1.Introdução aos inversores CA (inversores de frequência variável) No domínio do controle industrial moderno e ......
LEIA MAISUm controlador lógico programável (PLC) é um computador industrial robusto projetado especificamente para monitorar entradas de sensores e dispositivos de campo, executar um programa de controle armazenado e controlar saídas - como motores, válvulas, atuadores e indicadores - em tempo real. Ao contrário de um computador de uso geral, um PLC é projetado para operar de forma confiável em ambientes industriais severos, caracterizados por ruído elétrico, vibração, temperaturas extremas e poeira, enquanto executa programas de controle com temporização determinística — o que significa que o controlador completa seu ciclo de varredura em um tempo previsível e repetível, independentemente das condições do processo. Essa combinação de robustez industrial e determinismo em tempo real é o que torna os CLPs o controlador de automação padrão em manufatura, indústrias de processo, serviços públicos, automação predial e infraestrutura em todo o mundo.
O PLC foi desenvolvido no final da década de 1960 especificamente para substituir os grandes bancos de relés eletromecânicos que controlavam as linhas de montagem automotiva – sistemas que eram caros para instalar, exigiam religações significativas para serem trocadas e exigiam manutenção constante à medida que os contatos dos relés se desgastavam e falhavam. Ao substituir a lógica do relé físico por um equivalente programável baseado em software, o PLC permitiu que os engenheiros de produção modificassem o comportamento da máquina alterando um programa em vez de religar um painel, reduzindo drasticamente o tempo e o custo das mudanças de produção. Sessenta anos depois, o conceito central permanece inalterado, mas o conceito moderno controladores lógicos programáveis expandiram de simples substituições de relés para plataformas de automação sofisticadas que suportam controle de movimento de alta velocidade, controle de processos, funções de segurança, integração de visão de máquina e comunicação de rede industrial em arquiteturas multissistema complexas.
O princípio operacional fundamental de um controlador lógico programável é o ciclo de varredura – uma sequência repetida de operações que o PLC executa continuamente enquanto estiver no modo de operação. Compreender o ciclo de varredura é essencial para entender como um CLP se comporta, especialmente em aplicações de tempo crítico, onde o tempo de resposta a uma alteração de entrada determina se o sistema de controle funciona corretamente.
Um ciclo de varredura PLC padrão consiste em quatro estágios sequenciais. Primeiro, a varredura de entrada lê o estado atual de todas as entradas digitais e analógicas conectadas – sensores, interruptores, codificadores, transmissores – e copia esses valores em um registro de imagem de entrada na memória. Segundo, a varredura do programa executa o programa de controle armazenado na memória, usando os valores da imagem de entrada (não as leituras de entrada ao vivo) para avaliar as condições lógicas e determinar o estado necessário das saídas. Terceiro, a varredura de saída grava os valores da imagem de saída determinados pelo programa no hardware de saída física, ativando ou desativando os dispositivos conectados. Quarto, o estágio de limpeza cuida das comunicações, do autodiagnóstico e da atualização de temporizadores e contadores internos antes que o ciclo se repita.
O tempo necessário para concluir um ciclo de varredura — o tempo de varredura — é normalmente de 1 a 10 milissegundos para a maioria dos aplicativos padrão, embora aumente com a complexidade do programa e a contagem de pontos de E/S. A arquitetura do ciclo de varredura significa que as mudanças no estado de entrada não são acionadas até o próximo ciclo de varredura, o que introduz uma latência máxima de um ciclo de varredura na resposta de controle. Para a maioria das aplicações de automação industrial esta latência é totalmente aceitável. Para aplicações de alta velocidade — controle de movimento servo, contagem de alta frequência ou funções de segurança que exigem resposta inferior a um milissegundo — rotinas de interrupção especializadas, processadores de movimento dedicados ou CLPs de segurança separados são usados para contornar a latência do ciclo de varredura padrão.
Um sistema PLC consiste em vários componentes de hardware distintos que juntos formam o controlador de automação completo. Compreender a função de cada componente esclarece como um sistema PLC é especificado, montado e mantido.
O módulo CPU é o cérebro do PLC – contém o processador que executa o programa de controle, a memória que armazena o programa e os dados e as interfaces de comunicação que se conectam às ferramentas de programação e outros sistemas de automação. A capacidade da CPU é caracterizada pela velocidade de processamento (tempo de varredura por 1.000 instruções de lógica ladder), capacidade de memória de programa (normalmente de kilobytes a megabytes dependendo da classe do PLC), memória de dados para armazenar valores variáveis e dados de processo e a variedade de protocolos de comunicação suportados. Os módulos de CPU de última geração também contêm relógios em tempo real, capacidade de registro de dados e servidores OPC UA ou MQTT integrados para conexão direta com IoT industrial e sistemas em nuvem sem hardware adicional.
