E se a seleção do PLC ideal pudesse transformar a eficiência da sua produção? Este artigo analisa os princípios cruciais da escolha do controlador lógico programável (PLC) adequado, abrangendo factores como a fiabilidade do fabricante, pontos de entrada/saída e funções de controlo essenciais. Ao compreender estes aspectos-chave, estará equipado para tomar decisões informadas que podem melhorar significativamente o desempenho e a fiabilidade do seu sistema. Continue a ler para descobrir como o PLC certo pode otimizar as suas operações e aumentar a produtividade.
Antes de selecionar um PLC, é importante determinar o esquema do sistema. Uma vez determinado o esquema do sistema, pode escolher o fabricante e o modelo que melhor se adapta às suas necessidades.
Este artigo fornece informações detalhadas sobre fabricantes, modelos, contagem de pontos de entrada/saída (E/S), funções de controlo e muito mais, para o ajudar a selecionar o PLC mais adequado às suas necessidades.
Ao selecionar um fabricante para o seu PLC, é importante ter em conta factores como os requisitos do utilizador do equipamento, a familiaridade do designer com os PLC de diferentes fabricantes e os hábitos de design, a consistência dos produtos compatíveis e os serviços técnicos.
Do ponto de vista da fiabilidade do próprio autómato, em princípio, não deve haver problemas com a fiabilidade dos produtos das grandes empresas estrangeiras. De um modo geral, para o controlo de equipamentos independentes ou de sistemas de controlo mais simples, os produtos PLC japoneses apresentam certas vantagens em termos de custos.
Para sistemas de controlo distribuídos em grande escala, com elevados requisitos de comunicação e abertura da rede, os PLC europeus e americanos têm vantagens na funcionalidade de comunicação em rede.
Além disso, para algumas indústrias especiais (como a metalurgia e o tabaco), devem ser seleccionados sistemas PLC com um desempenho operacional maduro e fiável no sector industrial relevante.
A contagem de pontos de E/S de um PLC é um dos seus parâmetros básicos. A determinação da contagem de pontos E/S deve basear-se no número total de pontos E/S necessários para o equipamento de controlo.
Em geral, os PLCs devem ter margens adequadas para os pontos de E/S. Normalmente, depois de adicionar 10% a 20% de margens expansíveis com base nas estatísticas de pontos de entrada/saída calculadas, estes dados podem ser utilizados como uma contagem estimada de pontos de entrada/saída.
Ao efetuar encomendas reais, a contagem de pontos de entrada/saída tem de ser ajustada com base nas características específicas do produto PLC do fabricante.
A capacidade de armazenamento refere-se à dimensão da unidade de armazenamento de hardware que o controlador lógico programável pode fornecer, enquanto a capacidade do programa se refere à dimensão da unidade de armazenamento utilizada pelo projeto de aplicação do utilizador na memória.
Por conseguinte, a capacidade do programa é menor do que a capacidade de armazenamento. Durante a fase de conceção, uma vez que o programa de aplicação do utilizador ainda não foi compilado, a capacidade do programa é desconhecida e só pode ser determinada após a depuração do programa.
A fim de estimar a capacidade do programa durante o processo de seleção do projeto, a capacidade de armazenamento estimada é geralmente utilizada como substituto. Não existe uma fórmula fixa para estimar a capacidade de memória do PLC, e muitas fontes bibliográficas fornecem fórmulas diferentes.
Geralmente, estima-se que o número total de palavras na memória seja 10-15 vezes o número de pontos de E/S digital mais 100 vezes o número de pontos de E/S analógica (cada palavra tem 16 bits), devendo também ser considerada uma margem adicional de 25%.
Esta seleção inclui a escolha de características operacionais, de controlo, de comunicação, de programação, de diagnóstico e de velocidade de processamento.
As funções operacionais de um PLC simples incluem operações lógicas, temporização e funções de contagem. As funções operacionais de um autómato normal incluem também a deslocação de dados, a comparação e outras funções operacionais.
