Controlador Lógico Programável CLP

Introdução à Automação Industrial

A automação é uma das mais inovadoras conquistas do ser humano. Em busca da sobrevivência, o homem evoluiu, e foi descobrindo as formas de energia disponíveis no planeta, utilizando-as em seu benefício, atendendo assim às suas necessidades.Estas modalidades energéticas permitiram a mecanização de diversas atividades, reduzindo drasticamente o trabalho braçal do ser humano, exigindo,porém, atividades de gerenciamento e controle, muitas vezes extremamente monótonas e repetitivas.

Dessa forma, com o desenvolvimento da automação, o ser humano libertou-se do controle de tarefas repetitivas, passando a gerenciar e planejar atividades mais complexas, proporcionais à capacidade cognitiva do cérebro humano.

A automação industrial é uma área de pesquisa que vem ampliando sua atuação gradativamente nos últimos anos. O uso de dispositivos e a aplicação de soluções desenvolvidas em automação industrial têm grande repercussão, sobretudo no setor industrial. As aplicações não se resumem a substituir o trabalho humano em tarefas exaustivas, monótonas e perigosas; elas trazem melhoria na qualidade de processos, otimização dos espaços, redução no tempo de produção e custos.

Os sistemas de controle estão presentes em praticamente todas as atividades industriais, comerciais e de serviços, sendo a base da automação de processos industriais.

Os processos industriais são formados por equipamentos mecânicos, elétricos, eletrônicos, hidráulicos ou pneumáticos que, através de sucessivas operações utilizando matéria-prima e energia, resultará num produto final e em resíduos.

Noções Básicas de Controladores Programáveis

Existem diversos equipamentos utilizados na automação industrial, porém, o controlador lógico programável (CLP) e um dos mais importantes. O CLP surgiu no final da década de 1960 e revolucionou os comandos e controles industriais. Nessa época, a automação era executada quase totalmente por relés com base em lógica fixa, ou lógica hardwired, o que resultava em enormes armários de relés eletromecânicos interligados por circuitos elétricos e extensas fiações.

Típico Painel de Relés

A primeira geração de CLPs usava componentes discretos e tinha baixa escala de integração. Sua utilização só era viável quando substituía painéis que continham mais de 300 reles. Tal equipamento ficou conhecido pela sigla PLC (programmable logic controller) – em português, CLP (controlador lógico-programável).

Segundo a Associação Brasileira de Normas Tecnicas (ABNT), CLP e um “equipamento eletrônico digital com hardware e software compatíveis com aplicações industriais”. Já para a National Electrical Manufacturers Association (NEMA),trata-se de um “aparelho eletrônico digital que utiliza uma memoria programável para o armazenamento interno de instruções para implementações específicas, tais como lógica, sequenciamento, temporização, contagem e aritmética,para controlar através de módulos de entrada e saída vários tipos de máquinas e processos”.

Com o surgimento dos circuitos integrados, foi possível viabilizar e difundir a utilização do CLP em grande escala, melhorando o poder de processamento e diminuindo o tamanho dos equipamentos.

Há pouco tempo o CLP possuía arquitetura proprietária, na qual cada fabricante produzia o próprio modelo e desenvolvia os softwares de programação e simulação exclusivos para seus equipamentos, ou seja, não existia portabilidade. Com a adoção da norma IEC 61131-3, ocorreu a padronização da linguagem de programação e a solução para softwares e aplicativos foi alcançada.

Atualmente, os CLPs possuem funções especificas de controle e canais de comunicação que permitem interligá-los entre si e a computadores em rede, formando um sistema integrado.

As vantagens da utilização do CLP em aplicações industriais são inúmeras e cada dia surgem novas, que resultam em maior economia, superando o custo do equipamento. Essa evolução oferece grande número de benefícios, por exemplo:

• Maior produtividade.

• Otimização de espaço nas fabricas.

• Melhoria na qualidade do produto final.

• Alto MTBF (tempo médio entre falhas).

• Baixo MTTR (tempo de máquina parada).

• Maior segurança para os operadores.

• Menor consumo de energia.

• Redução de refugos.

