UC02940 · PLC — Programação industrial

Introdução

O PLC (Programmable Logic Controller) é o cérebro de praticamente toda a automação industrial moderna. Substituiu lógica de relés desde os anos 1980 pela sua flexibilidade, fiabilidade e capacidade de comunicação.

Esta unidade (50h, a mais longa do Bloco 5) cobre: - Hardware do PLC (CPU, I/O, comunicação). - Linguagens IEC 61131-3 (ladder, GRAFCET, ST). - Programação prática com Siemens TIA Portal (standard europeu). - Comunicação industrial (Profinet, Profibus, Modbus). - Diagnóstico e manutenção. - Aplicação a casos reais.

O técnico de manutenção industrial moderno não pode ignorar o PLC — está presente em todas as máquinas industriais e a sua intervenção é frequente.

1. Princípios e arquitectura

1.1 O que é um PLC

PLC = Programmable Logic Controller (controlador lógico programável).

Computador industrial dedicado que: 1. Lê entradas (sensores, botoeiras, sensores de fim-de-curso, etc.). 2. Executa lógica programada (em código). 3. Comanda saídas (electroválvulas, contactores, motores, displays). 4. Repete continuamente o ciclo (5-50 ms tipicamente).

1.2 Ciclo de scan

PLC executa ciclicamente:

1. LER todas as entradas (snapshot).
2. EXECUTAR programa (do início ao fim).
3. ATUALIZAR todas as saídas (output update).
4. Gestão de comunicações, diagnóstico interno.
5. Voltar a 1.

Tempo de ciclo: 5-50 ms para PLCs modernos. Determinístico (sempre o mesmo intervalo, independentemente do que está a acontecer).

Implicação: PLC não responde instantaneamente — há latência máxima = tempo de ciclo. Para sinais críticos rápidos, usar interrupções (hardware ou software).

1.3 Vs lógica de relés

Antes do PLC, automação fazia-se com lógica de relés: - Cada lógica = combinação física de relés. - Modificar = re-cablar. - Diagnóstico = seguir cabo a cabo. - Custo = elevado em sistemas grandes.

PLC introduziu: - Lógica em software (modificável). - Diagnóstico online (monitorizar I/O em tempo real). - Comunicação com outros sistemas. - Modularidade e expansibilidade. - Custo mais baixo em sistemas grandes.

1.4 Arquitectura

Componentes essenciais:

CPU (Central Processing Unit): - Microprocessador. - Memória RAM (programa e dados em execução). - Memória flash (programa armazenado). - Bateria/super-capacitor para reloj e dados retentivos.

Módulos I/O: - Digitais (DI/DO): 24V CC tipicamente. - Analógicos (AI/AO): 0-10V, 4-20mA, Pt100, termopar. - Especiais: contadores rápidos, módulos de movimento, comunicação.

Fonte de alimentação: tipicamente 24V CC, alimentada da rede 230V CA via fonte chaveada externa.

Comunicação: porta Ethernet (Profinet, EtherNet/IP) e/ou portas série (RS-232, RS-485).

Bus interno: comunicação entre CPU e módulos (backplane).

2. Hardware do PLC

2.1 Tipos de PLC

Compacto: - CPU + I/Os básicos num único bloco. - 10-100 I/Os. - PMEs, máquinas simples-médias. - Exemplos: Siemens S7-1200, Schneider M221, Allen-Bradley Micro800.

Modular: - CPU separada; módulos I/O adicionados em rack. - 100-2000+ I/Os. - Indústria média-pesada. - Exemplos: Siemens S7-1500, Allen-Bradley CompactLogix, Schneider M580.

Distribuído (Distributed I/O): - I/Os remotos via fieldbus (Profinet, Profibus). - Vantagem: cablagem reduzida em fábricas grandes. - Exemplos: Siemens ET 200SP, Beckhoff EK1100.

De segurança (Safety PLC): - Certificado SIL3/PLe (IEC 61508 / ISO 13849). - Para funções de segurança (paragem de emergência, bi-manual). - Exemplos: Siemens S7-1500F, Allen-Bradley GuardLogix, Pilz PSS.

2.2 Marcas dominantes

Europa: - Siemens (S7-1200, S7-1500): standard europeu, dominante. - Schneider Electric (Modicon M221/M580, EcoStruxure): forte presença. - Beckhoff (TwinCAT em CX-series): standard em automação avançada. - B&R (Bernecker + Rainer): austríacos.

