características do processo e dos requisitos de controle; isto envolve definir claramente as tarefas e o âmbito do controlo e identificar as operações e ações necessárias. Posteriormente,-com base nesses requisitos de controle-é possível estimar o número necessário de pontos de entrada/saída (E/S) e capacidade de memória e determinar as funções necessárias do CLP e as especificações do dispositivo externo. Por fim, o objetivo é selecionar um PLC que ofereça uma relação preço{10}}desempenho superior e projetar o sistema de controle correspondente.
Estimativa de ponto de E/S
Ao estimar o número de pontos de E/S, é crucial incorporar uma margem apropriada. Normalmente, a contagem estimada de E/S é obtida tomando-se o número de pontos necessários calculado estatisticamente e adicionando-se uma margem de expansão de 10% a 20%. Ao fazer o pedido real, pode ser necessário arredondar a contagem estimada de E/S para alinhar com as especificações específicas do produto e configurações de módulo oferecidas pelo fabricante do CLP.
Capacidade de memória
"Capacidade de memória" refere-se ao tamanho total das unidades de armazenamento de hardware fornecidas pelo próprio PLC, enquanto "capacidade de programa" refere-se à porção específica dessa memória utilizada pelo programa aplicativo do usuário. Conseqüentemente, a capacidade do programa é sempre menor ou igual à capacidade total da memória. Durante a fase de design, como o programa aplicativo do usuário ainda não foi escrito, a capacidade exata do programa permanece desconhecida e só pode ser determinada após o programa ter sido totalmente depurado. Para facilitar o processo de seleção, fornecendo uma estimativa razoável do armazenamento necessário, a capacidade total de memória é normalmente usada como um proxy para a capacidade do programa durante a fase de projeto. Não existe uma fórmula fixa para estimar a capacidade de memória necessária; embora várias fórmulas apareçam na literatura, elas geralmente seguem uma abordagem comum: calcular 10 a 15 vezes o número de pontos de E/S digitais, adicionar 100 vezes o número de pontos de E/S analógicas e usar essa soma como a contagem total de palavras (onde uma palavra equivale a 16 bits) para a memória. Adicionalmente, deverá ser considerada uma margem de segurança equivalente a 25% deste valor calculado.
Seleção de funções de controle
Este processo de seleção envolve a escolha de características específicas, como funções aritméticas, funções de controle, capacidades de comunicação, recursos de programação, ferramentas de diagnóstico e velocidade de processamento.
1. Funções Aritméticas
As funções aritméticas de controladores lógicos programáveis simples (CLPs) normalmente incluem operações lógicas básicas, temporização e funções de contagem. Os CLPs padrão expandem isso para incluir operações como transferência e comparação de dados. Capacidades aritméticas mais complexas abrangem operações algébricas e funções de transferência de dados. CLPs de grande-escala incorporam ainda algoritmos de controle PID analógicos e outras funções matemáticas avançadas. Com o advento dos sistemas abertos, os CLPs modernos estão universalmente equipados com capacidades de comunicação; produtos específicos podem oferecer comunicação com dispositivos de nível-inferior, comunicação ponto a ponto-com outros PLCs, comunicação com sistemas host de nível-superior ou recursos de troca de dados com redes-em toda a fábrica ou empresariais. Ao selecionar um modelo durante a fase de projeto, deve-se basear a escolha nos requisitos específicos da aplicação real, selecionando apenas as funções aritméticas que são realmente necessárias. Na maioria dos cenários de aplicação, operações lógicas básicas, temporização e funções de contagem são suficientes; alguns aplicativos podem exigir recursos de transferência e comparação de dados; enquanto operações algébricas, conversões numéricas e algoritmos de controle PID são normalmente reservados para aplicações que envolvem detecção e controle de sinais analógicos. Operações como decodificação e codificação são necessárias quando são necessários recursos de exibição de dados.