• Reutilização do cabeamento.

• Maior confiabilidade.

• Fácil manutenção.

• Projeto de sistema mais rápido.

• Maior flexibilidade, satisfazendo maior número de aplicações.

• Interface com outros CLPs através de rede de comunicação.

A evolução dos Controladores Programáveis pode ser dividida em cinco gerações.

Na 1ª geração, a programação era feita em Assembly, exigindo do programador o conhecimento completo do hardware do equipamento, isto é, de seus componentes eletrônicos.

Na 2ª geração, surgiram as linguagens de nível médio, com programas para converter em linguagem de máquina o programa desenvolvido pelo usuário.

Na 3ª geração, os CLPs apresentavam entradas de programação, permitindo sua conexão a teclados ou programadores portáteis.

Na 4ª geração, os CLPs apresentavam entrada para comunicação serial, possibilitando sua programação diretamente de um computador. O software de programação instalado no computador permitia, além da programação e transferência do programa ao CLP, testar o funcionamento do programa.

Os CLPs de 5ª geração apresentam padrões de protocolos de comunicação, facilitando a interface com outros equipamentos e também com sistemas supervisórios.

CLP Estrutura e Funcionamento

O CLP é um dispositivo microprocessado, constituído por um microprocessador ou um microcontrolador, um programa monitor, uma memória de programa, uma memória de dados, uma ou mais interfaces de entrada, uma oumais interfaces de saída e circuitos auxiliares.

Fonte de alimentação

A fonte de alimentação de um CLP tem por finalidade converter a tensão de alimentação (110 a 220 Vca) para a tensão de alimentação dos circuitos eletrônicos (5 Vcc para o microprocessador, memórias e circuitos auxiliares e12 Vcc para comunicação com o programador ou computador), bem como manter a carga da bateria e fornecer tensão para alimentação das entradas e saídas (12 ou 24 Vcc).

Unidade de processamento

A CPU é responsável pelo funcionamento lógico de todos os circuitos. Em CLP modulares, a CPU geralmente está contida em apenas uma placa separada das demais. Já em CLP de menor porte, a CPU e os demais circuitos geralmente estão contidos numa mesma placa.

Bateria

A bateria utilizada em CLP tem por finalidade manter a alimentação do circuito do relógio de tempo real e manter parâmetros ou programas (quando utilizar memória do tipo RAM),mesmo em falta de energia elétrica.

Memória do programa monitor

O programa monitor é responsável pelo funcionamento geral do CLP, gerenciando todas as atividades do CLP. Este programa não pode ser alterado pelo usuário, sendo armazenado em memórias do tipo PROM, EPROM ou EEPROM,e funciona de forma semelhante ao sistema operacional dos computadores.

Memória do usuário

Nesta memória é armazenado o programa desenvolvido pelo usuário, o qual pode ser alterado, tornando flexível a programação. Este programa geralmente é armazenado em memórias do tipo RAM, EPROM, EEPROM E FLASH-EPROM,cuja capacidade varia de acordo com a marca e o modelo de CLP.

Memória de dados

Tem por finalidade armazenar os dados do programa do usuário, tais como valores de temporizadores, contadores, senhas, etc. Geralmente, a memória de dados utiliza partes da memória RAM do CLP.

Memória imagem das entradas e saídas

Esta memória armazena informações dos estados das entradas e saídas do CLP, funcionando como uma tabela onde a CPU buscará informações durante o processamento do programa de usuário.

Circuitos auxiliares

São circuitos responsáveis pela proteção de falhas na operação do CLP, tais como:

• Evitar o acionamento indevido das saídas quando da energização do CLP;

• Evitar perda de informações em caso de desenergização do CLP;

• Evitar erros de processamento, identificando falhas no microprocessador emitindo informações de erro.

Módulos de entradas e saídas

São circuitos de interface destinados a adequar eletricamente os sinais de entrada, a fim de que sejam processados pela CPU, bem como adequar eletricamente os sinais de saída, a fim de que possam atuar nos dispositivos controlados pelo CLP.