Américas: - Allen-Bradley / Rockwell (CompactLogix, ControlLogix): dominante nos EUA. - GE / Emerson.

Ásia: - Mitsubishi (FX, Q, iQ-R): dominante no Japão. - Omron. - Delta: PLCs económicos populares.

Em Portugal: Siemens domina, com forte presença de Schneider Electric.

2.3 I/O digitais

Entradas digitais (DI): - 24V CC tipicamente. - PNP standard europeu (sensor liga +24V à entrada). - NPN alternativo (sensor liga 0V à entrada). - Filtragem interna para anti-bouncing. - Isolamento galvânico (opto-isolador).

Saídas digitais (DO): - Transistor: 24V CC, 0,5A típico. Rápida (< 1ms). Para electroválvulas, lâmpadas LED. - Relé: contacto seco, até 2A, 230V CA. Mais lenta (10ms). Para cargas maiores ou tensões altas. - Triac: para cargas CA.

2.4 I/O analógicos

Entradas analógicas (AI): - 0-10V, ±10V, 4-20mA, 0-20mA. - Para temperaturas: directamente Pt100, termopar (com módulo específico). - Resolução: 12 bits (4096 níveis) básico, 16 bits (65536) precisão. - Tempo de conversão: 1-100 ms.

Saídas analógicas (AO): - 0-10V, 4-20mA. - Para válvulas proporcionais, variadores de frequência, SSR. - Resolução 12-16 bits.

2.5 Módulos especiais

Contagem rápida (HSC — High Speed Counter): - Contadores para sinais rápidos (> 10 kHz). - Encoders, contadores de produção.

Módulos de movimento (Motion Control): - Comando de servomotores via Profinet/EtherCAT. - Posicionamento, velocidade, binário.

Módulos de comunicação: - Profibus DP. - Modbus RTU. - Gateways HART. - Outros fieldbus.

2.6 Selecção de PLC

Critérios: 1. Número de I/Os (com margem de expansão 20-30%). 2. Tipo de I/Os (digitais, analógicos, especiais). 3. Velocidade necessária (tempo de ciclo, contadores rápidos). 4. Comunicação (Profinet, Modbus, etc.). 5. Programação (linguagens suportadas). 6. Marca (compatibilidade com restante instalação). 7. Suporte e disponibilidade de peças. 8. Custo.

3. Linguagens IEC 61131-3

3.1 Norma

IEC 61131-3 define 5 linguagens standard para PLCs:

1. LAD (Ladder Diagram) — gráfica, baseada em diagramas eléctricos.
2. FBD (Function Block Diagram) — gráfica, blocos funcionais.
3. STL/IL (Statement List / Instruction List) — texto, baixo nível.
4. ST/SCL (Structured Text) — texto, alto nível (tipo Pascal).
5. SFC (Sequential Function Chart) — gráfica, máquinas de estado.

Cada PLC moderno suporta várias destas linguagens — programador escolhe conforme problema.

3.2 Quando usar cada

Boas práticas: - LAD para lógica de input/output básica. - FBD para blocos de controlo (PID). - SCL para algoritmos complexos. - SFC para sequências multi-estado.

Programa real combina várias — chama-se "linguagem mista".

4. Ladder logic (LAD)

4.1 Símbolos básicos

─┤├─       Contacto Normalmente Aberto (NO)
─┤NOT├─    Contacto Normalmente Fechado (NC)
─( )─      Bobina (saída)
─( S )─    Set (latched on, mantém-se após pulso)
─( R )─    Reset (latched off)
─( P )─    Edge positive (transição 0→1)
─( N )─    Edge negative (transição 1→0)

4.2 Network típico

Cada network = linha horizontal com: - Lado esquerdo: rail vertical (corrente eléctrica). - Símbolos representando condições (contactos). - Lado direito: bobina (saída).

| I0.0 (botão)   I0.1 (sensor)               Q0.0 (motor)
|──┤├─────────────┤├─────────────────────────( )──|

Trad.: Se I0.0 está activo (botão premido) E I0.1 está activo (sensor) → Q0.0 activa (motor liga).

4.3 Operadores lógicos

AND (série):

| I0.0   I0.1   I0.2                  Q0.0
|──┤├────┤├────┤├────────────────────( )──|

Q0.0 = I0.0 AND I0.1 AND I0.2.