Os módulos de E/S são a interface física entre o PLC e os dispositivos de campo – sensores, interruptores, válvulas, motores e instrumentos – que o sistema de controle monitora e comanda. Os módulos de entrada digital recebem sinais liga/desliga de dispositivos como sensores de proximidade, botões e interruptores de limite, convertendo a tensão de nível de campo (normalmente 24 VCC ou 120/240 VCA) em um sinal de nível lógico que a CPU pode ler. Módulos de saída digital comutam energia para dispositivos de campo, como válvulas solenóides, partidas de motores e lâmpadas indicadoras. Os módulos de entrada analógica convertem sinais continuamente variáveis — loops de corrente de 4 a 20 mA, sinais de tensão de 0 a 10 V, tensões de termopares, valores de resistência RTD — em valores digitais que a CPU pode processar. Os módulos de saída analógica convertem valores digitais da CPU em sinais analógicos proporcionais para controlar inversores de velocidade variável, válvulas proporcionais e outros dispositivos continuamente variáveis. Os módulos de E/S especializados incluem entradas de contador de alta velocidade para feedback do encoder, módulos de comunicação serial e E/S com classificação de segurança para aplicações de segurança funcional.
O módulo de fonte de alimentação do CLP converte a energia da rede elétrica de entrada (normalmente 120 VCA ou 240 VCA) ou energia do barramento CC nas tensões CC reguladas exigidas pela CPU e pelos módulos de E/S. A seleção da fonte de alimentação envolve combinar a capacidade de corrente de saída com o consumo total de corrente de todos os módulos no rack ou sistema, com uma margem de pelo menos 20 a 30% para confiabilidade e para acomodar futuras expansões. Configurações de fonte de alimentação redundantes — onde dois módulos de fonte de alimentação funcionam em paralelo com failover automático — são padrão em sistemas de alta disponibilidade onde um desligamento não planejado devido a uma falha na fonte de alimentação seria inaceitavelmente dispendioso.
Em sistemas PLC modulares montados em rack, o backplane é a placa de circuito que suporta mecanicamente e conecta eletricamente a CPU, a fonte de alimentação e os módulos de E/S. O backplane transporta o barramento de dados interno, a distribuição de energia e, em alguns sistemas, os sinais de sincronização em tempo real necessários para a operação coordenada de vários módulos. O tamanho do rack — especificado pelo número de slots de módulo — determina quantos módulos de E/S podem ser instalados em um único rack e, para sistemas que exigem mais E/S do que um único rack pode acomodar, vários racks são conectados por meio de cabos de expansão ou E/S remotas em uma rede industrial.
Os PLCs são fabricados em vários formatos adequados para diferentes requisitos de escala e complexidade. A seleção do fator de forma do PLC apropriado para uma aplicação envolve combinar a capacidade de E/S, capacidade de expansão e capacidade de processamento do controlador com os requisitos atuais e futuros projetados da máquina ou processo que está sendo controlado.
| Tipo de CLP | Contagem típica de E/S | Expansibilidade | Aplicações mais adequadas | Produtos de exemplo |
| Nano/micro CLP | 6 – 40 E/S | Limitado ou nenhum | Máquinas simples, equipamentos OEM, substituição de relés | LOGOTIPO Siemens!, Omron CP1E |
| CLP compacto | 20 – 256 E/S | Módulos de expansão disponíveis | Máquinas pequenas e médias, embalagens, HVAC | Allen-Bradley Micro820, Siemens S7-1200 |
| CLP Modular | 64 – 4.096 E/S | Altamente expansível com E/S remota | Máquinas complexas, linhas de produção, instalações de processo | Siemens S7-1500, Allen-Bradley ControlLogix |
| PLC baseado em rack | 256 – 65.000 E/S | Vários racks, E/S distribuída | Grandes plantas de processo, geração de energia, controle equivalente a DCS | Allen-Bradley PLC-5, GE RX3i, Schneider Premium |
| PLC de segurança (classificação SIL) | Varia | Expansível com E/S de segurança | Parada de emergência, intertravamento de segurança, funções SIL 1-3 | Pilz PSS 4000, Siemens S7-1500F, AB GuardLogix |
A categoria de PLC compacto tornou-se a área de crescimento mais significativa no mercado de PLC, impulsionada pela classe de produtos Siemens S7-1200 e Allen-Bradley Micro820 que oferecem recursos anteriormente associados apenas a sistemas modulares de tamanho normal — incluindo controle de movimento, controle de processo PID e comunicação industrial baseada em Ethernet — em um formato pequeno adequado para montagem em painel sem um rack dedicado. Para novos projetos de automação de máquinas com contagens de E/S abaixo de 200 pontos, um PLC modular compacto é agora o ponto de partida padrão para a maioria dos engenheiros de automação, em vez dos sistemas maiores baseados em rack que eram necessários há uma década.