Entradas e saídas do CLP

Todos os CLPs têm os mesmos componentes básicos. Esses componentes trabalham juntos para trazer informações para o CLP a partir do campo, ]avaliar essas informações e enviar informações de volta para vários campos. Sem nenhum desses componentes principais, o CLP não funcionará corretamente.

Num processo estão presentes variáveis digitais (discretas) e variáveis analógicas. Entende-se por variável analógica aquela que varia continuamente em função do tempo, como, por exemplo, a temperatura de uma sala, a qual pode assumir qualquer valor dentro de uma determinada faixa. Já as variáveis digitais assumem situações binárias, como, por exemplo, motor ligado ou desligado, presença de uma pessoa ou não.

Para que um CLP, através de um programa, controle adequadamente um determinado processo, é necessário que o mesmo possua dispositivos de entrada/saída compatíveis com as variáveis do processo e com as estratégias de controle desejadas.

Os módulos de entrada e saída (E/S) de um CLP conectam a interface com o sistema externo. Existem diversos tipos de módulos (analógicos, digitais e inteligentes), com número variável de entradas e saídas. Os módulos de entrada do CLP recebem sinais dos sensores e das botoeiras de campo. Os módulos de saída comunicam aos atuadores qual será a ação de controle ou sinalização.

Em CLPs de medio e grande portes, os módulos de E/S são encaixados em slots situados na caixa da UCP (Unidade Central de Processamento) ou em rack de expansão separado, permitindo flexibilidade na configuração do CLP. A utilização de slots também possibilita que o módulo danificado seja substituído rapidamente.

Nos CLPs de pequeno porte (microCLPs), a quantidade de entradas e saídas é pequena e fixa (menor que oito) e geralmente se resume a sinais digitais.

Os módulos de E/S digitais operam com sinais de dois estados: ON ou OFF. Os módulos de entrada digital são capazes de detectar e converter sinais de entrada em níveis lógicos de tensão usados no CLP; os de saída digital convertem os sinais lógicos de saída usados no CLP em sinais próprios capazes de energizar os atuadores.

Alguns módulos de E/S digitais trabalham com sinais contínuos; outros operam com sinais alternados. Para uso em CC (corrente contínua), o valor de tensão padrão adotado é de 24 V, pois permite uma relação sinal/ruído adequada para ambientes industriais. Já para os módulos de CA (corrente alternada), o padrão é de 110 ou 220 V.

Módulo Discreto (Relé)

O termo refere-se a uma saída de comutação Off. Um tipo de módulo CLP que produz sinais discretos é um módulo de relé. Possui um relé físico que abre ou fecha para fazer ou interromper um circuito conectado aos seus terminais. Os módulos de relé possuem vários pares; cada um dos quais está conectado aos contatos internos do relé.

Contato aberto

Contato fechado

Módulo Discreto (Transistor)

Outro tipo de módulo discreto é o módulo de saída de afundamento (sinking output module), assim denominado porque a corrente convencional flui para seu terminal quando uma saída específica é ligada. A corrente convencional flui de um potencial positivo para negativo.

Saída não ativada

Saída ativada

Representação de eventos quando a saída é ativada:

1 - Um transistor NPN é ativado

2 - O terminal de saída vai para LOW

3 - A corrente convencional flui do positivo da fonte de alimentação através do dispositivo de campo para o terminal de afundamento do módulo de saída através do transistor para o negativo da fonte de alimentação.

Módulos de entrada AC

Os módulos de entrada AC detectam a presença ou ausência de tensão AC e convertem essa tensão em um nível baixo para entrada na CPU. A tensão AC indica o status do dispositivo de campo. O nível de tensão é geralmente de 24, 110 ou 220 VAC. Os módulos estão disponíveis para até 1.000 VAC. Um diagrama esquemático do módulo de entrada AC é mostrado abaixo. Quando o dispositivo de campo completa o circuito de entrada, existe um caminho para AC. Um LED na frente do módulo indica que a entrada está presente.

Um retificador converte a AC em CC. O acoplador óptico isola o módulo de entrada da CPU e reduz efetivamente o nível de tensão CC para um nível seguro para operações da CPU.