2. Funções de controle
As funções de controle abrangem algoritmos como controle PID, compensação-de avanço e controle de proporção; as funções específicas selecionadas devem ser determinadas com base nos requisitos de controle precisos da aplicação. Como os CLPs são projetados principalmente para controle lógico sequencial, as tarefas de controle analógico na maioria dos cenários são normalmente tratadas usando controladores dedicados de loop único-ou de loop múltiplo-. Alternativamente, módulos de E/S inteligentes especializados são algumas vezes empregados para executar funções de controle específicas-uma estratégia que serve para aumentar a velocidade geral de processamento do PLC e conservar a capacidade da memória interna. Exemplos de tais módulos especializados incluem unidades de controle PID, contadores de alta-velocidade, módulos de entrada analógica com compensação de velocidade e unidades de conversão ASCII.
3. Funções de comunicação
Sistemas PLC de médio-a-grande-escala devem suportar uma variedade de fieldbuses e protocolos de comunicação padrão (como TCP/IP). Além disso, quando exigido pela aplicação, estes sistemas deverão ser capazes de estabelecer conexões com a rede de gerenciamento da planta (via TCP/IP). Os protocolos de comunicação devem cumprir os padrões de comunicação ISO/IEEE e constituir uma rede de comunicação aberta.
As interfaces de comunicação do sistema Controlador Lógico Programável (CLP) devem incluir interfaces de comunicação serial e paralela, portas de comunicação RIO, interfaces DCS comuns e similares. Para sistemas PLC de médio-a{2}}grande-escala, os barramentos de comunicação (incluindo dispositivos de interface e cabos) devem ser configurados com redundância 1:1; esses barramentos de comunicação deverão atender aos padrões internacionais e seu alcance de comunicação deverá atender aos requisitos reais da instalação específica.
Dentro da rede de comunicação do sistema PLC, a taxa de comunicação da rede-de nível superior deverá exceder 1 Mbps e a carga de comunicação não deverá exceder 60%. As principais formas de redes de comunicação para sistemas PLC são as seguintes:
1) Um PC atua como estação mestre, enquanto vários CLPs do mesmo modelo atuam como estações escravas, formando uma rede CLP simples;
2) Um único CLP atua como estação mestre, enquanto outros CLPs do mesmo modelo atuam como estações escravas, formando uma rede CLP mestre-escravo;
3) A rede PLC se conecta a um DCS de grande-escala através de uma interface de rede específica, funcionando como uma sub-rede do DCS;
4) Uma rede PLC proprietária (uma rede de comunicação específica para produtos PLC de um determinado fabricante).
Para aliviar a carga de trabalho de comunicação na CPU-e com base nos requisitos reais da configuração da rede-processadores de comunicação equipados com vários recursos de comunicação (por exemplo, ponto-a-ponto, fieldbus) devem ser selecionados.
4. Funções de programação
Modo de Programação Offline: Neste modo, o CLP e o dispositivo de programação compartilham uma única CPU. Quando o dispositivo de programação está no “modo de programação”, a CPU dedica seus serviços exclusivamente ao dispositivo de programação e não controla os dispositivos de campo. Uma vez concluída a programação, o dispositivo de programação muda para o “modo de execução”, momento em que a CPU retoma o controle dos dispositivos de campo e as operações de programação não podem ser executadas. O modo de programação offline pode reduzir os custos do sistema, embora possa ser menos conveniente para uso e depuração. Modo de programação online: Neste modo, a CPU e o dispositivo de programação possuem, cada um, suas próprias CPUs dedicadas. A CPU host é responsável pelas operações de controle de campo e troca dados com o dispositivo de programação dentro de um único ciclo de varredura; o dispositivo de programação transmite os dados do programa recém-criados ou modificados para a CPU hospedeira e, no ciclo de varredura subsequente, a CPU hospedeira executa a lógica do sistema com base no programa recém-recebido. Embora esse modo acarrete custos mais elevados, ele oferece maior conveniência para depuração e operação do sistema e é frequentemente adotado em sistemas PLC de médio-a-grande-escala. Existem cinco linguagens de programação padronizadas: três linguagens gráficas-gráficos de funções sequenciais (SFC), diagramas de lógica ladder (LD) e diagramas de blocos de funções (FBD)-e duas linguagens baseadas em texto--listas de instruções (IL) e texto estruturado (ST). A linguagem de programação selecionada deve aderir ao padrão relevante (IEC 61131-3); além disso, deve suportar diversas formas alternativas de programação – como C, Basic, etc. – para atender aos requisitos específicos de controle de aplicações especializadas.