OR (paralelo):

| I0.0                                 Q0.0
|──┤├──┬───────────────────────────────( )──|
|       │                                    |
| I0.1  │
|──┤├──┘                                     |

Q0.0 = I0.0 OR I0.1.

Combinado:

| I0.0   I0.1                         Q0.0
|──┤├────┤├──┬──────────────────────( )──|
|             │                          |
| I0.2        │
|──┤├─────────┘

Q0.0 = (I0.0 AND I0.1) OR I0.2.

4.4 Auto-retenção

Padrão clássico (START / STOP):

| I0.0 (START)   I0.1 (STOP, NC)            Q0.0
|──┤├──┬─────────┤NOT├──────────────────────( )──|
|        │                                       |
| Q0.0   │
|──┤├────┘ (auto-retenção)

• Premir START + STOP não premido → Q0.0 activa.
• Q0.0 contacta sobre si próprio (auto-retenção).
• Soltar START: Q0.0 mantém-se via Q0.0.
• Premir STOP: corta a linha → Q0.0 desactiva.

4.5 Temporizadores

TON (Timer On Delay): bobina activa após X tempo de input activo.

| I0.0
|──┤├─────────────────────────IN─T1─PT=T#5s──Q──┐
|                                                │
|                                       T1.Q     │
|                                       ──┤├─( Q0.0 )

I0.0 activo durante 5 segundos → T1.Q activa → Q0.0 activa. Se I0.0 desactivar antes de 5s, T1 reseta.

TOF (Timer Off Delay): bobina mantém-se X tempo após input desactivar.

TP (Pulse Timer): gera pulso de duração fixa.

4.6 Contadores

CTU (Count Up): incrementa em cada borda positiva.

| I0.0                                       
|──┤├──CU─────CTR1─PV=10─Q──Q0.0
| I0.1
|──┤├──R (reset)

Cada pulso em I0.0 incrementa contador. Quando atinge 10, Q.Q activa.

CTD: count down. CTUD: bidireccional.

4.7 Comparadores

| MW0 > 100
|──╔═══╗──────────( Q0.0 )──|
|  ║ > ║                     |
|  ╚═══╝

Se MW0 (Memory Word 0) > 100, Q0.0 activa.

4.8 Operações matemáticas

| I0.0
|──┤├──ADD──IN1=MW0─IN2=MW2─OUT=MW4

Quando I0.0 activo, MW4 = MW0 + MW2.

Operações: ADD, SUB, MUL, DIV, MOV, ABS, etc.

5. GRAFCET / SFC

5.1 Conceito

GRAFCET (Graphe Fonctionnel de Commande Etape-Transition) — norma IEC 60848.

Diagrama de estados sequencial: - Estados (etapas) numerados representam situação da máquina. - Transições representam passagem entre estados, com condições. - Acções associadas a cada estado.

Apenas 1 estado activo de cada vez em sequência simples (ou múltiplos em ramos paralelos).

5.2 Símbolos

Etapa inicial (estado 0):

   ╔══╗
   ║ 0║
   ╚══╝

Duplo quadrado indica estado inicial (activo ao arrancar).

Etapa normal:

   ┌──┐
   │ 1│
   └──┘

Transição:

   ┌──┐
   │ 1│
   └─┬┘
     │
     ─── condição (ex: B1 + START)
     │
   ┌─▼┐
   │ 2│
   └──┘

Acção associada ao estado:

   ┌──┐  ┌─────────────┐
   │ 1├──┤ EV_A = 1     │
   └──┘  └─────────────┘

5.3 Exemplo

Sequência A+ B+ A− B− (2 cilindros):

   ╔══╗
   ║ 0║  Repouso (nada activo)
   ╚═╤╝
     │
     │ Trans: START + B2A + B4B (recolhidos)
     ▼
   ┌──┐  ┌────────────┐
   │ 1├──┤ EV_A+      │
   └─┬┘  └────────────┘
     │ Trans: B1A (A avançado)
     ▼
   ┌──┐  ┌────────────┐
   │ 2├──┤ EV_A+, EV_B+│
   └─┬┘  └────────────┘
     │ Trans: B3B (B avançado)
     ▼
   ┌──┐  ┌────────────┐
   │ 3├──┤ EV_B+, EV_A−│  (recuo A em biestável)
   └─┬┘  └────────────┘
     │ Trans: B2A
     ▼
   ┌──┐  ┌────────────┐
   │ 4├──┤ EV_A−, EV_B−│
   └─┬┘  └────────────┘
     │ Trans: B4B
     ▼
   (volta a 0)