A maioria dos módulos de entrada AC usa uma fonte de alimentação AC externa para "interrogação" dos dispositivos de campo. As fontes de alimentação AC integradas aumentam o tamanho do módulo e exigem considerações adicionais sobre dissipação de calor.

As entradas AC podem usar uma conexão neutra comum para vários pontos ou pode haver um neutro "isolado" para cada ponto para proteção adicional contra falhas. O módulo de entrada mostrado na imagem acima usa C1 neutro para os pontos 00-07 e C2 neutro para os pontos 10-17. Módulos de entrada AC analógicos não são comumente usados porque não há sinais de corrente ou tensão AC analógicos padronizados.

Módulos de entrada digital CC

Módulos de entrada CC discretos detectam a presença ou ausência de tensão CC e convertem essa tensão em um nível baixo para entrada na CPU. A tensão CC é usada para indicar o status do dispositivo de campo. A imagem abaixo mostra um diagrama esquemático do módulo de entrada DC.

A tensão CC pode ser fornecida pelo módulo de entrada (entrada do coletor) ou pode ser fornecida por uma fonte de alimentação externa (entrada da fonte).

Assim como nos módulos de entrada CA, a entrada é acoplada à CPU para isolamento e proteção da CPU. Um LED fornece indicação quando a entrada está presente (verdadeira).

Módulo de entrada analógica CC

Os módulos de entrada CC analógicos detectam um nível de tensão ou corrente CC, convertem essa variável em um sinal digital proporcional e transmitem esses dados para a CPU para processamento. Os módulos podem ser configurados para operar em faixas de sinal de instrumentação padrão, como 4-20 mA, 10-50 mA, 0-10V.

Um diagrama esquemático de um módulo de entrada DC analógico é mostrado abaixo:

Depois que o módulo converte o valor analógico em digital, o CLP pode ativar e desativar as funções de controle em valores analógicos predefinidos. Por exemplo, quando o valor analógico de entrada atinge 70%, um alarme soa.

Módulos de saída AC

Os módulos de saída AC controlam os estados ON/OFF dos dispositivos de campo de saída AC, como relés, bobinas e solenoides. Normalmente, eles não usam energia para os dispositivos de campo. A imagem abaixo é um diagrama esquemático do módulo.

A CPU usa um sinal DC de baixa tensão para ativar um opto-acoplador no módulo de saída. O opto-acoplador aciona um TRIAC ou SCR que, por sua vez, completa o caminho da corrente para a fonte de alimentação externa e o dispositivo de campo. Como na maioria dos módulos de CLP, a classificação de tensão e o número de pontos são selecionáveis e as saídas podem ter neutros comuns ou isolados.

Módulos de saída discreta DC

Módulos de saída DC discretos controlam os estados on/off dos dispositivos de campo de saída DC. A energia é fornecida por uma fonte de alimentação externa. Um diagrama esquemático do módulo é mostrado abaixo:

A CPU envia um sinal CC de baixo nível para um optoacoplador que completa o caminho da corrente DC externa que energiza o dispositivo de campo de saída. As conexões do dispositivo de campo podem ser "sinked" ou "sourced".

Módulos de saída analógica CC

Os módulos de saída DC analógica convertem dados digitais da CPU em dados analógicos para uso do dispositivo de campo. Um conversor digital para analógico (D/A) no módulo executa a conversão. Abaixo para um diagrama esquemático do módulo.

As saídas analógicas estão em conformidade com os sinais de instrumentação padrão (4-20 mA, 10-50 mA, 0-5V, 0-10V). Uma fonte de alimentação CC externa é usada para alimentar o dispositivo de campo de saída e o acoplador óptico no módulo.

Sinais de Entradas e Saídas Analógicas

Sinais analógicos são amplamente utilizados em programas de CLP. Um CLP pode trabalhar apenas com os valores 0 e 1.

Isso é ótimo para sinais digitais. Eles são 0 ou 1 e, portanto, relativamente fáceis de trabalhar. Mas e os sinais analógicos? Sinais analógicos são sinais contínuos que podem variar ao longo do tempo.

