IMPLEMENTAÇÃO DE UM CLP BASEADO NA IEC-61131 SOBRE MICROCONTROLADOR POPULAR E DE BAIXO CUSTO

IMPLEMENTAÇÃO DE UM CLP BASEADO NA IEC-61131 SOBRE MICROCONTROLADOR POPULAR E DE BAIXO CUSTO

Lademir Ferreira, Jacson Dreher, Gustavo Guedes.

Instituto Federal de Santa Catarina
Chapecó, Santa Catarina, Brasil
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Abstract⎯ This paper presents the development of a small scale PLC (Programmable Logic Controller) using a popular, low-cost microcontroller. The project is based on the IEC-61131 standard, using the programming language IL (Instructions List). For the implementation of the CLP, an ATmega328P microcontroller was chosen in Arduino platform. The basic operators and some IL functions were implemented, as provided in IEC-61131. The software that interprets and executes the user program was developed with the Arduino programming language itself.

Keywords⎯ PLC, microcontroller, Arduino, Instructions List.

Resumo⎯ Este artigo apresenta o desenvolvimento de um Controlador Lógico Programável (CLP) de pequeno porte, utilizando um microcontrolador popular e de baixo custo. O projeto foi baseado na IEC-61131 e na linguagem de programação IL (Instructions List). Para a implementação do CLP, foi escolhido o microcontrolador ATmega328P na plataforma Arduino Uno. Foram implementados os operadores básicos e algumas funções da IL, conforme previsto na IEC-61131. O software que interpreta e executa o programa do usuário foi desenvolvido na linguagem de programação do próprio Arduino.

Palavras-chave⎯ CLP, microcontrolador, Arduino, Lista de Instruções.

1    Introdução

Com a crescente necessidade de equipamentos e processos automatizados, é notável o aumento no uso de Controladores Lógicos Programáveis (CLP’s) e, também, na variedade de modelos de hardware e software desenvolvidos pelos diversos fabricantes que disputam esse mercado.

Para regulamentar e padronizar os CLP’s, existe a norma IEC-61131. A IEC-61131 se aplica aos CLP’s e seus periféricos associados, tais como: ferramentas de programação e depuração; interfaces homem-máquina (IHM’s); dentre outros itens destinados ao controle de máquinas e processos industriais.

Ela estabelece requisitos mínimos para os equipamentos, mas não impõe limites de criação, permitindo que os fabricantes possam desenvolver novas funções conforme suas necessidades.

A IEC61131 está dividida em cinco partes, além de dois guias de implementação. A sua terceira parte trata das linguagens de programação, sendo, assim, a que tem maior relevância para este trabalho.

Segundo (CHMIEL, MIROSLAW et al., 2015),  acreditava-se, nas décadas recentes, que apenas CPU´s dedicadas poderiam ser utilizadas no desenvolvimento de CLP´s. Entretanto, os autores demonstram que é possível desenvolver CLP´s com base em vários microcontroladores típicos.

Para (CHMIEL et al., 2015), a utilização de um microcontrolador padrão e popular é uma solução interessante para o desenvolvimento de um CLP de baixo custo e boa qualidade.  

 Este trabalho tem por objetivo apresentar um método de implementação do software de um CLP em um microcontrolador popular e de baixo custo e em concordância com as especificações da norma IEC 61131-3, e está estruturado da seguinte forma: na Seção 2, é apresentada a estrutura básica de um CLP, tal como definida na norma IEC 61131-3. Na Seção 3, é abordada a linguagem de programação do tipo lista de instruções (IL). A Seção 4 apresenta o sistema operacional proposto e a estrutura do software desenvolvido. Na Seção 5, são apresentados o hardware utilizado para a implementação e teste do projeto e os resultados obtidos. Finalmente, na Seção 6, são apresentadas algumas as conclusões.

2    Estrutura de um CLP

Segundo a (INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION, 2003b), a funcionalidade de um CLP pode ser implementada em uma plataforma específica de hardware e software ou em um computador de uso geral com características de ambiente industrial.

A IEC-61131-1 traz a seguinte definição de CLP: “Sistema eletrônico operando digitalmente, projetado para uso em ambiente industrial, que utiliza memória interna programável para o armazenamento de instruções criadas pelo usuário para a execução de funções tais como lógica, sequenciamento, temporização, contagem e aritmética, para controlar, através de entradas e saídas digitais ou analógicas, vários tipos de máquinas ou processos”.  

A estrutura funcional básica de um CLP é definida conforme ilustrado na Figura 1. Essas funções devem comunicar-se entre si e com os sinais da máquina ou processo a ser controlado.

[pic 1]

Figura 1. Estrutura funcional básica de um CLP (fonte: IEC- 61131-1).

Para (CHMIEL, MIROSŁAW et al., 2014), a CPU de um CLP pode ser concebida de várias maneiras, sendo que a sua arquitetura é o fator preponderante para o tempo de execução de uma rotina de controle.

Em um CLP, o módulo CPU é responsável pelo armazenamento do programa de aplicação, pelo armazenamento de dados, pelo sistema operacional e pela execução das funções do programa aplicativo. A CPU processa os sinais obtidos de sensores, bem como os do armazenamento interno de dados, e gera sinais para os atuadores e para o armazenamento de dados internos, em conformidade com o programa de aplicação.

Conforme (M. CHMIEL et al., 2011), CPU’s de CLP´s são frequentemente concebidos como sistemas com múltiplos processadores. Dispositivos FPGA oferecem grandes oportunidades para a construção e avaliação de CPU’s para controladores lógicos programáveis, sendo possível desenvolver-se sistemas micro processados dedicados completos capazes de executar programas de controle de forma eficiente com base em um microprocessador totalmente customizado. Dispositivos programáveis tornam possível, também, trocar a abordagem cíclica-sequencial por uma implementação de hardware massivamente paralela.