5.4 Convergência e divergência

Divergência paralela (vários ramos activos):

       ┌──┐
       │ 5│
       └─┬┘
         │
    ═════╪════ (linha dupla = paralelismo)
    │         │
  ┌─┴─┐     ┌─┴─┐
  │6.1│     │6.2│ (activos simultaneamente)
  └─┬─┘     └─┬─┘
    │         │
    ═════╪═════
         │
       ┌─▼─┐
       │ 7│ (só activa quando 6.1 e 6.2 terminam)
       └──┘

Divergência selectiva (apenas 1 ramo activa, conforme condição):

       ┌──┐
       │ 5│
       └─┬┘
         │
     ────┼──── (linha simples = selecção)
    /        \
   cond_A    cond_B
    │          │
  ┌─┴─┐     ┌─┴─┐
  │6.A│     │6.B│ (apenas um activa)
  └───┘     └───┘

5.5 Implementação em PLC

Suporte nativo: - Siemens TIA Portal: linguagem GRAPH (S7-GRAPH). - Schneider EcoStruxure: SFC. - Beckhoff TwinCAT: SFC. - CodeSys: SFC.

Em ladder (sem suporte nativo): - 1 memória por estado (M0.0 para estado 0, M0.1 para estado 1, etc.). - Transições com SET/RESET. - Acções dependem do estado activo.

5.6 Tratamento de emergência

GRAFCET pode ser forçado a estado de emergência independentemente do estado actual:

| I_emergency
|──┤├──FORCE("Estado_Emergência")

Em estado de emergência: actuadores desactivados, alarme acende, ciclo congelado.

6. Comunicações industriais

6.1 Hierarquia

ERP / MES / Cloud (Empresa)         ← Ethernet IT
   ↓
SCADA / HMI (Supervisão)            ← Ethernet industrial
   ↓
PLC / DCS (Controlo)                 ← Profinet / EtherNet IP
   ↓
I/O remotos + instrumentação        ← Profibus DP / PA, HART, IO-Link

6.2 Profinet

Standard Siemens, dominante na Europa: - Ethernet industrial (100 Mbit/s ou 1 Gbit/s). - Topologias flexíveis (estrela, linha, anel). - IO Real-Time (RT): tempo real soft (1-10 ms). - IO Isochronous Real-Time (IRT): tempo real estrito (~1 ms, jitter < 1 µs). Para servomotores. - PROFIsafe: para sinais de segurança.

6.3 Profibus DP

Mais antigo mas ainda muito usado: - RS-485, até 12 Mbit/s. - Configuração mestre-escravo. - Até 126 endereços. - Cabo blindado dedicado.

6.4 Modbus

Modbus RTU: - RS-485 ou RS-232. - Simples, universal, suporte amplo. - Velocidade: 9600 a 115200 bps.

Modbus TCP: - Ethernet sobre TCP/IP. - Velocidade mais alta. - Compatível com infraestrutura IT.

Standard em retrofit e equipamentos diversos.

6.5 EtherNet/IP

Standard Allen-Bradley / Rockwell: - Ethernet industrial. - CIP (Common Industrial Protocol). - Dominante nos EUA.

6.6 EtherCAT

Standard Beckhoff: - Ethernet ultra-rápido (< 100 µs ciclo). - Padrão em servomotores, controlo de movimento de precisão.

6.7 OPC UA

OPC Unified Architecture: - Não é fieldbus. - Middleware para integração de sistemas. - Cifra, autenticação, agnóstico de plataforma. - Standard para conectar PLCs a SCADA, MES, cloud.

6.8 MQTT

Protocolo IoT: - Publish-subscribe. - Leve, eficiente. - Para sensores enviarem dados à cloud.

6.9 Comparação

7. Diagnóstico e manutenção

7.1 Diagnóstico online

PLCs modernos permitem monitorização em tempo real:

Siemens TIA Portal: - Monitor: valores de cada variável visível instantaneamente. - Watch Table: agrupar variáveis de interesse. - Trace: gravação de sinais ao longo do tempo (osciloscópio digital). - Cross-references: localizar onde cada variável é usada. - Diagnostic Buffer: log interno de eventos (erros, restarts, alarmes). - Hardware Diagnostics: estado de cada módulo, comunicação.

7.2 Forçar valores (Force)

Para teste, pode-se forçar I/Os a valores específicos: - Entradas: simular sensor activo/inactivo. - Saídas: activar contactor sem programa.