Por exemplo, você pode ter um sinal analógico de 0 a 10 volts. Este sinal pode variar de 0 a 10 volts e ter qualquer nível de tensão no meio. E como os sinais analógicos são contínuos, esse sinal sempre representa a qualquer momento um nível de tensão. Se você observar o diagrama abaixo, verá que o sinal analógico pode ter qualquer valor entre 0 e 10 volts.

A questão agora é: como um CLP lida com todos esses valores diferentes?

Digamos que você tenha um sinal analógico de 5 volts no CLP. Não podemos representá-lo com valores booleanos, porque eles só podem ter os valores 0 e 1.

A resposta é números binários!

Representando sinais analógicos com números binários

Como mencionado anteriormente, um CLP só pode trabalhar com os dois valores 0 e 1. Mas isso nos impede de trabalhar com sinais analógicos. Porque o que realmente está acontecendo é que o CLP trabalha com números binários. Isso se deve ao fato de um CLP ou um microcontrolador serem realmente apenas circuitos elétricos avançados feitos de transistores. Como um transistor só pode ser ativado ou desativado, esses dois estados representam os valores 0 e 1.

Mas isso nos dá apenas dois estados. Muito útil para sinais digitais, mas não para analógico. Para entender como as entradas analógicas funcionam em um CLP, você precisa entender os números binários.

Números binários é o sistema de numeração usado por um CLP ou qualquer outro computador. O sistema possui apenas dois números, em comparação com o sistema de numeração de 10 bases, onde temos 10 números de 0 a 9. Binário é apenas outra maneira de escrever números.

Bits e bytes

Um número binário com um dígito é chamado bit. Um bit pode conter 0 ou 1.

Se você combinar esses bits e criar números de vários dígitos, as coisas começam a ficar interessantes.

Em muitos CLPs, um sinal analógico é representado por uma word (2 bytes). Uma word em binário com zeros fica assim:

00000000 00000000

Um número binário com 16 dígitos pode representar valores de 0 a 65.535. Essa é apenas metade da verdade para os CLPs. O primeiro bit é usado para sinalizar o número, fornecendo um valor positivo ou negativo.

Portanto, com 1 bit para o sinal, temos 15 bits restantes para representar o valor analógico. O número binário pode, portanto, representar valores de -32.768 a 32.767.

Conversor A/D

Quando o sinal de entrada analógica entra no PLC, ele passa por um conversor A/D ou conversor analógico para digital.

Este é o componente na placa de entrada analógica do PLC que transforma o sinal analógico em sinais digitais. São esses sinais digitais que eventualmente fornecerão nossa representação de valor binário no PLC.

Antes de conhecer o conversor A/D, é importante entender com que tipo de sinal analógico você está lidando.

Os três tipos de sinais analógicos na programação de CLP mais comuns são:

• Voltagem

• Corrente

• Resistência

A razão pela qual precisamos saber sobre o tipo de sinal é porque precisamos conhecer o range do sinal. Um tipo de sinal analógico muito usado é o 4-20mA.

No sinal de 4-20mA existe um range de 16mA (20mA - 4mA). Um valor analógico é frequentemente colocado em uma word de 16 bits em um PLC. Isso ocorre porque o conversor A/D converte o sinal analógico em um valor digital de 16 bits.

Você pode comprar cartões de entrada analógica com diferentes resoluções. Isso depende de quantos bits o conversor A/D precisa trabalhar. Mais bits nos fornece mais números para representar o sinal analógico.

Resolução de sinais analógicos

O número de bits que você precisa salvar no valor analógico é chamado de resolução.

Pense nisso como sua TV. Ele também possui apenas uma certa quantidade de pixels para representar uma imagem. O mesmo acontece com a conversão analógica para digital. Assim como chamamos resolução ao falar sobre o número de pixels na televisão, também chamamos resolução ao falar sobre valores analógicos representados por um número.

A resolução é muito importante ao lidar com sinais analógicos na programação de CLP. Ao entrar na placa de entrada analógica, o sinal analógico será dividido em um valor entre 0 e 32.767. Dividir o valor analógico em 32.767 nos dá uma certa resolução.

