Na indústria, há uma eterna busca por processos cada vez mais eficazes, eficientes e ágeis. Dessa necessidade contínua, nasceu a automação industrial, um segmento amplo que une mecânica, elétrica, eletrônica e computação para maximizar a qualidade dos processos industriais. Para coordenar tudo isso – servindo como uma espécie de cérebro capaz de ler os sensores, processar seus dados e controlar atuadores – existe o CLP, acrônimo para Controlador Lógico Programável.
O CLP, também conhecido como PCL (do inglês Programmable Logic Controller), funciona como um mini-computador robusto, capaz de funcionar sem falhas em ambientes mais eletromagneticamente hostis, como é o caso do chão de fábrica e ambiente industrial no geral. Neste artigo, será explicado o que são os CLPs, quais seus tipos, funcionamento básico e serão mostrados alguns CLPs de referência no mercado.
O que é um CLP?
Os CLPs são componentes essenciais da automação industrial moderna, sendo elementos capazes de ler sensores diversos, utilizar padrões de comunicação industrial, processar dados e controlar atuadores diversos (motores, lâmpadas, relés, etc.). Os CLPs substituíram os antigos sistemas baseados em relés eletromecânicos, proporcionando maior flexibilidade, confiabilidade e eficiência na automação de processos industriais.
O CLP, em resumo, trata-se de um dispositivo eletrônico microcontrolado ou microprocessado, programável, capaz de monitorar entradas (digitais e analógicas), processar dados conforme sua programação e controlar saídas para automatizar processos industriais e sistemas mecânicos. Em analogia livre, é um computador especializado em tarefas para processos industriais, preparado para operar em ambientes industriais.
O CLP foi desenvolvido originalmente na década de 1960, como evolução de painéis de controle baseados puramente em relés. Ao longo dos anos, o CLP evoluiu para algo altamente versátil, podendo ser aplicado em qualquer setor industrial. Hoje, ter um processo coordenado por um CLP é fundamental para garantir uma operação confiável de um processo industrial.
Atualmente, existe uma variedade imensa de CLPs no mercado, indo desde CLPs com poucas entradas e saídas até CLPs muito robustos e modulares, capazes de ler centenas de sensores e entradas (digitais e analógicas) e controlar centenas de atuadores (motores, lâmpadas, relés, válvulas de pressão, etc.). Entretanto, eles têm um formato físico parecido, sendo uma “caixa” com as entradas localizadas em sua parte superior (identificadas como I1, I2, I3, etc.) e saídas localizadas na sua parte inferior (identificadas como O1, O2, O3, etc.).
Usualmente, as portas de comunicação em rede (Ethernet, RS-485, etc.) estão localizadas em sua parte frontal, e quando trata-se de um CLP modular (onde módulos adicionais de entradas, saídas e comunicação podem ser anexados ao CLP) a porta de comunicação para os módulos adicionais localiza-se na lateral do CLP. Observe como exemplo, na figura 1, um CLP do fabricante Schneider.
Como funciona um CLP?
O funcionamento do CLP atua na forma de ciclos. Ele segue um ciclo de execução contínuo, chamado ciclo de varredura (scan cycle), que envolve três etapas principais:
- Leitura das entradas: o CLP verifica os sinais recebidos de todos os sensores e dispositivos de entrada nele conectados, tais como botões, chaves de fim de curso e sensores industriais.
- Processamento do programa: em posse de todas as leituras das entradas feitas, a CPU do CLP executa seu programa, processando os dados de entrada e determinando as saídas apropriadas. Nessa etapa, os estados de todas as saídas são gerados
- Atualização das saídas: todas as saídas têm seus estados escritos (ou estados) ao mesmo tempo.
Esse ciclo se repete continuamente em alta velocidade, garantindo que o sistema responda rapidamente a mudanças no ambiente industrial. Pelo fato de ler todas as entradas de uma vez e escrever todas as saídas simultaneamente, existe a sensação de paralelismo, pois não há delay entre a escrita de uma saída e outra. Isso permite um controle muito ágil de atuadores diversos.
Aplicações do CLP
Atualmente, qualquer processo industrial usa algum tipo de CLP (ou, em alguns processos mais complexos, mais de um CLP). Algumas das principais aplicações de CLPs no meio industrial são:
- Manufatura e controle de produção: CLPs são usados para controlar máquinas industriais, esteiras transportadoras, robôs e sistemas de montagem, otimizando o fluxo de produção.
- Controle de processos: na indústria química, alimentícia e farmacêutica, CLPs regulam temperatura, pressão, vazão e outras variáveis importantes de processos produtivos.