5. Funções de diagnóstico
Os recursos de diagnóstico de um Controlador Lógico Programável (PLC) abrangem diagnósticos de hardware e software. Os diagnósticos de hardware utilizam lógica-baseada em hardware para identificar a localização de falhas de hardware, enquanto os diagnósticos de software são categorizados em diagnósticos internos e externos. Os diagnósticos internos envolvem a utilização de software para avaliar o desempenho e funcionalidade interna do PLC; diagnósticos externos envolvem o uso de software para avaliar as capacidades de troca de dados entre a CPU do CLP e componentes externos, como módulos de entrada/saída (E/S).
A robustez das funções de diagnóstico de um CLP influencia diretamente a proficiência técnica exigida do pessoal de operação e manutenção, bem como o Tempo Médio de Reparo (MTTR).
6. Velocidade de processamento
Os controladores lógicos programáveis operam usando um mecanismo-baseado em verificação. Da perspectiva dos requisitos de desempenho-em tempo real, a velocidade de processamento deve ser a mais rápida possível; se a duração de um sinal de entrada for menor que o tempo de varredura do CLP, o controlador poderá não conseguir detectar o sinal, resultando em perda de dados.
A velocidade de processamento é influenciada por fatores como a duração do programa do usuário, o poder de processamento da CPU e a qualidade do software. Os CLPs apresentam tempos de resposta de contato rápidos e altas velocidades operacionais, com o tempo de execução para cada instrução binária variando normalmente de 0,2 a 0,4 microssegundos (µs); conseqüentemente, eles são adequados-para aplicações que exigem controle rigoroso e recursos de resposta rápida. O ciclo de varredura (tempo de varredura do processador) deve atender aos seguintes critérios: para CLPs de pequena-escala, o tempo de varredura não deve exceder 0,5 ms por 1.000 instruções (0,5 ms/K); para PLCs de médio-a{11}}grande-escala, o tempo de varredura não deve exceder 0,2 ms por 1.000 instruções (0,2 ms/K).
Tipos de controlador
Com base na sua estrutura física, os CLPs são amplamente classificados em duas categorias: tipos integrais (monobloco) e tipos modulares. Com base no ambiente operacional, elas são classificadas em duas categorias: unidades montadas em campo-e unidades montadas em-sala{3}}de controle. Além disso, com base no comprimento da palavra da CPU, eles são categorizados em sistemas de 1-bit, 4-bit, 8-bit, 16-bit, 32-bit e 64-bit. De uma perspectiva orientada-a aplicação, os CLPs normalmente são selecionados com base em suas funções de controle específicas ou no número necessário de pontos de entrada/saída. Controladores lógicos programáveis (CLPs) do tipo-integrado apresentam um número fixo de pontos de E/S; conseqüentemente, os usuários têm flexibilidade limitada na sua seleção, tornando-os adequados para sistemas de controle de pequena escala. Os CLPs do tipo modular, por outro lado, oferecem uma ampla variedade de placas de E/S ou módulos plug-in, permitindo aos usuários selecionar e configurar racionalmente o número específico de pontos de E/S necessários para seus sistemas de controle. Essa modularidade facilita a expansão funcional conveniente e flexível, tornando-os geralmente adequados para sistemas de controle de médio a grande porte.
Tipos de entrada/saída
Sinais discretos (quantidades de comutação): referem-se principalmente a entradas e saídas discretas-especificamente, aos contatos auxiliares associados a vários dispositivos. Os exemplos incluem os contatos auxiliares de um relé dentro do controlador de temperatura de um transformador (que mudam de estado quando o transformador superaquece), os contatos auxiliares do interruptor de came de uma válvula (que mudam de estado quando a válvula abre ou fecha), os contatos auxiliares de um contator (que mudam de estado quando o contator atua) e os contatos auxiliares de um relé de sobrecarga térmica (que mudam de estado quando o relé desarma). Esses sinais são normalmente transmitidos para um PLC ou um dispositivo de proteção abrangente. A alimentação destes contatos é geralmente fornecida pelo próprio CLP ou dispositivo de proteção; como os contatos não possuem fonte de alimentação interna própria, eles são chamados de “contatos passivos” (ou “contatos secos”) e são classificados como entradas discretas no contexto do CLP ou dispositivo de proteção.