Cuidados: - Pode mover máquinas se forçares saídas. - Pode mascarar bugs se esquecer force activo. - Indicação visual clara no TIA Portal quando há force. - Limpar forces após teste.

7.3 Avarias comuns

7.4 Backup do programa

Crítico para recuperação rápida em caso de avaria:

O que guardar: - Programa fonte (código no TIA Portal). - Configuração de hardware (rack, módulos, endereços). - Receitas e parâmetros (do HMI e PLC). - Mapas de I/O (etiquetas, descrições). - Documentação (esquemas, manuais).

Onde guardar: - PC do programador (com restrições de acesso). - Servidor da empresa. - Cloud (cifrada). - Cartão SD local no PLC (alguns modelos).

Frequência: após cada modificação significativa.

7.5 Substituição de PLC

Quando PLC avaria, substituir em vez de reparar (mais rápido):

1. Comprar PLC equivalente (mesmo modelo se possível).
2. Configurar IP e parâmetros.
3. Baixar programa do backup.
4. Validar I/Os (cada um manualmente).
5. Teste funcional completo.

Tempo total: 2-8h se backup estiver actualizado.

Sem backup: dias a semanas para re-programar (com risco de bugs novos).

8. Casos práticos

8.1 Comando de cilindro com 2 sensores

Componentes: - Cilindro duplo efeito + 2 fim-de-curso (B1, B2). - Botoeiras START + STOP. - Lâmpada sinalização. - PLC compacto S7-1212C.

I/Os: - I0.0: START. - I0.1: STOP/E (NC). - I0.2: B2 (recolhido). - I0.3: B1 (avançado). - Q0.0: EV avanço. - Q0.1: Lâmpada.

Programa em ladder:

| // Network 1: Avanço com auto-retenção
| I0.0   I0.1   I0.2                        M0.0
|──┤├────┤NC├───┤├──────────────────────────( S )──|
|  START  STOP   B2 (recolhido)                    |
|
| // Network 2: Reset quando atinge B1 ou STOP
| I0.3                       M0.0
|──┤├──┐
|      ├─────────────────────( R )──|
| I0.1 │
|──┤├──┘
|  STOP
|
| // Network 3: Saída avanço
| M0.0                       Q0.0
|──┤├───────────────────────( )──|
|
| // Network 4: Sinalização
| M0.0                       Q0.1
|──┤├───────────────────────( )──|

8.2 Controlo PID de temperatura

Componentes: - Pt100 + transmissor 4-20 mA. - Resistência eléctrica 5 kW + SSR. - PLC S7-1200 + módulo SM 1231.

Configuração: - AI 0: temperatura (0-150 °C). - AO 0: comando SSR (0-100%). - Setpoint: 80 °C. - Bloco PID PLC com auto-tuning.

Programa: instanciar bloco PID, configurar parâmetros, conectar entrada/saída/setpoint.

8.3 Sequência multi-cilindro em GRAFCET

Sequência A+ B+ A− B− já mostrada acima. Implementar em S7-GRAPH ou ladder com memórias.

Apêndice A · Atalhos TIA Portal

Apêndice B · Glossário

• PLC — Programmable Logic Controller.
• DCS — Distributed Control System.
• HMI — Human-Machine Interface.
• SCADA — Supervisory Control and Data Acquisition.
• CPU — Central Processing Unit.
• I/O — Inputs and Outputs.
• DI/DO — Digital Input/Output.
• AI/AO — Analog Input/Output.
• HSC — High Speed Counter.
• OB — Organization Block (Siemens).
• FB — Function Block.
• FC — Function.
• DB — Data Block.
• LAD, FBD, STL, ST, SFC — linguagens IEC 61131-3.
• GRAFCET — Graphe Fonctionnel de Commande Etape-Transition.
• OPC UA — middleware standard de integração.

Apêndice C · Recursos

• Siemens TIA Portal Trial: download gratuito siemens.com (30 dias).
• Versão básica gratuita: TIA Portal V18 Step 7 Basic (para S7-1200).
• Simulação: PLCSIM Advanced (simula PLC + HMI).
• Cursos: SIEMENS SITRAIN, Festo Didactic.
• YouTube: canais Siemens Industry Online Support, RealPars.
• Livros:
• "Automating Manufacturing Systems with PLCs" — Hugh Jack (gratuito online).
• "Programmable Logic Controllers" — Frank Petruzella.