- Automação de infraestrutura industrial: CLPs podem gerenciar iluminação, ventilação e climatização em grandes edifícios, otimizando o consumo de energia.
- Geração e distribuição de energia elétrica: os CLPs são aplicados no controle de turbinas, geradores e sistemas de distribuição elétrica, garantindo maior eficiência e eficácia na geração e transmissão de energia.
Programação de um CLP
Os CLPs são programados por meio de linguagens de programação CLP padronizadas pela IEC 61131-3, onde a linguagem Ladder é a mais popular delas há décadas. Essa linguagem CLP é baseada na representação gráfica dos antigos circuitos de relés, o que facilita a compreensão por engenheiros elétricos, incluindo aqueles que estão acostumados com os antigos sistemas de controle e painéis a relés. Logo, é uma linguagem de programação gráfica, diferente do que estamos acostumados (programação feita por textos).
A figura 2 mostra um exemplo de um programa Ladder para CLP.
Os principais elementos da linguagem Ladder incluem:
- Bobinas: representam saídas, como motores, válvulas solenóides ou lâmpadas.
- Contatos normalmente abertos (A) e Contatos normalmente fechados (NF): representam condições ou entradas que devem estar presentes para que a bobina seja ativada.
- Temporizadores: permitem introduzir atrasos ou pausas específicas no funcionamento do programa.
- Contadores: permitem contar eventos, como peças produzidas, número de acionamentos de botoeiras ou ciclos de operação.
Tipos de CLPs
Os CLPs podem ser classificados de diferentes maneiras, dependendo da arquitetura, porte e aplicação. Os principais tipos de CLP são:
- CLPs compactos: possuem uma estrutura integrada, na qual CPU, entradas e saídas (I/Os) estão em um único módulo, algumas vezes sem possibilidades de integração de módulos de expansão de entradas, saídas e comunicação. São ideais para aplicações de pequeno porte, como controle de esteiras transportadoras, acionamento de motores e controle e monitoramento de sistemas de ar condicionado industrial.
- CLPs modulares: aqui, o CLP em si é pequeno em termos de números de entradas e saídas, mas permite a personalização de forma que módulos possam ser anexados a ele. Ele pode ser combinado com diferentes módulos de entrada e saída, comunicação e controle de movimento, tornando-os adequados para sistemas complexos e expansíveis. Esse tipo de CLP é ideal para aplicações com número de entradas e saídas não usuais (muito numerosas, por exemplo), pois permite adicionar quantas entradas e saídas forem necessárias.
- CLPs redundantes: projetados para aplicações críticas (que envolvem alto grau de segurança e/ou confiabilidade), os CLPs redundantes possuem uma CPU duplicada que entra em operação automaticamente em caso de falha da unidade principal. São amplamente usados em setores como geração de energia e controle de processos químicos, onde uma falha pode acarretar em prejuízo grande e/ou comprometer a integridade de pessoas próximas ao processo industrial monitorado e controlado por eles.
CLPs Siemens
A Siemens é um dos principais fabricantes de CLPs no mundo, oferecendo soluções robustas e escaláveis para a indústria há décadas. Pelo histórico de bons equipamentos, os CLPs Siemens são amplamente adotados nos mais diversos processos industriais mundo afora. Os CLPs Siemens também se destacam pela versatilidade, oferecendo integração com sistemas SCADA, conectividade com redes industriais como PROFINET, PROFIBUS e MODBUS, além de suporte à programação em Ladder, Structured Text e outras linguagens.
Em especial, tem-se a linha SIMATIC S7, reconhecidamente de boa qualidade e utilizada em diversos setores industriais. Os principais modelos dessa linha são:
- S7-1200: CLP de pequeno porte, ideal para aplicações modulares e descentralizadas.
- S7-1500: CLP de alto desempenho, modular, com funcionalidades avançadas de comunicação e segurança.
CLPs Baseados em Arduino
O Arduino é uma plataforma de prototipagem que, embora não seja adequada para um CLP industrial, tem sido usada para controle automatizado em pequenas aplicações e ensino de automação e desenvolvimento de provas de conceito. Existem atualmente alguns modelos de CLPs que podem ser programados como uma placa Arduino, como o é o caso do Arduino Opta WiFi, disponível aqui na loja MakerHero.
Entretanto, é importante ressaltar que a grande maioria destes CLPs em Arduino tem um foco em educação, não sendo adequados para uso industrial real.
Conclusão
O Controlador Lógico Programável (CLP) é o cérebro da automação industrial, proporcionando controle preciso e confiável de máquinas e processos em todos os segmentos industriais. Desde os CLPs compactos até sistemas modulares e redundantes, sua aplicação é ampla e essencial para uma indústria mais eficiente e eficaz.
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