Toda vez que nosso valor aumenta em 1, significa que o sinal analógico aumentou com x mA.

Range de Sinal Analógico

Sinais analógicos tendem a ser muito sensíveis. Embora seja nossa intenção que um intervalo de sinal seja de 4-20mA, o sinal pode às vezes ultrapassar estes limites. Quando isso acontece, queremos ser capazes de ver isso no PLC. Embora nem sempre seja o caso, esses transbordamentos podem significar que há algo errado. Para poder detectá-los no programa CLP, precisamos do que é chamado overflow e underflow do range.

Nosso range normal ou range nominal é 4-20mA. Mas acima e abaixo disso, normalmente se acrescenta alguns mA extras no range. Eles dividem o intervalo superior nessas duas categorias:

• Overshoot range (overrange)

• Overflow

E o range inferior nesses dois:

• Undershoot range (underrange)

• Underflow

O que isso significa é que, em vez de uma faixa de 4-20 mA, agora temos uma faixa de 1,185 - 22,96 mA. O mesmo se aplica aos outros tipos de sinais analógicos. Por exemplo. a faixa de 0 a 10V é de 0 a 11,852 V. Tudo isso significa que nossas faixas de sinais analógicos podem ser ilustradas assim:

Com o overflow e underflow em mente, agora podemos começar a calcular a resolução real do nosso sinal analógico. Mas, em vez de usar apenas os intervalos de 22.96-1.185 mA ou 11.852 V, há um número que você deve observar aqui: 27.648

Como você pode ver na tabela acima, é aqui que o nosso intervalo classificado termina. Nossa resolução para um sinal de 0 a 10 V deve, portanto, ser calculada da seguinte forma:

10 V / 27648 = 361,7 μV

Ou para o nosso sinal de 4-20 mA:

16 mA / 27648 = 578,7 nA

Esses dois números são os valores mínimos que podemos representar no CLP com o valor digital. Na maioria dos casos, essas medidas são pequenas e precisas o suficiente. Lembre-se também de que, quanto mais alta resolução você desejar, mais caros os módulos de entrada e saída analógica de CLP.

Entradas Analógicas

As entradas analógicas podem vir de uma variedade de sensores e transmissores ou ambos. Por exemplo, um dos tipos de termopares conectados a um transmissor, que é então conectado a uma entrada analógica do PLC. Você pode medir um monte de coisas diferentes. O trabalho do sensor ou transmissor é transformar isso em um sinal elétrico. Aqui estão algumas das coisas que você pode medir com sensores analógicos:

• Nível

• Fluxo

• Distância

• Viscosidade

• Temperatura

• Pressão

O ponto principal é que o sensor ou o transmissor transforma os valores físicos em um sinal analógico. É esse sinal que podemos usar no PLC como entrada analógica.

Um exemplo aqui pode ser um transmissor de temperatura com uma saída de 4-20 mA. Conectado ao transmissor está um sensor de temperatura. O transmissor é então calibrado para uma faixa de, p. 0-100 graus. O que isto significa é que, quando a temperatura é de 0 graus, a saída do transmissor será de 4 mA e 20 mA por 100 graus.

Um transmissor é frequentemente necessário porque o sensor em si não pode nos fornecer um sinal analógico. Ou pelo menos não um que se encaixe na entrada analógica do PLC. É possível comprar módulos de entrada analógica onde você pode conectar diretamente um sensor de temperatura. Mas, na maioria das vezes, você terá um módulo de entrada de tensão ou corrente no qual conectará um transmissor.

A calibração é muito importante quando se fala de transmissores. Você precisa saber quanto esses mA ou volts representam no valor físico.

Fiação de entradas analógicas

Fiação de entrada analógica de tensão

O uso de tensão para sinais analógicos é bastante comum. Eles também são bastante fáceis de conectar, pois geralmente você só precisa de dois fios. Mas isso não significa que você não deve tomar cuidado ao conectar esse tipo de sinal analógico. Se não estiver conectado corretamente, você pode obter um sinal analógico com defeito ou, pior ainda, um módulo de entrada analógica danificado.