As funções operacionais mais complexas incluem operações algébricas, transferência de dados, etc. Os grandes autómatos dispõem também de funções operacionais avançadas, como o funcionamento PID para sinais analógicos.
Com o aparecimento dos sistemas abertos, a maior parte dos autómatos tem agora funções de comunicação, alguns produtos têm comunicação com máquinas de nível inferior, alguns têm comunicação com computadores de nível superior e alguns têm mesmo funções de comunicação de dados com fábricas ou redes de empresas.
Ao selecionar o PLC com base nos requisitos reais, é importante selecionar as funções operacionais necessárias de forma razoável.
Na maioria dos cenários de aplicação, apenas são necessárias operações lógicas e funções de contagem de tempo.
Algumas aplicações requerem transferência e comparação de dados, e as operações algébricas, a conversão numérica e as operações PID são apenas utilizadas para a deteção e controlo de sinais analógicos. Algumas aplicações também requerem operações de descodificação e codificação para apresentar dados.
As funções de controlo incluem operações de controlo PID, operações de controlo de compensação de avanço, operações de controlo de rácio, etc., que devem ser determinadas com base nos requisitos de controlo. Uma vez que o PLC é utilizado principalmente para o controlo lógico sequencial, os controladores de circuito simples ou de circuito múltiplo são frequentemente utilizados para resolver o controlo analógico na maioria dos cenários.
Por vezes, são utilizadas unidades de entrada/saída inteligentes dedicadas para completar as funções de controlo necessárias, melhorando a velocidade de processamento do PLC e poupando capacidade de armazenamento. Por exemplo, utilizando unidades de controlo PID, contadores de alta velocidade, unidades analógicas com compensação de velocidade, unidades de conversão ASCII, etc.
Os sistemas PLC de média e grande dimensão devem suportar vários barramentos de campo e protocolos de comunicação normalizados (como o TCP/IP) e devem poder ligar-se a redes de gestão de fábricas (TCP/IP), quando necessário.
O protocolo de comunicação deve estar em conformidade com as normas de comunicação ISO/IEEE e deve ser uma rede de comunicação aberta.
A interface de comunicação do sistema PLC deve incluir interfaces de comunicação série e paralela (RS2232C/422A/423/485), portas de comunicação RIO, Ethernet industrial, interfaces DCS normalmente utilizadas, etc.
O barramento de comunicação dos PLC de média e grande dimensão (incluindo os dispositivos de interface e os cabos) deve ter em conta a configuração redundante, e o barramento de comunicação deve respeitar as normas internacionais. A distância de comunicação deve corresponder às necessidades efectivas do dispositivo.
Na rede de comunicação do sistema PLC, a taxa de comunicação da rede de nível superior deve ser superior a 1Mbps, e a carga de comunicação não deve exceder 60%.
A rede de comunicação do sistema PLC tem várias formas:
Para reduzir a tarefa de comunicação da CPU, devem ser seleccionados diferentes processadores de comunicação com diferentes funções de comunicação (tais como ponto-a-ponto, fieldbus, Ethernet industrial) com base nas necessidades reais da composição da rede.
Programação offline:
O PLC e o programador partilham uma CPU. No modo de programação, a CPU apenas serve o programador e não controla o dispositivo de campo. Após a conclusão da programação, o programador muda para o modo de execução e a CPU controla o dispositivo de campo, mas não pode executar a programação.
A programação offline reduz os custos do sistema, mas é inconveniente de utilizar e depurar.
Programação em linha:
A CPU e o programador têm as suas próprias CPUs. A CPU principal é responsável pelo controlo de campo e troca dados com o programador num ciclo de varrimento. O programador envia o programa ou dados programados online para o anfitrião, e o anfitrião funciona de acordo com o novo programa recebido no ciclo de varrimento seguinte.
Este método tem um custo mais elevado, mas a depuração e o funcionamento do sistema são convenientes e são normalmente utilizados em PLC de média e grande dimensão.