A programação de PLC é padronizada pela IEC 61131-3, que define cinco linguagens de programação que os ambientes de desenvolvimento de PLC compatíveis devem suportar. Diferentes linguagens se adequam a diferentes tipos de lógica de controle e diferentes formações de engenharia, e a maioria das modernas ferramentas de programação de CLP permitem o uso de múltiplas linguagens em um único projeto – permitindo que os engenheiros escolham a linguagem mais apropriada para cada seção do programa.
O Diagrama Ladder é a linguagem de programação de PLC mais amplamente utilizada, principalmente na América do Norte e em ambientes de fabricação discretos. A representação gráfica imita os diagramas lógicos do relé que os CLPs foram originalmente projetados para substituir - linhas horizontais de lógica conectam os trilhos de alimentação esquerdo e direito, com símbolos de contato normalmente abertos e normalmente fechados representando condições de entrada e símbolos de bobina representando comandos de saída. A lógica ladder é intuitiva para engenheiros elétricos familiarizados com diagramas de circuitos de relés e é fácil de ler e solucionar problemas on-line (com o CLP em modo de operação, os elementos ativos são destacados no software de programação, permitindo que as condições de falha sejam rastreadas visualmente). A limitação do Diagrama Ladder é que ele se torna difícil de manejar para operações matemáticas complexas, manipulação de dados e programação sequencial que são expressas de forma mais natural em linguagens baseadas em texto.
O diagrama de blocos funcionais representa a lógica de controle como blocos gráficos interconectados - cada bloco encapsula uma função específica (porta AND, controlador PID, contador, temporizador, bloco de função do motor) com conexões de entrada e saída mostradas como fios entre os blocos. FBD é a linguagem dominante em aplicações de controle de processo — ela mapeia naturalmente a representação do diagrama de tubulação e instrumentação (P&ID) familiar aos engenheiros de processo, e o encapsulamento de funções complexas (loops PID, controle de válvula, proteção de motor) em blocos de função reutilizáveis padronizados reduz significativamente o esforço de programação em aplicações de planta de processo. A maioria das plataformas PLC orientadas para processos e segurança oferecem extensas bibliotecas de blocos de funções em conformidade com IEC 61511 para controle de processos comuns e funções de segurança.
Texto Estruturado é uma linguagem baseada em texto de alto nível sintaticamente semelhante a Pascal ou C, suportando instruções condicionais, loops, expressões matemáticas, manipulação de strings e estruturas de dados complexas que são complicadas ou impossíveis em linguagens gráficas. ST é cada vez mais usado por engenheiros de automação com experiência em desenvolvimento de software e é a linguagem preferida para processamento de dados complexos, gerenciamento de receitas, manipulação de comunicação e qualquer aplicação que exija lógica algorítmica sofisticada que as linguagens gráficas não conseguem expressar com eficiência. A definição de texto estruturado do padrão IEC 61131-3 tornou-o genuinamente portátil entre diferentes plataformas PLC - o código escrito em ST para o PLC de uma marca pode ser adaptado para a plataforma de outra marca com modificações relativamente pequenas, ao contrário do código do Diagrama Ladder, que tende a usar instruções e convenções específicas do fabricante.
O Gráfico de Funções Sequenciais representa os programas de controle como um fluxograma de etapas e transições — cada etapa contém ações (programadas em LD, FBD ou ST) e cada transição define a condição que deve ser satisfeita para que o programa avance para a próxima etapa. SFC é a linguagem natural para aplicações de sequenciamento – ciclos de máquinas de lavar, sequências de processos em lote, operações de montagem em vários estágios e qualquer aplicação em que uma máquina deva executar uma série definida de operações em ordem. Programar um processo sequencial complexo no Diagrama Ladder produz programas grandes e difíceis de seguir; a mesma sequência expressa em SFC é imediatamente legível como um fluxo de processo e é significativamente mais fácil de depurar e modificar.