Portanto, basicamente todas as entradas de tensão analógicas possuem dois terminais:

• AGND: O terra ou referência para entradas analógicas

• AIN: Entrada analógica

A tensão é sempre medida entre dois pontos. Você não pode tomar um ponto e depois dizer: neste momento eu posso medir 10 volts. Para isso, você precisa de um ponto de referência. Como uma bateria. Uma bateria de 9 volts tem apenas 9 volts entre o lado positivo e o negativo.

É para isso que usamos o AGND ou o terra analógico. É entre AGND e AIN que o CLP mede quantos volts existem na entrada analógica. Isso também nos dá a resposta para o que é o AIN.

Quando você está conectando a fonte de tensão analógica, o AIN é onde você conecta o lado positivo (+) dela. O lado negativo (-) deve estar conectado ao AGND. Esses são os dois principais fios do sinal analógico.

Mas se você conectar apenas esses dois, terá um sinal muito vulnerável. A compatibilidade eletromagnética (EMC) pode alterar facilmente o sinal analógico.

Como você pode ver abaixo, isso é resolvido protegendo os fios e conectando a blindagem ao terra. Esteja ciente de que este NÃO é o mesmo terra do AGND!

O fato é que nem todos os terras são iguais. Onde o AGND é usado como referência para o nosso sinal analógico (0 volt), a blindagem deve ser conectada ao terra. Porque o ruído é realmente apenas indução de corrente nos fios por causa dos campos magnéticos. Usando uma blindagem, a corrente será induzida na blindagem, em vez dos fios do nosso sinal analógico. Essa corrente precisa ser afastada e é por isso que conectamos o shield (blindagem) ao terra.

Queda de tensão nos fios

Como estamos lidando com tensão aqui, há algo na própria fiação que pode causar problemas. Todos os fios elétricos (condutores) têm resistência e, portanto, criam uma queda de tensão. Isso pode potencialmente significar que a tensão na entrada analógica é diferente da tensão no transmissor. Obviamente, isso só tem uma consequência significativa se você tiver longas distâncias de fiação ou fios muito pequenos.

Fiação de entrada analógica de corrente

Em vez de tensão, você também pode usar a corrente como sinal analógico. Eles podem ser um pouco mais difíceis de conectar, mas em geral são mais estáveis. Especialmente um deles possui um recurso muito inteligente que provavelmente o torna o tipo de sinal analógico mais utilizado.

A corrente nos sinais analógicos é geralmente medida em miliamperes (mA). Uma faixa típica aqui é entre 0 e 20 mA. Menos do que isso seria difícil de medir e mais do que isso logo se tornaria perigoso.

Vamos dar uma olhada no que realmente significa usar corrente em sinais analógicos.

Primeiro de tudo, você precisa de um loop fechado para que a corrente flua. Embora a fiação do primeiro tipo de transmissor de corrente seja a mesma da tensão, algo diferente acontece aqui. Corrente é o fluxo de elétrons de um polo para outro. É por isso que você sempre precisará de um circuito fechado para medir a corrente.

Resistor Shunt

De fato, o PLC não consegue nem medir a corrente. Então o que acontece é que, dentro do módulo de entrada analógica, um resistor é colocado entre o positivo (AI) e o negativo (AGND). Isso não apenas compõe o circuito fechado, mas também converte nosso sinal de corrente em um sinal de tensão.

O resistor é chamado de resistor de derivação e tem uma resistência específica. Em alguns módulos de entrada analógica é de 250 Ohm, por exemplo. E, devido à lei de Ohm, o sinal de corrente analógico agora pode ser convertido em sinal de tensão por cálculos simples.

Tensão (V) = Resistência (R) x Corrente (I)

Como temos uma resistência bem conhecida de 250 Ohm, também é possível calcular a quantos miliamperes nossa tensão medida corresponde. Com esse cenário em mente, vamos dar uma olhada na fiação das entradas analógicas atuais. Eles geralmente podem ser divididos em três tipos:

• Entrada analógica de 2 fios

• Entrada analógica de 3 fios

• Entrada analógica de 4 fios

Ao falar de 2, 3 e 4 fios, o que estamos falando aqui são realmente os transmissores ou transdutores. Os transmissores de corrente podem ser conectados de maneiras diferentes e, portanto, com um número diferente de fios. A diferença é realmente a fonte de alimentação do sinal. Às vezes, o transmissor alimentará o circuito e, às vezes, você precisará usar uma fonte externa.