1. Quantidades Digitais
Quantidades físicas discretas-tanto em termos de tempo quanto de magnitude-são chamadas de quantidades digitais. Os sinais que representam essas grandezas digitais são chamados de sinais digitais. Os circuitos eletrônicos projetados para operar com sinais digitais são conhecidos como circuitos digitais.
Por exemplo: Quando um circuito eletrônico é usado para contar o número de peças produzidas em uma linha de produção automatizada, um sinal é enviado ao circuito para cada peça entregue, fazendo com que ele registre uma contagem de “1”. Por outro lado, quando nenhuma peça está sendo entregue, o sinal aplicado ao circuito é “0”. Assim, o sinal que representa o número de partes é descontínuo-tanto temporal quanto quantitativamente-tornando-o um sinal digital. A menor unidade de quantidade neste contexto é uma única unidade (1).
2. Quantidades Analógicas
Grandezas físicas contínuas-em termos de tempo ou magnitude-são chamadas de grandezas analógicas. Os sinais que representam essas grandezas analógicas são chamados de sinais analógicos. Os circuitos eletrônicos projetados para operar com sinais analógicos são conhecidos como circuitos analógicos.
Por exemplo: O sinal de tensão emitido por um termopar durante a operação é um sinal analógico. Como a temperatura que está sendo medida não pode sofrer saltos instantâneos e abruptos sob nenhuma circunstância, o sinal de tensão resultante é contínuo-tanto temporal quanto quantitativamente. Além disso, cada valor específico obtido por este sinal de tensão durante seu processo de variação contínua carrega um significado físico concreto-ou seja, corresponde a uma leitura de temperatura específica. Princípios de Conversão
1. Um conversor digital-para{2}}analógico (DAC) é um sistema que converte sinais digitais em sinais analógicos; isso geralmente é conseguido por meio de filtragem-passa baixa. O sinal digital primeiro passa por decodificação-ou seja, os códigos digitais são convertidos em níveis de tensão correspondentes para formar um sinal-em forma de escada-após o qual ele é submetido à filtragem passa baixa-.
De acordo com a teoria de sinais e sistemas, o sinal semelhante a uma escada digital-pode ser visto como a convolução de um sinal amostrado-de impulso ideal e um sinal de pulso retangular. Conseqüentemente, pelo Teorema da Convolução, o espectro do sinal digital é o produto do espectro do sinal amostrado de impulso - e do espectro do pulso retangular (conhecido como função Sa). Assim, utilizando o recíproco da função Sa para compensação espectral, o sinal amostrado original pode ser recuperado do sinal digital. Além disso, de acordo com o Teorema de Amostragem, a aplicação de filtragem passa-baixa-ideal ao espectro do sinal amostrado produz o espectro do sinal analógico original.
Em implementações práticas, esses princípios teóricos não são aplicados diretamente, pois a geração de sinais amostrados ideais e nítidos é tecnicamente desafiadora. Portanto, esses dois estágios de filtragem (a compensação da função Sa-e a filtragem passa-baixa-ideal) são normalmente combinados (em cascata). Além disso, uma vez que as características de filtragem ideais exigidas por este sistema são fisicamente irrealizáveis, os sistemas reais podem apenas fornecer uma aproximação deste processo.
2. Um conversor analógico-para{2}}digital (ADC) é um sistema que converte sinais analógicos em sinais digitais; este processo envolve filtragem, amostragem e retenção e codificação.
O sinal analógico primeiro passa por uma filtragem-de limitação de banda e passa por um circuito de amostra-e-de retenção, transformando-se assim em um sinal semelhante a uma escada-. Posteriormente, este sinal passa através de um codificador, que converte cada nível de tensão distinto dentro do sinal em escada em um código binário correspondente.