Cinco linguagens de programação normalizadas:
Gráfico de Funções Sequenciais (SFC), Diagrama Ladder (LD), Diagrama de Blocos de Funções (FBD), três linguagens gráficas, e Lista de Instruções (IL) e Texto Estruturado (ST), duas linguagens de texto.
A linguagem de programação selecionada deve estar em conformidade com a sua norma (IEC6113123) e suportar formas de programação em várias linguagens, como C, Basic, Pascal, etc., para satisfazer os requisitos de controlo de cenários de controlo especiais.
A função de diagnóstico do PLC inclui diagnósticos de hardware e de software. O diagnóstico de hardware determina a localização de falhas de hardware através de julgamentos lógicos de hardware, enquanto o diagnóstico de software inclui diagnósticos internos e externos.
O diagnóstico do desempenho e das funções do autómato internamente através de software é um diagnóstico interno, enquanto o diagnóstico da CPU e da função de troca de informações dos componentes externos de entrada/saída através de software é um diagnóstico externo.
A força da função de diagnóstico do PLC afecta diretamente as capacidades técnicas exigidas aos operadores e ao pessoal de manutenção e afecta o tempo médio de reparação.
O PLC funciona em modo de varrimento. Do ponto de vista dos requisitos em tempo real, a velocidade de processamento deve ser a mais rápida possível. Se a duração do sinal for inferior ao tempo de varrimento, o PLC não conseguirá efetuar o varrimento do sinal, o que resultará na perda de dados do sinal.
A velocidade de processamento está relacionada com a duração do programa do utilizador, a velocidade de processamento da CPU, a qualidade do software, etc.
Atualmente, o tempo de resposta e a velocidade dos contactos PLC são rápidos, e o tempo de execução de cada instrução binária é de cerca de 0,2~0,4μs, o que pode satisfazer os requisitos das aplicações de controlo elevado e de resposta rápida.
O ciclo de varrimento (ciclo de varrimento do processador) deve satisfazer os seguintes critérios: o tempo de varrimento de um pequeno PLC não deve exceder 0,5ms/K e o tempo de varrimento de um PLC de média a grande escala não deve exceder 0,2ms/K.
Os autómatos podem ser classificados em dois tipos: integrais e modulares, com base nas suas estruturas.
Os PLC integrais têm um número relativamente fixo e reduzido de pontos de E/S, o que limita as escolhas dos utilizadores e é normalmente utilizado em pequenos sistemas de controlo. Exemplos deste tipo incluem a série Siemens S7-200, a série Mitsubishi FX e a série Omron CPM1A.
Os PLC modulares fornecem vários módulos de E/S que podem ser ligados à placa de base do PLC, permitindo aos utilizadores selecionar e configurar o número de pontos de E/S de acordo com as suas necessidades.
Isto torna as configurações modulares de PLC mais flexíveis e é normalmente utilizado em sistemas de controlo de média a grande dimensão. Exemplos deste tipo incluem as séries Siemens S7-300 e S7-400, a série Mitsubishi Q e a série Omron CVM1.
A seleção dos módulos de entrada/saída digitais deve ter em conta os requisitos da aplicação. Por exemplo, para os módulos de entrada, devem ser considerados os níveis de sinal de entrada, as distâncias de transmissão, etc.
Existem também muitos tipos de módulos de saída, tais como saída de contacto de relé, saída de tiristor bidirecional AC120V/23V, tipo de acionamento por transístor DC24V, tipo de acionamento por transístor DC48V, etc.
Normalmente, os módulos de saída a relé têm as vantagens do baixo custo e da ampla gama de tensões. No entanto, têm uma vida útil mais curta, um tempo de resposta mais longo e requerem circuitos de absorção de picos quando utilizados com cargas indutivas.
Os módulos de saída de tiristores bidireccionais têm um tempo de resposta mais rápido e são adequados para comutações frequentes e ocasiões de carga com baixo fator de potência, mas são mais caros e têm uma capacidade de sobrecarga inferior.