Entrada analógica de 2 fios

A primeira e mais simples maneira de conectar um transmissor de 2 fios é conectá-lo à alimentação de loop. Basicamente, isso significa que o CLP fornecerá o loop de corrente. Aqui são necessários apenas 2 fios. Para que o CLP forneça a corrente, precisamos usar um outro terminal no módulo de entrada analógica:

A+: Fonte de entrada analógica

Um fio que passa de A+ através do transmissor e volta em outro fio para AIN. A fonte vem de A+, o transmissor controla o fluxo de corrente e o sinal de corrente analógico entra em AIN.

Você também pode usar uma fonte de alimentação externa para o transmissor de 2 fios. Conecte 0 V da fonte ao AGND e 24 V através do transmissor de volta ao AIN. Embora você praticamente precise de 3 fios para isso, ainda é considerada uma conexão de entrada analógica de 2 fios, porque o transmissor tem apenas dois fios.

Uma desvantagem dos loops de corrente de 2 fios é que você só tem um loop para a alimentação e o sinal. Na verdade, isso significa que o transmissor precisa consumir menos de 4 mA para funcionar. Alguns sensores e transmissores consomem mais do que isso, o que nos leva aos loops de 3 e 4 fios.

Entrada analógica de 3 fios

Em um circuito de corrente de 3 fios, apenas o terra é compartilhado entre a fonte e o sinal. O terra está conectado ao AGND e à fonte de alimentação (-). O transmissor possui 2 fios positivos (+). Um que vai para a fonte de alimentação (+) e outro para AIN.

Embora eles compartilhem o terra, um transmissor de 3 fios cria 2 loops. Um para o sinal e outro para a alimentação. Agora, o sensor ou o transmissor pode consumir a quantidade de corrente necessária, sem interferir no sinal analógico.

Entrada analógica de 4 fios

O transmissor de 4 fios também é amplamente utilizado, pois separa a alimentação do sinal. Ao fornecer ao transmissor 4 fios, você pode ter 2 para a alimentação e 2 para o sinal. Naturalmente, o transmissor de 4 fios requer uma fonte de alimentação externa.

Claramente, a maior vantagem do uso de um transmissor de 4 fios é a separação completa entre alimentação e sinal. Eles podem ser totalmente isolados ou opto-isolados, para que a perturbação na alimentação não afete o sinal.

Escala de entrada analógica

Quando o sinal de entrada analógica entra no CLP, você frequentemente precisa escalá-lo em seu programa de CLP. O que a escala significa é que você converte o valor bruto da entrada analógica em algum tipo de valor de engenharia. Um valor de engenharia é um número que representa o valor físico, por exemplo vazão (m3/s), peso (kg) ou temperatura (graus).

A conversão ou escalonamento é feita simplesmente com algumas contas. Alguns softwares (IDE), têm até um bloco funcional especificamente para fazer o escalonamento.

Escalando com matemática

O sinal analógico se torna um valor bruto no CLP, mas esse número realmente representa nada além de, por exemplo, um número entre 0 e 27648. O que o sinal analógico representa é uma medição física como 0 a 300 graus. Muitas vezes será necessário trabalhar com o valor de engenharia em nosso programa CLP ou para mostrar a medição em uma HMI.

De alguma forma, temos que converter o intervalo 0-27648 para 0-300.

Matematicamente, podemos descrevê-lo com esta relação:

Valor Bruto / 27648 = Valor de Engenharia / 300

Ao isolar o valor da engenharia, obtemos agora uma equação que podemos usar diretamente em nosso programa de CLP. Esta equação pode ser usada para dimensionar a entrada analógica para o valor de engenharia:

Valor de engenharia = (Valor bruto / 27648) * 300