Os controladores lógicos programáveis modernos são dispositivos de rede tanto quanto controladores de automação. As capacidades de comunicação de um PLC determinam como ele se integra a outros equipamentos de automação, sistemas de supervisão, bancos de dados empresariais e plataformas em nuvem — uma consideração cada vez mais importante à medida que a automação industrial evolui em direção a arquiteturas conectadas da Indústria 4.0.
O mercado de PLC é dominado por um pequeno número de grandes empresas de automação, cada uma das quais oferece um ecossistema completo de hardware PLC, software de programação, módulos de E/S, drives, painéis HMI e infraestrutura de comunicação projetada para funcionar perfeitamente em conjunto. Escolher um PLC de um determinado fabricante normalmente significa comprometer-se com o ecossistema desse fabricante para o sistema de automação completo, o que tem implicações significativas para integração, peças de reposição, treinamento e suporte de longo prazo.
| Fabricante | Principais famílias de PLC | Ambiente de programação | Rede industrial primária | Força do mercado |
| Siemens | S7-1200, S7-1500, S7-300/400 | Portal TIA (Etapa 7) | PROFINET, PROFIBUS | Europa, indústrias de processo globais |
| Rockwell Automation (Allen-Bradley) | ControlLogix, CompactLogix, Micro820 | Studio 5000 Logix Designer | Ethernet/IP, DeviceNet | América do Norte, automotivo, alimentos e bebidas |
| Mitsubishi Elétrica | MELSEC iQ-R, iQ-F, Série Q | GX Works3 | CC-Link IE, SLMP | Ásia-Pacífico, automotivo, semicondutores |
| Schneider Elétrica | Modicon M580, M340, Série TM | Especialista em controle EcoStruxure | Modbus TCP, Ethernet/IP | Indústrias de processo, energia, infraestrutura |
| Omron | Série NX, NJ, CP | Estúdio Sysmac | Ethernet/IP, EtherCAT | Ásia, automação de máquinas, controle de movimento |
Os PLCs são frequentemente discutidos juntamente com os sistemas de controle distribuído (DCS) e os sistemas de controle de supervisão e aquisição de dados (SCADA), e as fronteiras entre essas categorias se confundiram significativamente à medida que a tecnologia evoluiu. Compreender as distinções — e onde elas convergiram — é importante para especificar a arquitetura de automação correta para uma determinada aplicação.
Um Sistema de Controle Distribuído é uma arquitetura de automação na qual as funções de controle são distribuídas por vários controladores implantados próximos ao processo que está sendo controlado, todos conectados a um sistema de supervisão centralizado por meio de uma rede de planta de alta confiabilidade. Os sistemas DCS foram desenvolvidos para grandes aplicações de processos contínuos — petróleo e gás, petroquímica, geração de energia, fabricação farmacêutica — onde milhares de malhas de controle analógico, lógica de intertravamento complexa e gerenciamento abrangente de alarmes são necessários em uma grande planta física. Os sistemas DCS priorizam alta disponibilidade (controladores redundantes, E/S, energia e redes como padrão), capacidade abrangente de historiador de dados de processo e exibições integradas da estação do operador. A distinção entre um moderno sistema PLC modular de alta tecnologia e um DCS básico é agora marginal em termos de funcionalidade – as principais diferenças estão no ambiente de software, no foco da aplicação do fornecedor e no modelo comercial.
SCADA (Controle de Supervisão e Aquisição de Dados) refere-se especificamente à camada de supervisão – o sistema de software que coleta dados de PLCs e outros controladores de campo, apresenta informações de processo aos operadores por meio de exibições gráficas de IHM, registra dados históricos e pode enviar comandos de ponto de ajuste de volta aos controladores. O SCADA não substitui um PLC – é a camada acima do PLC que fornece supervisão humana e gerenciamento de dados. Uma arquitetura típica de automação industrial combina CLPs no nível de controle de máquinas ou processos, uma rede industrial que transporta dados entre CLPs e sistemas de supervisão e um sistema SCADA ou MES que fornece interface do operador, dados históricos e integração com sistemas de negócios.
A seleção do controlador lógico programável correto para uma nova máquina ou aplicação de controle de processo envolve a avaliação de uma série de fatores técnicos e comerciais que, juntos, determinam se o sistema atenderá aos seus requisitos funcionais, será entregue dentro do prazo e terá suporte durante toda a sua vida operacional. A estrutura a seguir cobre os critérios de avaliação mais importantes.
Um sistema PLC em operação contínua requer manutenção proativa e gerenciamento do ciclo de vida para manter a confiabilidade e evitar paradas não planejadas. As práticas a seguir são padrão em operações de engenharia de automação bem executadas.