Além disso, os módulos de entrada/saída podem ser divididos em especificações como 8 pontos, 16 pontos, 32 pontos, etc., de acordo com o número de entradas/saídas, e devem ser razoavelmente equipados de acordo com as necessidades reais.
Os módulos de entrada analógica podem ser divididos em tipo de entrada de corrente, tipo de entrada de tensão, tipo de entrada de termopar, etc., de acordo com o tipo de sinais de entrada analógica.
O nível de sinal de um módulo de entrada de corrente é normalmente 4~20mA ou 0~20mA, enquanto o de um módulo de entrada de tensão é normalmente 0~10V, -5V~+5V, etc. Alguns módulos de entrada analógica podem ser compatíveis com sinais de entrada de tensão e de corrente.
Os módulos de saída analógica também têm o tipo de saída de tensão e o tipo de saída de corrente. A gama de sinais de saída de corrente é normalmente 0~20mA, 4~20mA, enquanto a gama de sinais de saída de tensão é normalmente 0~0V, -10V~+10V, etc.
Os módulos de entrada/saída analógica podem ser divididos em especificações como 2 canais, 4 canais, 8 canais, etc., de acordo com os seus números de canais de entrada/saída.
Os módulos de função incluem módulos de comunicação, módulos de posicionamento, módulos de saída de impulsos, módulos de contagem de alta velocidade, módulos de controlo PID, módulos de controlo de temperatura, etc.
Ao escolher um PLC, deve ser considerada a possibilidade de combinar módulos de função, o que envolve tanto aspectos de hardware como de software.
Após a determinação aproximada do modelo e das especificações do PLC, as especificações e os parâmetros básicos de cada componente do PLC podem ser determinados um a um, de acordo com os requisitos de controlo, e os modelos de cada módulo componente podem ser seleccionados.
Ao selecionar os modelos de módulos, devem ser seguidos os seguintes princípios
Ao selecionar um PLC, deve ser considerada a relação desempenho-preço. No que se refere à economia, factores como a escalabilidade da aplicação, a operacionalidade, a relação entrada-saída, etc., devem ser comparados e equilibrados para escolher um produto satisfatório.
O número de pontos de entrada/saída tem um impacto direto no preço. O aumento do número de cartões de entrada/saída implica custos adicionais. Quando o número de pontos aumenta para um determinado valor, a capacidade de memória correspondente, o bastidor, a placa-mãe, etc., também têm de ser aumentados.
Por conseguinte, o aumento do número de pontos tem um impacto na seleção da CPU, na capacidade de memória e no âmbito da função de controlo. Deve ser plenamente considerado na estimativa e seleção para que todo o sistema de controlo tenha uma relação desempenho-preço mais razoável.
Geralmente, existem muitos tipos de módulos que podem satisfazer os requisitos de controlo de um PLC. Na seleção, deve ser seguido o princípio da simplificação da conceção do circuito, da conveniência de utilização e da minimização dos componentes de controlo externos.
Por exemplo, para os módulos de entrada, deve ser dada prioridade à forma de entrada que pode ser diretamente ligada a elementos de deteção externos para evitar a utilização de circuitos de interface.
Para os módulos de saída, deve ser dada prioridade aos módulos de saída que podem acionar diretamente as cargas, devendo ser minimizados os relés intermédios e outros componentes.
Ao selecionar, a uniformidade e a generalidade de cada módulo componente do PLC devem ser consideradas para evitar demasiados tipos de módulos.
Isto não só favorece a aquisição, reduzindo as peças sobressalentes, como também pode aumentar a permutabilidade de vários componentes do sistema, proporcionando comodidade para a conceção, colocação em funcionamento e manutenção.
Ao selecionar cada módulo componente do sistema PLC, a compatibilidade deve ser totalmente considerada para evitar problemas de má compatibilidade.
Os fabricantes de produção dos principais componentes do sistema PLC não devem ser demasiados. Se possível, devem ser seleccionados produtos do mesmo fabricante.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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